第4章检测技术与传感器.ppt

第第4章检测技术与传感器章检测技术与传感器 4.1概述概述 4.2位移检测位移检测 4.3速度、加速度检测速度、加速度检测 4.4力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测 4.5其他传感器其他传感器 4.6传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 4.7传感器前级信号处理传感器前级信号处理 4.8传感器接口技术传感器接口技术 4.1概述概述4.1.1检测系统的组成检测系统的组成 机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式，机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式，非电量的检测系统有两个重要环节。非电量的检测系统有两个重要环节。(1)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。称为一次仪表。(2)对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指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，这叫电信号处理系统，通常被称为二次仪表。机电示、显示等处理，这叫电信号处理系统，通常被称为二次仪表。机电一体化系统一般采用计算机控制方式，因此，电信号处理系统通常是一体化系统一般采用计算机控制方式，因此，电信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。综上所述，非电量检测系统的结以计算机为中心的电信号处理系统。综上所述，非电量检测系统的结构形式如构形式如图图4-1所示。所示。对于电量检测系统，只保留了电信号的处理过程，省略了一次仪对于电量检测系统，只保留了电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。表的处理过程。下一页返回4.1概述概述4.1.2传感器的概念及基本特性传感器的概念及基本特性 传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量如电量)的测量部件或装置。的测量部件或装置。通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器的特性通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器的特性(静态特性静态特性和动态特性和动态特性)是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能和精度。和精度。1.传感器的构成传感器的构成 传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图图4-2所示。所示。下一页上一页返回4.1概述概述2.传感器的静态特性传感器的静态特性(1)线性度。传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的线性度。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，得到输入标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到输入/输出特性输出特性(列表或列表或画曲线画曲线)。通常希望这个特性。通常希望这个特性(曲线曲线)为线性，这给标定和数据处理带为线性，这给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，对比理论直线有偏来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差，如差，如图图4-3所示。实际曲线与其两个端尖连线所示。实际曲线与其两个端尖连线(称理论直线称理论直线)之间的偏之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度价线性度(或非线性误差或非线性误差)的指标。的指标。下一页上一页返回4.1概述概述(2)灵敏度。传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度。传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用灵敏度，用S0表示，即表示，即(3)迟滞。传感器在正迟滞。传感器在正(输入量增大输入量增大)、反、反(输入量减小输入量减小)行程中输出行程中输出/输入输入特性曲线的不重合程度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出特性曲线的不重合程度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分的百分数表示数表示下一页上一页返回4.1概述概述(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，输入曲线的不一致程度，称重复性，如如图图4-5表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即(5)分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阑值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。近的分辨力称为阑值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。下一页上一页返回4.1概述概述 (6)漂移。由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变漂移。由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其他因素不化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其他因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移;随着温度随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。变化产生的漂移称为温度漂移。(7)精度。表示测量结果和被测的精度。表示测量结果和被测的“真值真值”的靠近程度。的靠近程度。下一页上一页返回4.1概述概述 3.传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用时间变化的规律，即被测量的波形。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，其动态特性参数有最大超调量、上升时间、调整时分析的方法确定，其动态特性参数有最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况随时间的变化规律，即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，以外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。由此引起动态误差。下一页上一页返回4.1概述概述4.1.3信号传输与处理电路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，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，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。传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出。(3)传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。(4)传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。上一页返回4.2位移检测位移检测 位移测量是线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一位移测量是线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化制造系统中应用十分广泛，这不仅因为在各种机械加工中位置确体化制造系统中应用十分广泛，这不仅因为在各种机械加工中位置确定和加工尺寸的需要，而且还因为速度、加速度等参数的检测都可以定和加工尺寸的需要，而且还因为速度、加速度等参数的检测都可以借助测量位移的方法。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、借助测量位移的方法。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。变形等。微位移检测传感器包括微位移检测传感器包括:应变式传感器、电容式传感器、电感传应变式传感器、电容式传感器、电感传感器。感器。4.2.1模拟式位移传感器模拟式位移传感器 1.可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图图4-6所示，主要由线圈、所示，主要由线圈、铁芯和活动衔铁所组成。铁芯和活动衔铁所组成。下一页返回4.2位移检测位移检测当线圈通以激磁电流时，其自感当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻与磁路的总磁阻Rm有关，即有关，即如果空气隙如果空气隙较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为下一页返回4.2位移检测位移检测 由于铁芯的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁芯的磁由于铁芯的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁芯的磁阻可以忽略不计，故阻可以忽略不计，故 将式将式(4一一7)代入式代入式(4-5)，得，得下一页上一页返回4.2位移检测位移检测 式式(4-8)表明，自感表明，自感L与空气隙与空气隙的大小成反比，与空气隙导磁截的大小成反比，与空气隙导磁截面积面积A0成正比。当成正比。当A0固定不变，改变固定不变，改变时，时，L与占呈非线性关系，此时与占呈非线性关系，此时传感器的灵敏度传感器的灵敏度下一页上一页返回4.2位移检测位移检测 2.涡流式传感器涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如电流效应。如图图4-9所示。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射所示。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。式两种。3.互感型差动变压器式电感传感器互感型差动变压器式电感传感器 互感型电感传感器是利用互感互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图图4-11所示。所示。下一页上一页返回4.2位移检测位移检测 图图4-12是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理图。当没有是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理图。当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小，使零点残余电压减小;当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。下一页上一页返回4.2位移检测位移检测4.2.2数字式位移传感器数字式位移传感器 1.光栅位移传感器光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精确度高变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精确度高(可达士可达士1 m)、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。其易于实现数字测响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。光栅位移传感器的结构如光栅位移传感器的结构如图图4-14所示。它主要由标尺光栅、指示所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一般标尺光栅和指示光栅的刻线密被测物体的直线位移而产生位移。一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。光栅条纹密度一般为每称为栅距。光栅条纹密度一般为每毫米毫米2 5条、条、50条、条、100条、条、250条等。条等。下一页上一页返回4.2位移检测位移检测 如果把两块栅距如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图图4-15所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的系列四棱形图案组成，如图中的d-d线区所示。线区所示。f-f线区则是由于光栅线区则是由于光栅的遮光效应形成的。的遮光效应形成的。下一页上一页返回4.2位移检测位移检测莫尔条纹具有如下特点。莫尔条纹具有如下特点。(1)莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。(2)莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹具有位移放大作用。(3)莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。2.感应同步器感应同步器 感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺较长直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺较长(200 mm)以上，可根据测量行程的长度选择不同规格长度以上，可根据测量行程的长度选择不同规格长度)，上面刻有均匀节，上面刻有均匀节距的绕组距的绕组;滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，见图滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，见图4-18。当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开。当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开1/4节距。滑尺在通有电流的定尺表面相对运动，产生感应电势。节距。滑尺在通有电流的定尺表面相对运动，产生感应电势。下一页上一页返回4.2位移检测位移检测 圆盘式感应同步器，如圆盘式感应同步器，如图图4-19所示，其转子相当于直线感应同所示，其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开步器的滑尺，定子相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。节距。3.旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当从一定频率子组成。当从一定频率(频率通常为频率通常为400 Hz,500 Hz,1000 H:及及5 000 Hz等几种等几种)的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角呈正比关系。角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角呈正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量量;后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。下一页上一页返回4.2位移检测位移检测如如图图4-21所示，旋转变压器一般做成两极电机的形式。所示，旋转变压器一般做成两极电机的形式。4.光电编码器光电编码器 光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两种基本类型光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两种基本类型:一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。增量式编码器具有结一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对式构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测4.3.1直流测速机速度检测直流测速机速度检测 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁机。根据定子磁极激磁方式的不同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯式两种。如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。近年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为电枢和圆盘电枢等。近年来，又出现了永磁式直线测速机。常用的为永磁式测速机。永磁式测速机。测速机的结构有多种，但原理基本相同。测速机的结构有多种，但原理基本相同。图图4-24所示为永磁式测所示为永磁式测速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电速机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。比的直流电势。直流测速机的输出特性曲线，如直流测速机的输出特性曲线，如图图4-25所示。所示。下一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测4.3.2光电式转速传感器光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被或与被测轴相连接的输入轴测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成，如盘组成，如图图4-26所示。所示。4.3.3加速度传感器加速度传感器 应变式传感器加速度测试原理如应变式传感器加速度测试原理如图图4-27所示，它由重块、悬臂梁、所示，它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形可测出力的大小，在已知质量的情况下即按梁上固定的应变片之变形可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的砧性液体作为阻尼之用，这一系可计算出被测加速度。壳体内灌满的砧性液体作为阻尼之用，这一系统的固有频率可以做得很低。统的固有频率可以做得很低。下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测 压电加速度测试传感器结构原理如压电加速度测试传感器结构原理如图图4-28所示。图中所示。图中1是质量块，是质量块，当加速运动时质量块产生的惯性力加载在当加速运动时质量块产生的惯性力加载在2(压电材料切片压电材料切片)上，上，3是电是电荷荷(或电势或电势)的输出端。该压电传感器是两片压电材料切片组成，下面的输出端。该压电传感器是两片压电材料切片组成，下面一片的输出引线是通过壳体与电极平面相连。一片的输出引线是通过壳体与电极平面相连。上一页返回4.4力、扭矩和流体压强检测力、扭矩和流体压强检测4.4.1力检测力检测 测力传感器按其量程大小和测量精度不同而有很多规格品种，它测力传感器按其量程大小和测量精度不同而有很多规格品种，它们的主要差别是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上们的主要差别是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。常见的弹性元件有柱形、简形、环形、梁式和轮辐粘贴的位置不同。常见的弹性元件有柱形、简形、环形、梁式和轮辐式等。式等。1.柱形或筒形弹性元件柱形或筒形弹性元件 如如图图4-29所示，这种弹性元件结构简单，可承受较大的载荷，常所示，这种弹性元件结构简单，可承受较大的载荷，常用于测量较大力的拉用于测量较大力的拉(压压)力传感器中，但其抗偏心载荷和测向力的能力传感器中，但其抗偏心载荷和测向力的能力差，制成的传感器高度大，应变片在柱形和简形弹性元件上的粘贴力差，制成的传感器高度大，应变片在柱形和简形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如位置及接桥方法如图图4-29所示。这种接桥方法能减少偏心载荷引起的所示。这种接桥方法能减少偏心载荷引起的误差，且能增加传感器的输出灵敏度。误差，且能增加传感器的输出灵敏度。下一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测若在弹性元件上施加一压力若在弹性元件上施加一压力P，则简形弹性元件的轴向应变，则简形弹性元件的轴向应变L为为用电阻应变仪测出的指示应变为用电阻应变仪测出的指示应变为下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测2.梁式弹性元件梁式弹性元件(1)悬臂梁式弹性元件悬臂梁式弹性元件 它的特点是结构简单、容易加工、粘贴应变片方便、灵敏度较高，它的特点是结构简单、容易加工、粘贴应变片方便、灵敏度较高，适用于测量小载荷的传感器中。适用于测量小载荷的传感器中。图图4-30所示为一截面悬臂梁弹性元件，所示为一截面悬臂梁弹性元件，在其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出。在其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出。若梁的自由端有一被测力若梁的自由端有一被测力P，则应变片感受的应变为，则应变片感受的应变为 电桥输出为电桥输出为下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测 2)两端固定梁两端固定梁 这种弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥形式如这种弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥形式如图图4-31所示。它的悬臂梁刚度大，抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变所示。它的悬臂梁刚度大，抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力与被测力P之间的关系为之间的关系为 下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测3)梁式剪切弹性元件梁式剪切弹性元件 这种弹性元件的结构与普通梁式弹性元件基本相同，只是应变这种弹性元件的结构与普通梁式弹性元件基本相同，只是应变片粘贴位置不同。应变片受的应变只与梁所承受的剪切力有关，而与片粘贴位置不同。应变片受的应变只与梁所承受的剪切力有关，而与弯曲应力无关。因此，无论是拉仲还是压缩载荷，灵敏度相同，适用弯曲应力无关。因此，无论是拉仲还是压缩载荷，灵敏度相同，适用于同时测量拉力和压力的传感器。此外，它与梁式弹性元件相比线性于同时测量拉力和压力的传感器。此外，它与梁式弹性元件相比线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大，其结构和粘贴应变片的位置如好、抗偏心载荷和侧向力的能力大，其结构和粘贴应变片的位置如图图4-32所示。所示。下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测4.4.2力矩测量力矩测量 图图4一一33所示为机器人手腕用力矩传感器原理，它是检测机器人终所示为机器人手腕用力矩传感器原理，它是检测机器人终端环节端环节(如小臂如小臂)与手爪之间力矩的传感器。目前，国内外研究制腕力与手爪之间力矩的传感器。目前，国内外研究制腕力传感器种类较多。但使用的敏感元件几乎全部是应变片，不同的只是传感器种类较多。但使用的敏感元件几乎全部是应变片，不同的只是弹性结构有差异。弹性结构有差异。图图4-33中的驱动轴中的驱动轴B通过装有应变片通过装有应变片A的腕部与手部的腕部与手部C连接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉连接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉D时，手部所受时，手部所受力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测4.4.3流体压强传感器流体压强传感器4.4.3.1膜式压力传感器膜式压力传感器 它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称平膜板或膜片，它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称平膜板或膜片，其一表面承受被测分布压力，另一侧面砧有应变片或专用的箔式应变其一表面承受被测分布压力，另一侧面砧有应变片或专用的箔式应变花，并组成电桥。如花，并组成电桥。如图图4-35所示。膜片在被测压力所示。膜片在被测压力P作用下发生弹性作用下发生弹性变形，应变片在任意半径变形，应变片在任意半径r的径向应变的径向应变r和切向应变和切向应变 t分别为分别为下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测4.4.3.2筒式压力传感器筒式压力传感器 它的弹性元件为薄壁圆简，简的底部较厚。这种弹性元件的特点它的弹性元件为薄壁圆简，简的底部较厚。这种弹性元件的特点是，圆简受到被测压力后表面各处的应变是相同的。因此应变片的粘是，圆简受到被测压力后表面各处的应变是相同的。因此应变片的粘贴位置对所测应变不影响，如贴位置对所测应变不影响，如图图4-36所示。所示。对于薄壁圆简对于薄壁圆简(壁厚与壁的中面曲率半径之比壁厚与壁的中面曲率半径之比1/20)则有则有下一页上一页返回4.3速度、加速度检测速度、加速度检测4.4.3.3压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压阻式传感器的结构如压阻式传感器的结构如图图4-37所示。其核心部分是一圆形的硅膜所示。其核心部分是一圆形的硅膜片。在沿某晶向切割的片。在沿某晶向切割的N型硅膜片上扩散四个阻值相等的型硅膜片上扩散四个阻值相等的P型电阻，构型电阻，构成平衡电桥。硅膜片周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高成平衡电桥。硅膜片周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部为低压腔，通常与大气相通。在被测压力作用下，膜片产压腔，上部为低压腔，通常与大气相通。在被测压力作用下，膜片产生应力和应变，生应力和应变，P型电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。型电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。上一页返回4.5其他传感器其他传感器4.5.1固态图像传感器固态图像传感器(CCD)固态图像传感器是采用光电转换原理，将被测物体的光像转换为固态图像传感器是采用光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件，常称电荷藕合器电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电元件，常称电荷藕合器件件(简称简称CCD)。其工作过程是。其工作过程是:首先由光学系统将被测物体成像在首先由光学系统将被测物体成像在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多像素点，这些的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多像素点，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储像素点将投射到它的光强转换成电荷信号并存储;然后在时钟脉冲信然后在时钟脉冲信号控制下，将反映光像的被存储电荷信号读取并顺序输出，从而完成号控制下，将反映光像的被存储电荷信号读取并顺序输出，从而完成了从光图像到电信号的转换过程。了从光图像到电信号的转换过程。图像传感器体积小，析像度高，功耗小，广泛用于非接触的尺寸、图像传感器体积小，析像度高，功耗小，广泛用于非接触的尺寸、形状、损伤的测量，以及图像处理和自动控制等领域。形状、损伤的测量，以及图像处理和自动控制等领域。下一页返回4.5其他传感器其他传感器 4.5.1.1 CCD的基本结构和原理的基本结构和原理 CCD器件是在器件是在MOS电容器基础理论上发展起来的。是在电容器基础理论上发展起来的。是在V型或型或P型硅衬底上生成一层厚度约型硅衬底上生成一层厚度约120 mm的二氧化硅层的二氧化硅层(SiO2),该二氧化硅该二氧化硅层具有介质作用，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形层具有介质作用，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形成金属氧化物半导体电容阵列，即成金属氧化物半导体电容阵列，即MOS电容器阵列，最后加上输入和电容器阵列，最后加上输入和输出端便构成了输出端便构成了CCD器件。器件。CCD的工作原理是建立在的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即电荷的产生、的基本功能上，即电荷的产生、存储和转移。存储和转移。下一页上一页返回4.5其他传感器其他传感器4.5.1.2 CCD的应用的应用 固态图像传感器依其光敏元排列方式分为线型、面型等种。已应固态图像传感器依其光敏元排列方式分为线型、面型等种。已应用的有用的有1024,1728,2048,4096像素的线型传感器和像素的线型传感器和32 X 32,100 X 100,320 X 244,490 X400以及以及28万万38万、万、130万像素的面型传感器。万像素的面型传感器。下一页上一页返回4.5其他传感器其他传感器4.5.2激光检测激光检测 激光检测主要是利用激光的方向性、单色性、相干性以及随时间、激光检测主要是利用激光的方向性、单色性、相干性以及随时间、空间的可聚焦性的特点，所以无论在测量精确度和测量范围上都具有空间的可聚焦性的特点，所以无论在测量精确度和测量范围上都具有明显的优越性。明显的优越性。下一页上一页返回4.5其他传感器其他传感器 4.5.2.1激光多普勒效应激光多普勒效应 当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射(或反射或反射)光的频率光的频率将发生改变，这种现象称为多普勒效应。相应地，将散射将发生改变，这种现象称为多普勒效应。相应地，将散射(或反射或反射)光光的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。对于如的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。对于如图图4-42所示的激所示的激光测速系统，激光光源光测速系统，激光光源S和受光点和受光点P(即反射表面即反射表面)之间有相对运动，由之间有相对运动，由于反射表面运动速度而引起光波频率漂移，此时，多普勒频移于反射表面运动速度而引起光波频率漂移，此时，多普勒频移下一页上一页返回4.5其他传感器其他传感器4.5.2.2应用应用 组成激光测速系统的主要光学部件有激光光源，入射光系统和收组成激光测速系统的主要光学部件有激光光源，入射光系统和收集光系统等。集光系统等。激光多普勒流速计原理如激光多普勒流速计原理如图图4-43所示。由激光器发射出的单色平所示。由激光器发射出的单色平行光，经透镜聚集到被测流体内。行光，经透镜聚集到被测流体内。下一页上一页返回4.5其他传感器其他传感器4.5.3超声波检测超声波检测 超声波检测的基本原理是利用某些非声量的物理量超声波检测的基本原理是利用某些非声量的物理量(如密度、流如密度、流量等量等)与描述超声波介质声学特性的超声量与描述超声波介质声学特性的超声量(声速、衰减、声阻抗声速、衰减、声阻抗)之之间存在着直接或间接的关系。探索到这些规律，通过超声量的测定来间存在着直接或间接的关系。探索到这些规律，通过超声量的测定来测出某些被测物理量。测出某些被测物理量。超声波检测多采用超声波源向被测介质发射超声波，然后接收与超声波检测多采用超声波源向被测介质发射超声波，然后接收与被测介质相作用之后的超声波，从中得到所需信息，其检测过程如被测介质相作用之后的超声波，从中得到所需信息，其检测过程如图图4-44所示。所示。上一页返回4.6传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用4.6.1传感器的选择传感器的选择 1.测试要求和条件测试要求和条件 测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。2.传感器特性传感器特性 精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。效应、校正周期、输入端保护等。3.使用条件使用条件 安装条件、工作场地的环境条件安装条件、工作场地的环境条件(温度、湿度、振动等温度、湿度、振动等)、测量时、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。间、所需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。下一页返回4.6传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用4.6.2传感器的正确使用传感器的正确使用 1.线性化处理与补偿线性化处理与补偿 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。但是大多数传感器具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态但是大多数传感器具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行检测存在着很大的误差。在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常采用与传感器输入非线性补偿，通常采用与传感器输入/输出特性相反特性的元件，通输出特性相反特性的元件，通过硬件进行线性化处理。另外，在含有微型计算机的测量系统中，这过硬件进行线性化处理。另外，在含有微型计算机的测量系统中，这种非线性补偿可以用软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，种非线性补偿可以用软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。又减少了硬件电路的复杂性。下一页上一页返回4.6传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 2.传感器的标定传感器的标定 传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量对传感器进行定度传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。3.抗干扰措施抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。