常用传感器和信号处理讲稿.ppt

关于常用传感器和信号处理第一页，讲稿共六十二页哦2.1 传感器的概述传感器的概述传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。第二页，讲稿共六十二页哦2.1 传感器的概述传感器的概述传感器包括敏感元件、转换元件和处理电路。敏感元件能够将被测量转化为另一种物理量；转换元件通常只感受敏感元件输出的与被测量成确定关系的另一种物理量，并将其转换为电量输出；而处理电路将转换元件输出的信息转换为便于测量的电量，并进行放大、传输等处理，传感器的组成如图2-1所示。图2-1 传感器的组成第三页，讲稿共六十二页哦2.1 传感器的概述传感器的概述在控制系统中，传感器在反馈环节起到了重要的作用，它将控制对象的运动参数反馈给数字控制器、数字控制器根据这些参数来调整控制参数，如图2-2所示。图2-2 传感器及其信号处理电路在系统中的作用第四页，讲稿共六十二页哦2.1.1 传感器的分类传感器的分类 1.按被测物理量不同按被测物理量不同按被测物理量不同，传感器分为位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体成分传感器、生物传感器等。2.按工作原理不同按工作原理不同按工作原理不同，传感器分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器和光电式传感器等。第五页，讲稿共六十二页哦2.1.1 传感器的分类传感器的分类3.按传感器输出信号的性质不同按传感器输出信号的性质不同按传感器输出信号的性质不同，传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。4.按被测对象与传感器之间的能量关系不同按被测对象与传感器之间的能量关系不同按被测对象与传感器之间的能量关系不同，传感器分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。5.按构成原理不同按构成原理不同按构成原理不同，传感器分为物性型传感器和结构型传感器。第六页，讲稿共六十二页哦2.1.2 传传感器的特性感器的特性传感器的特性分为静态特性和动态特性。1.1.静态静态特性特性1)灵敏度 在稳态工作情况下，当输入量变化x时，传感器的输出量变化y，则把y与x之比称为灵敏度，用符号S表示。传感器的静态特性如图2-3所示。图2-3 传感器的静态特性第七页，讲稿共六十二页哦2.1.2 传传感器的特性感器的特性对于线性传感器，灵敏度S是一个常数。灵敏度的量纲是输出量与输入量的量纲之比。灵敏度S的表达式为灵敏度高，则可得到较高的测量精度。但灵敏度与测量范围成反比关系，灵敏度越高，测量范围就越窄，同事稳定性也越差。第八页，讲稿共六十二页哦2)线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出的是曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。线性度（非线性误差）就是描述拟合直线与实际特性曲线近似程度的性能指标。拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。2.1.2 传传感器的特性感器的特性第九页，讲稿共六十二页哦3）分辨力分辨力是指传感器能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某值开始缓慢地变化，当该输入值变化未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化时分辨不出来的。只有当输入量的变化超过传感器的分辨力时，其输出才会发生变化。4）迟滞迟滞也称为滞后。理想传感器的输入和输出是没有时间差的，也就是说一旦有输入激励时，就立即会有输出响应。但实际上传感器的输出总是滞后于输入，在波形和表达式中反映为相位差。迟滞对于测试系统影响不大，但对控制系统来说影响较大。2.1.2 传传感器的特性感器的特性第十页，讲稿共六十二页哦2.动态特性动态特性动态特性是指系统的输出量对于输入量的跟随特性，如图2-4所示。动态特性实际上指传感器对于快速变化的输入量的快速检测、检测准确和是否稳定等方面的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。2.1.2 传传感器的特性感器的特性图2-4 阶跃输入传感器的动态特性第十一页，讲稿共六十二页哦2.2 常用模拟式运动和位置检测传感器常用模拟式运动和位置检测传感器 1.1.电位器式传感器电位器式传感器电位器式传感器是一种将位移（旋转角度或直线位移）转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出的传感器。如图2-5所示，当电位器的滑动臂移动时，将会引起滑动臂和任意一个固定端的电阻变化，如果在两个固定端加上一定电压，位移的变化将会转换为电压的变化。图2-5 电位器式传感器第十二页，讲稿共六十二页哦2.2.2 电感传感器电感传感器1.自感型电感式传感器自感型电感式传感器自感型电感式传感器分为可变磁阻式传感器和涡电流式传感器。1）可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器是由铁芯、衔铁和线圈构成的，其原理如图2-6所示。其输出电感量为图2-6 可变磁阻式传感器第十三页，讲稿共六十二页哦2.2.2 电感传感器电感传感器2）涡电流式传感器涡电流式传感器是基于金属导体在交变磁场中的涡电流效应的传感器。该类型传感器具有结构简单、响应快、灵敏度高等特点，但其仅限于测量具有金属表面的物体。如图2-7所示，给线圈通入交变电流i1，则在其周围产生交变磁场H1，在H1的作用下，靠近线圈的金属导体中产生了涡电流i2，i2在导体中自行闭合，进一步产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，从而使线圈中的阻抗发生了变化，进而影响了i1，通过对i1的变化进行检测，便可检测金属导体的位移大小或金属存在与否。图2-7 涡电流效应原理第十四页，讲稿共六十二页哦2.2.2 电感传感器电感传感器2.互感型电感式传感器互感型电感式传感器互感型电感式传感器也称为差动变压器式传感器，其原理类似于变压器的原理。如图2-8所示，当初级线圈N1中的交变电动势为e1时，则在次级线圈N2中产生交变电动势e2，e2的大小取决于两个线圈的相对位置和介质的导磁能力。当移动铁芯时，感应电动势将随着铁芯位置的变化而发生变化。图2-8 互感型电感式传感器第十五页，讲稿共六十二页哦2.2.2 电感传感器电感传感器在实际应用中，为了提高传感器的线性度，常采用两个完全相同的次级线圈，并且将次级线圈反极性串联，其形式为螺管式，所以也称为螺管式差动变压器式传感器。如图2-9所示，当铁芯在平衡位置时，两个次级线圈产生的电压大小相等，输出为零，而当铁芯沿着x方向运动时，输出电压uo=e1e2，这样不仅可以知道位移的大小，并且能够反映位移的方向。图2-9 螺管式差动变压器式传感器原理第十六页，讲稿共六十二页哦2.2.3 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是将被测量的位移等转换为电容量变化的一种传感器。它也就是一种非接触测量装置。最常见的电容形式是由两个平行电极板组成的，极板间充满了电介质。电容量C的大小与电容电极面积A、电极间的间距和介质的相对介电常数r有关，其关系式为第十七页，讲稿共六十二页哦2.2.3 电容式传感器电容式传感器 1.变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 变面积型电容传感器通过电容极板面积A的变化来测量直线位移和角位移。如图2-10（a），当可移动极板沿x方向移动一定位移时，输出的电容量为 如图2-10（b）所示可以看出，变面积型电容式传感器输出电容量随着输入位移的变化而呈现出线性变化，通过对电容量的测量就可以得知位移x的数值。图2-10 平面线性变面积型电容式传感器第十八页，讲稿共六十二页哦2.2.3 电容式传感器电容式传感器 如图2-11所示为角位移变面积型电容式传感器和圆柱体直线位移变面积型电容式传感器，对于角位移变面积型电容式传感器，其输出电容量为 对于圆柱体直线位移变面积型电容式传感器，其电容量为图2-11 变面积型电容式传感器第十九页，讲稿共六十二页哦2.2.3 电容式传感器电容式传感器 2.变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 当两极板覆盖面积A和介质不变时，则电容量C和极距呈现出反比的变化关系。设极距变化为，则电容量的变化为当很小时，C近似为第二十页，讲稿共六十二页哦2.2.3 电容式传感器电容式传感器 实际应用中，为了提高灵敏度，降低非线性及抗干扰等因素的影响，采用差动电容式传感器。如图2-12所示，当动极板移动x时，电容C1容量降低，而C2容量升高，容量变化为2C，从而使灵敏度提高一倍，非线性误差减小。图2-12 差动电容式传感器第二十一页，讲稿共六十二页哦2.2.3 电容式传感器电容式传感器 3.变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器是将电容的两个极板相对固定不动，而改变其间介质的一种电容式传感器。如图2-13所示，设极距为，极板长度为l，极板宽度为b，在介电常数为1和2的介质中移动，则有图2-13 变介质型电容式传感器第二十二页，讲稿共六十二页哦2.2.4 感应同步器感应同步器感应同步器是应用电磁感应原理将角位移或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称为旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种，圆盘式感应同步器用来检测角位移信号，而直线式感应同步器用来检测直线位移信号。如图2-14所示为直线式感应同步器的结构。图2-14 直线式感应同步器的结构第二十三页，讲稿共六十二页哦2.2.4 感应同步器感应同步器如图2-15所示为直线式感应同步器原理。滑尺相对于定尺移动一个节距2时，感应电动势刚好变化为一个周期2，设移动的距离为x，输入滑尺的激励电压为 则感应电动势为 测量出定尺上感应电动势的相位或幅值便可得知位移x的大小,感应同步器的绝对精度很高，可达到2.5m，而分辨率可达到0.25m。图2-15 直线式感应同步器原理第二十四页，讲稿共六十二页哦2.2.5 磁电式传感器磁电式传感器磁电式传感器是一种基于电磁感应原理的传感器，通常用来测量旋转速度。次电视传感器分为模拟动圈式传感器和数字磁阻式传感器两种。1.模拟动圈式传感器模拟动圈式传感器模拟动圈式传感器分为线速度型模拟动圈式传感器和角速度型模拟动圈式传感器两种。如图2-16所示，线速度型模拟动圈式传感器的可动线圈在测量对象的带动下沿着磁场作切割磁力线的运动，设线圈的运动方向和磁场方向垂直，则此时将产生的感应电动势为角速度型模拟动圈式传感器的工作原理和发电机的工作原理是相同的，所以通常称为测速发电机，旋转对象带动角速度型模拟动圈式传感器旋转，角速度型模拟动圈式传感器将会产生电动势e，通过测量输出电动势的大小就可以测出旋转速度为第二十五页，讲稿共六十二页哦2.2.5 磁电式传感器磁电式传感器图2-16 模拟动圈式传感器第二十六页，讲稿共六十二页哦2.2.5 磁电式传感器磁电式传感器2.数字磁阻式传感器数字磁阻式传感器如图2-17所示，将线圈置于磁铁周围，旋转运动的测速盘为导磁材料制成的齿轮状结构。当测速盘跟随被测对象一起旋转时，测速盘的凸齿通过磁铁位置时，磁阻减小；而在齿隙部位通过磁铁位置时，磁阻增大，导致线圈中的磁场强度发生变化，从而在线圈中产生一个脉冲电动势，根据脉冲的频率就可计算出测速盘的转速，计算公式为图2-17 数字磁阻式传感器第二十七页，讲稿共六十二页哦2.2.6 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应原理的传感器，如图2-18所示，将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，当在薄片的两端面通入电流时，电荷由于受到洛仑兹力的作用，将向另两个端面运动，导致在垂直于磁场和电流平面的方向上产生电位差，这种现象称为霍尔效应。任何金属和半导体理论上都有霍尔效应，但是由于金属的载流子密度大，导致霍尔效应很不明显，而半导体的霍尔效应很明显。霍尔效应引起的电位差称为霍尔电势U，当半导体平面垂直于磁场时，其表达式为第二十八页，讲稿共六十二页哦2.2.6 霍尔式传感器霍尔式传感器图2-18 霍尔效应原理 霍尔传感器可以测量位移、速度等运动参数，也可以测量电流。通过移动磁场和半导体的相对位置来实现磁感应强度的变化，从而导致霍尔电势变化，这样就可以测量位移；也可以通过改变电流使得霍尔电势变化来测量电流。第二十九页，讲稿共六十二页哦2.2.7 压电式传感器压电式传感器 像石英和钛酸钡等物质，当受到一定方向的外力时，不仅在几何上出现变形，而且在其两个平面上会产生电荷，形成电场，并且电荷的多少和外力成正比,通常把这种现象称为压电效应。反过来，当在这些物质的极化方向上加上电压时，其几何尺寸又会随着电压的高低成正比变化，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应，通常把能产生压电效应的物质称为压电晶体。压电效应应用在工业上就形成了压电式传感器，它可以用来测量力的大小，压电晶体产生的电荷量q为 压电式传感器是在压电晶体的两个工作面上蒸镀一层金属膜来构成两个电极，当压电晶体受力时便在电极上产生电荷，通过测量电荷量就可以得出受力的大小。可以利用压电晶体的逆压电效应用来制作微致动器、微型马达和微型扬声器，如精密车床中控制刀具微进给的微致动器，生日贺卡和电子玩具中的微型扬声器等。而压电效应的应用更多，如打火机中的火花产生器等。第三十页，讲稿共六十二页哦2.2.8 电阻应变式传感器电阻应变式传感器1.金属电阻应变片式传感器金属电阻应变片式传感器如图2-19（a）所示为金属电阻应变片，它是在绝缘基片上将金属丝绕成栅状或用光刻和腐蚀技术将很薄的铂片刻蚀成栅状制成的。当基体随着被测量物体或者转换器件（如测力的弹性体等）的变形而发生形变时，金属丝由于变形而引起长度和截面形状的改变，从而导致阻值的变化，阻值变化和形变的关系为第三十一页，讲稿共六十二页哦2.2.8 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.半导体应变片式传感器半导体应变片式传感器半导体材料在一定方向上受到外力作用时，导致其原子点阵的排列规律发生变化，使载流子迁移率和浓度变化，此时其电阻率会随着变形而变化，这种现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片正是基于压阻效应工作的，因此，半导体应变片式传感器又称为半导体压阻式传感器。其使用方法与金属应变片相同，就是将它贴在被测物体或弹性转换器件上，并随着被测件的变形而发生形变，通过测量阻值便可测出应变片的形变量和被测物理量的变化量。如图2-19（b）所示为半导体应变片。图2-19 应变片第三十二页，讲稿共六十二页哦2.3常用数字式运动和位置检测传感器常用数字式运动和位置检测传感器2.3.1 光栅传感器光栅传感器光栅传感器是一种非接触式运动参数测量装置，可以做成直线型光栅或径向型光栅。直线型光栅可用来测量直线位移、速度和加速度等参数，而径向型光栅通常通过电动机轴、丝杠或齿轮齿条装置作旋转运动，可用来测量旋转运动参数。光栅具有可靠性好、精度高等优点，所以被广泛使用。光栅传感器由光路系统、标尺光栅、指示光栅和光电接收器构成。光栅的原理如图2-20所示，光栅是在一块长条形的光学玻璃上刻制一系列密集平行等间距的栅线。标尺光栅相对于指示光栅移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅后便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电接收器上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出。第三十三页，讲稿共六十二页哦2.3.1 光栅传感器光栅传感器图2-20 光栅原理第三十四页，讲稿共六十二页哦2.3.1 光栅传感器光栅传感器基于莫尔条纹的光栅利用两个光栅倾斜一个微小角度来放大栅距。如图2-21所示，当两个栅距相同的光栅相对倾斜一个小角度时，就形成了莫尔条纹。设光栅的栅距为W，相邻两莫尔条纹的间距为B，则有如下关系图2-21 莫尔条纹第三十五页，讲稿共六十二页哦2.3.2 光电编码器光电编码器 光电编码器分为绝对式编码器和增量式编码器两种。光电编码器是按光学和光电原理制成的器件，它由光源、码盘、光敏元件及电路部分组成。码盘上有若干透光部分和不透光部分，当光通过码盘上的透光部分时，光敏元件便接收到光信号，将光信号转换成电信号，而在不透光部分则接收不到光信号，如图2-22所示。当码盘旋转时，便可接收到一系列的脉冲或数字信号，这些信号就反映了旋转的运动参数。图2-22 编码器的码盘第三十六页，讲稿共六十二页哦2.3.2 光电编码器光电编码器 1.绝对式编码器绝对式编码器绝对式编码器是一种能直接测量角位移的传感器，图2-22（a）为4位绝对式二进制编码器的码盘。在码盘的圆周方向上有4条由透光和不透光部分组成的码道，而在径向上将码盘分成了16个扇区，在码盘的一侧有4个光敏元件，每个光敏元件对应一条码道。当光电编码器处于某一位置时，该扇区上的不透明部分对应的光敏元件输出1（设不透明部分为1），而透明部分对应的光敏元件输出0。则这4位二进制数字就表示了该扇区的位置。可以看出各个扇区分别代表了0000，0001，1110，1111这16个角度。第三十七页，讲稿共六十二页哦2.3.2 光电编码器光电编码器 2.增量式编码器增量式编码器增量式编码器利用计数装置将旋转码盘产生的脉冲进行计数来获取运动参数。图2-22（b）为增量式编码器的码盘。相对于绝对式编码器而言，增量式编码器结构简单、成本低，所以应用更为广泛。其原理和光栅相同，在码盘的圆周方向上刻有若干条透明的线条，当光线通过时便可产生相应的电脉冲，计数装置只要完成计数即可。增量式编码器有两种，一种只有一条码道，通常用来测量旋转速度，但无法辨别方向；另一种能够分辨旋转方向和零点参考位置。增量式码盘上通常刻有3条码道，分别为A相、B相和Z相，其中A相和B相码道相位上相差/2，用来检测方向，而Z相用来检测零点参考位置，这种增量式编码器可以用来测量位移、速度等运动参数。第三十八页，讲稿共六十二页哦2.3.3 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅传感器是一种数字式传感器，它由磁栅尺、磁头和检测电路组成。磁栅尺是由在不导磁材料制成的栅基上镀一层均匀的磁性涂层，并记录上间距相等、极性正负交错的磁信号栅条制成的。如图2-23所示为磁栅结构原理图，图中极性为N-N和S-S的栅条就是磁栅。当磁头从磁栅上移动时，磁头上的线圈由于切割磁力线而产生脉冲电动势，通过脉冲的次数可以检测出位移量，而脉冲的频率又反映了运行速度。图2-23 磁栅结构原理第三十九页，讲稿共六十二页哦2.4 电子开关电子开关电子开关可以通过测速盘实现速度的测量。其原理和旋转编码器的原理是相同的，只是旋转编码器用光电式传感器，而电子开关利用测速盘实现在一次转动中对电子开关的若干次动作，设每旋转一周时，电子开关动作Z次，则通过测得信号的频率f可计算出转速n为第四十页，讲稿共六十二页哦2.4.1 电容式接近开关电容式接近开关电容式接近开关由两个极板组成，由于电容量的大小与极板面积和介质的介电常数成正比，与极板的距离成反比，所以可通过电容量的变化得到其极板之间的距离。电容式接近开关是一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身。当物体移向感应电极时，物体和感应电极的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和断开。这种接近开关可检测的物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测介电常数较低的物体时，可以通过对放大电路进行调节来增加感应灵敏度，如图2-24所示。图2-24 电容式接近开关第四十一页，讲稿共六十二页哦2.4.2 电感式接近开关电感式接近开关 电感式接近开关与电容式接近开关类似，也是一种有开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成,金属物体在接近能产生电磁场的感应线圈时，物体内部产生涡流。该涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通断。这种接近开关只能检测金属物体，如图2-25所示。图2-25 电感式接近开关第四十二页，讲稿共六十二页哦2.4.3 光电式接近开关光电式接近开关 光电式接近开关是一种光电开关（光电传感器），它利用被检测物体对光束的直射或反射，通过光电效应检测物体的有无，具有灵敏度高、非接触测量等优点，但是很容易受到光线的干扰，所以通常使用的是红外光电接近开关。其所测物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。如图2-26所示，发射器发射红外线，当光线通过反射或者直射等方式到达光敏三极管后，在解调器和逻辑电路的作用下可以复原原电信号（发射端的信号）。在此使用调制和解调是为了传输一些频率较低的信号。图2-26 光电式接近开关第四十三页，讲稿共六十二页哦2.4.4 霍尔磁电开关霍尔磁电开关霍尔开关属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成的。它可方便地把磁信号转换成实际应用中的电信号，同时又满足工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当磁感应强度B值达到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转，如图2-27所示。图2-27 霍尔开关测转速第四十四页，讲稿共六十二页哦2.5 传感器的选用传感器的选用 2.5.1 传感器的选用原则传感器的选用原则1.灵敏度与量程范围灵敏度与量程范围传感器的灵敏度高，意味着被测量产生微小的变化，传感器就有很大的输出值，也可以说分辨力高。但是由于输入变化很小时其输出变化很大，而输出总是要被限定在一定的范围之内，所以灵敏度高时量程就小。如天平的灵敏度很高，但是它所能测量的最大质量并不高，而测量火车质量的衡秤可测量重量的最高值很高，但是灵敏度很低。在机电一体化系统中，很多运动参数的量程是明确的，这就需要对灵敏度进行选择。对于数字式传感器而言，上述原则并不重要，如测速用的增量式旋转编码器，在速度相同的情况下，灵敏度越高，则脉冲的频率就越高，但是很高的频率将对后级处理电路有相应的要求。因此，在成本允许的情况下尽量选用数字传感器。第四十五页，讲稿共六十二页哦2.5.1 传感器的选用原则传感器的选用原则 2.响应特性响应特性机电一体化系统中的传感器作为反馈环节使用，而工作对象一般都是动态的，这就要求传感器能够对不同频率下工作的对象进行检测，并且快速地将信息传递给控制器。通常，光电传感器、压电传感器等物性型传感器响应快、工作频率范围大。而结构型传感器通常是通过弹性体的形变来实现测量的，由于受到质量等因素的影响，其频率范围较小，动态响应差。3.精确度精确度传感器的精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。机电一体化系统中的传感器必须真实地反映出运动对象的参数，这样才能让控制器控制得更准确。当然，能完全真实地反映运动对象参数的传感器是不存在的，所以只要误差在一定范围之内即可。另外，由于计算机的应用，一些非线性误差可以由计算机来补偿，提高了控制的精度。第四十六页，讲稿共六十二页哦2.5.1 传感器的选用原则传感器的选用原则 4.测量方式测量方式测量方式是指传感器在实际条件下的工作方式，在机电一体化系统中，通常按传感器与被测件接触与否分为接触式测量和非接触式测量，按测量结果的得到方式分为直接测量和间接测量。接触式测量传感器有电位器式传感器等，由于存在着机械摩擦，寿命较短、运动时会产生高频干扰等缺陷，所以这类传感器适用于对静态或者缓慢变化的对象进行测量，而不适于对高速运动的对象进行测量。大多数传感器都属于非接触式测量传感器，如电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等，该类型传感器无摩擦，可用于高速装置的测量，特别是光电式传感器具有测量范围宽、响应速度快等优点。第四十七页，讲稿共六十二页哦2.5.2 运动参数测量传感器的选用运动参数测量传感器的选用运动参数通常指位移、速度、加速度、力和力矩等，前面叙述的传感器可以用来测量这些参数。但是在选用时必须考虑测量对象的特性和测量要求，如被测对象的性质、测量范围和精度要求等；另外，测量环境、信号处理和成本等要求不同，则选用的传感器也不相同。1.位移测量位移测量位移分为角位移和直线位移，很多传感器都可以测量位移，通常根据位移的性质和要求进行选用，如位移的范围大小、位移的动态变化范围和精度要求、外围电路的复杂性和用途等。对于大范围（如几百毫米）的直线位移测量，当动态要求不高时，可选用电位器式传感器。对于旋转运动，通常使用旋转电位器和旋转编码器来测量。对于小位移的测量（如微米级），通常使用霍尔传感器、电容式传感器或电感式传感器来测量。第四十八页，讲稿共六十二页哦2.5.2 运动参数测量传感器的选用运动参数测量传感器的选用2.速度测量速度测量机电一体化系统直接测量的速度大多都是角速度，可采用的方式有直接测量方式和间接测量方式两种。直接测量应用的传感器有测速发电机、旋转编码器等。间接测量应用的传感器通常为角位移传感器。3.力和加速度测量力和加速度测量机电一体化系统中的加速度大多使用间接测量方式，它是对速度进行求导计算而得到的，也就是说对位移进行二次求导就可求出加速度。根据牛顿第二定律F=ma可知，加速度可由测出的力计算得到，应用这种原理的加速度传感器实际上是利用质量块在加速度下产生力，引起弹性体形变，再通过测量电阻应变片或压电晶体的形变来测量加速度。第四十九页，讲稿共六十二页哦2.6 传感器信号处理电路传感器信号处理电路机电一体化系统中的控制器接收和处理的信号都是TTL电平信号，而传感器所采集到的信号有模拟信号和数字信号两种。为了能够将传感器采集的信号和控制器相匹配，需要针对信号的特点对信号进行一定的处理，如对模拟信号需要进行放大、滤波、隔离和A/D转换等；对数字信号需要进行放大、隔离和滤波等。传感器信号处理又称为信号调理，信号调理中的部分功能（如滤波）可以由软件实现。信号调理就是将现场输入的状态信号经过放大、保护、滤波、隔离和A/D转换等处理后转换成为计算机可以接收的逻辑信号。第五十页，讲稿共六十二页哦2.6.1 信号隔离电路信号隔离电路1.数字量的隔离数字量的隔离1）光电隔离光电隔离是一种将电信号转换为光信号，再将光信号转换为电信号的过程。其原理如图2-28所示，Ui端输入低电平电信号，发光二极管则发出光信号，而密封在同一壳体中的光电三极管收到光信号后处于导通状态，则Uo端输出为低电平；反之，当Ui端输入高电平电信号时，则在Uo端输出高电平，既实现了电源之间的隔离（VCC1和VCC2），又保证了信号的传输。图2-28 光电隔离原理第五十一页，讲稿共六十二页哦2.6.1 信号隔离电路信号隔离电路2）继电器隔离继电器是一种典型的开关器件，机电一体化系统在驱动功率器件时，常常利用继电器作为输出的第一级隔离，然后再利用继电器驱动接触器等器件。如图2-29所示为继电器隔离电路，继电器由三极管直接驱动。图2-29 继电器隔离电路第五十二页，讲稿共六十二页哦2.6.1 信号隔离电路信号隔离电路3）固态继电器隔离固态继电器按使用场合可以分为交流型固态继电器和直流型固态继电器两大类。固态继电器为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个端子为受控输出端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了耐高压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，光电耦合器将输入信号隔离耦合到主电路中，主回路呈导通状态；无信号时呈阻断状态。如图2-30所示为交流型固态继电器电路。过零电路的作用是检测交流电源的过零点（正弦波的零值点），准确地实现对晶闸管的控制。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管造成冲击和干扰(甚至导致误动作)而设计的，一般是由RC串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)组成的。第五十三页，讲稿共六十二页哦2.6.1 信号隔离电路信号隔离电路图2-30 交流型固态继电器电路第五十四页，讲稿共六十二页哦2.6.1 信号隔离电路信号隔离电路2.模拟量的隔离模拟量的隔离1）光电隔离如图2-31所示为模拟量光电隔离原理，两个光电二极管CR1和CR2需要严格配对，当信号输入后，在放大器A的驱动下，CR1的光照度正比于输入信号，CR2接收到CR1传输过来的光信号后，正比地转换为电信号，经过放大器B放大后输出。图2-31 模拟量光电隔离原理第五十五页，讲稿共六十二页哦2.6.1 信号隔离电路信号隔离电路2）电磁隔离电磁隔离原理如图2-32所示，首先输入信号经过放大后，在调制器的调制下转化为高频调制波信号，该信号通过变压器后进入解调器进行同步解调，然后输出解调后的信号。图2-32 电磁隔离原理第五十六页，讲稿共六十二页哦2.6.2 放大电路放大电路 传感器在机电一体化系统中的作用主要是测量被测对象的信息，实现系统中的闭环反馈控制。特别是对于模拟信号，由于大多数信号微弱并且夹杂有高频干扰，因此，必须对信号进行放大和滤波。机电一体化中的信号放大通常使用运算放大器来实现，运算放大器的作用是将输入信号（电压或者电流）线性放大为输出信号，如图2-33所示。通常有反相放大器和同相放大器两类，放大器电路的分析是按照理想运算放大器的两个重要结论“虚短”和“虚断”进行的。图2-33 运算放大器组成的放大电路第五十七页，讲稿共六十二页哦2.6.2 放大电路放大电路1.反相放大器反相放大器反相放大器输入信号经R1接入放大器的反相端，同相端接平衡电阻R2,则其输出电压值和输入电压值之间的关系为2.同相放大器同相放大器同相放大器输入信号经R2接入放大器的同相端，则其输出电压值和输入电压值之间的关系为第五十八页，讲稿共六十二页哦2.6.3 滤波电路滤波电路1.无源滤波电路无源滤波电路无源滤波电路是由电阻、电感和电容等无源器件组成的，没有有源器件。如图2-34所示为无源一阶滤波器。图2-34 无源一阶滤波器第五十九页，讲稿共六十二页哦2.6.3 滤波电路滤波电路 如图2-34（a）所示为高通滤波器，由于电容具有通交流、阻直流的特性，所以对于高频信号，可以通过电容C传输到下一级，而低频信号无法通过；如图2-34（b）所示为低通滤波器，高频信号通过电容C而无法进入下一级，而低频信号则通过R后传输到下一级。高通滤波器和低通滤波器通过串联和并联后就构成了带通滤波器和带阻滤波器。4种滤波器的幅频特性如图2-35所示。图2-35 滤波器幅频特性第六十页，讲稿共六十二页哦2.6.3 滤波电路滤波电路2.有源滤波电路有源滤波电路有源滤波电路除使用电阻、电感和电容等无源器件外，也使用有源器件，如放大器。如图2-36所示为一阶有源低通滤波器，相对于无源滤波器，有源滤波器可以做到体积小、质量轻、损耗低，并且具有一定的增益，其他类型的有源滤波器可参考其他资料。图2-36 一阶有源低通滤波器第六十一页，讲稿共六十二页哦感感谢谢大大家家观观看看第六十二页，讲稿共六十二页哦