《机电一体化系统设计》第3章 检测与传感系统设计技术.ppt

机电一体化系统设计 华北电力大学 * 第3章　传感检测系统的选择与设计 本章要求重点掌握以下内容： 检测传感器的分类及机电一体化对其基本要求； 常用检测传感器的原理及应用； 传感器的测量电路及与微机接口。 本章概述 传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。 能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。 3.1传感器的组成和分类 3.1.1传感器的组成 通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。 传感器的静态特性是在静态标准条件下,利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性,与理论直线有偏差,如图3-3所示。 （4） 重复特性。 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,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即 式中: ΔRm——最大重复性误差。 　重复特性也由实验方法确定, 常用绝对误差表示,如图3-5所示。  （5）分辨力:传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值。 （6）漂移：由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。 （7）精度：精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度，包括传感器的测量精度和重复精度。 2. 传感器的动态特性 传感器能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、临界频率等。 3.1.3 信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括： （1） 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,是电压还是电流。 （2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 （3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。 （4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。 3.1.4 传感器的分类 1. 按能量变换的功能分： 2. 按输出 的信号分： 开关型： 开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开 ON 和关 OFF 。这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。 模拟型： 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。如电位器、电容式位移传感器、电阻应变片输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。线性的可以直接使用，非线性的需经过线性化处理，模拟量经A/D转换后输入微机。 数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲数字型，其工作原理如图a-1所示。它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测运行机构的位移量，这时运行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅。 代码型传感器又称编码器，其工作原理如图a-2所示；它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值，例如图中输入量的值为K1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。代码的“1”为高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。常用来检测执行元件的位置或速度，如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定分静态标定和动态标定: 1. 感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。 2. 传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。 ①体积小、重量轻、对整机的适应性好； ②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高； ③安全可靠、寿命长； ④便于与计算机连接； ⑤不易受被测对象 如电阻、磁导率 的影响，也不影响外部环境； ⑥对环境条件适应能力强； ⑦现场处理简单、操作性能