机电一体化系统设计传感器

❖ 基本转换电路：将电路参数量转换成便与 测量的电量，如电压、电流、频率等
❖ 传感器的功能及分类
▪ 按工作原理不同分类
按输出信号性质分类
温度传感器
压阻式液位 传感器
光敏传感器
压力传感器
液位传感器
电阻 式远 传压 力表
称重 传感器
CCD 传感 器
感应式 流量表
风力参数 传感器
超声 传感器
反射式光 敏传感器
H Hm10% 0
yFS
迟滞大小用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值 的百分比表示
H (1 /2 ) (H ma /y x F)S 1% 00
式中: ΔHmax——正反行程输 出值间的最大差值。
迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如 轴承摩擦，间隙，螺钉松动，元件腐蚀及灰尘等 。
rR
(2~3)10% 0
YFS
rR
1Rmax10% 0 2 YFS
2. 传感器的动态特性
❖
传感器测量动态信号的能力用动态特性表示。
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的
响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域
、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如
：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围
S0 y
x
可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性 特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度 k是一常数，与输入量大小无关。
二、传感器的基本特性
(3)、迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行
程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞， 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示
•
Uo

Rf R1
(Ui2
Ui1)
0
U1 U2
当只有共模信号，共模
抑制比无穷大
半波调幅
全波调幅
❖ 包络检波
信号处理电路—— 滤波器
❖ 功能与类型 ❖ 一阶有源滤波器 ❖ 二阶有源滤波器
1、 滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉
噪声和干扰信号，保留下有用信号。
滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系 统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。
地震检波器
磁、气、力 敏传感器
❖ 传感器的选用
传感器千差万别，测量同一种测定量，可以采用不同工作原理的传感器， 注意以下几个方面：
▪ 测量条件
测量的目的；测定量的选定；测量的范围；输入信号的带宽；要求的精 度；测量所需时间等
▪ 传感器的性能
精度；响应速度；稳定性；模拟还是数字信号；输出量及电平；被测对 象特征的影响；校准周期；过载输入保护等
两个功能： 被测量
被测量
敏感作用（被测对象 变换作用（被测非电量
信号拾取） 电量输出）
转换元件
电量 基本转换电路
❖ 敏感元件：直接感受被测量，并以确定关 系输出某一物理量，如弹性敏感元件将力 转换为位移或应变输出，光敏、热敏、气 敏、湿敏、温敏、磁敏等
❖ 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量 （如位移、应变、光强等）转换成电参数 （如电阻、电感、电容等）
第二章 检测系统设计
机电一体化一体化系统检测系统实质：
非电量
电量
显示
2.1 传感器的定义
来自百度文库
定义：是一种以一定的精确度将被测量（如 位移、力、加速度等）转换为与之能确定对 应关系的，易于精确处理和测量的某种物理 量（如电量）的测量部件或装置。
2.2 传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和基本 转换电路三部分组成
拟合直线方程 y=k+b x 设有n对测量数据（xi,yi）, 用直线方程y= k +bx拟合,
根据测量数据值, 求方程中系数k 、b的最佳估计值。 可应用最小二乘法原理, 使各测量数据点yi与直线输
出偏差的平方和为最小。
二、传感器的基本特性
(2)、灵敏度
传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即
二、传感器的基本特性
❖ (1)、线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出—输入
特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度
值之比，即
γL
Δmax100%
yFS
几种直线拟合方法
(a) 理论拟合
(b) 过零旋转拟合
(c) 端点连线拟合 (d) 端点平移拟合
即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线的 拟合精度最高。
(4)、重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作
全量程连续多次重复测量时，所得输出——输入曲线 的不一致程度，称重复性。
重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围 内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。重复性误差属于随机误 差, 常用标准偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即
、临界频率等。
动特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函 数。输出量随输入量的频率的变化而变化。表征传感器动特性输 入量与输出量的关系方法是微分方程和传递函数。
标准输入有三种：
正弦变化的输入 阶跃变化的输入 线性输入
经常使用的是前两种。
2.4 传感器的基本转换电路 1.电阻型
R 1/R f1R f2/R 4 U o(1R R f4 2)U (2 U 1)
(4) 高共模抑制比放大器
U2

R2
R3
R3
U
i
2
(1)
Uo(1R R1 f )R2R 3R3Ui2R R1 f Ui1
U 0 U 1 U 1 U i1
Rf
R1
U1 U2
(2)
R1 R2, R3 Rf
滤波器的用途
滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分， 例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高 频率成分的干扰。
1）分压电路 用得极为广泛。
分压电路控制的自动灯光启闭系统
2) 桥式电路
阻抗Z1，Z2，当测量发 生变化时，Z1变化，此 时用控制器控制Z2变化， 使输出为零，可以实现 电脑自动测量。
3) 信号放大电路
(3) 高输入阻抗放大器 虚短，虚断，”虚地”
为保证共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子项
▪ 传感器的使用条件
放置的场所；环境（温度、湿度、振动）；测量的时间（寿命周期）； 传输距离；与设备连接方式；供电电源；价格
2.3 传感器的基本特性
❖ 1. 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态
下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静 态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞 和重复性等。