检测系统设计教材课件

n n4.2 机电一体化系统常用传感机电一体化系统常用传感器器第四章第四章 传感器及其接口技术传感器及其接口技术n n4.3 传感器与微机的接口技术传感器与微机的接口技术n n4.1 概述概述4.1 概概 述述 在机电一体化系统中有各种不同的物理量在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、如位移、压力、速度等速度等)需要测量与控制，如果没有传感器对原始的各种参数进需要测量与控制，如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制是无法实现行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制是无法实现的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分。电一体化系统中不可缺少的组成部分。4.1.1 4.1.1 传感器的定义传感器的定义传感器的定义传感器的定义传感器：传感器：传感器是一种以一定的精确度将被测量传感器是一种以一定的精确度将被测量(如位移、力、如位移、力、加速度等加速度等)转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测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。4.1.2 传感器的组成传感器的组成组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。1敏感元件敏感元件直接感受被测量、并以确定关系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。2转换元件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)转换成电量参数(如电阻、电感、电容等)等。3基本转换电路基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。传感器的组成4.1.3传感器的特性传感器比较常用的性能指标有以下几种:1.关于输入量的特性：关于输入量的特性：(1)量程或测量范围量程或测量范围传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称为满量程FS。(2)过载能力过载能力传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。2.关于输入输出关系的静态特性(1)精度表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按百分数给出。(2)重复性反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输入某一相同的输入值，其输出值的一致性，其意义与精度类似。(3)线性度也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。(4)灵敏度传感器输入增量与输出增量之比；(5)稳定性(温度漂移，时间零漂)时间零漂:在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；温度漂移:当温度发生变化时，其输出特性的变化，通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量程的比值来表示。3.动态响应特性在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态特性非常好，但由于不能很好追随输入量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意加以控制，可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信号变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性时间常数上升时间过冲量(超调量)固有频率阻尼比(对数减缩)4.1.4 机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感器的基本要求1.精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；2.体积小、重量轻、对整机的适应性好；3.安全可靠、寿命长；4.便于与计算机连接；5.不易受被测对象特性(如电阻、导磁率)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、操作性能好；8.价格便宜。4.1.5 传感器的分类传感器的分类传感器的分类方法有多种;1、按被测物理量的性质分；位置、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、转速传感器、温度传感器、压力传感器等等；2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、数字型和模拟型，如下图所示：1).开关型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(经隔离后)传送到微机进行处理，使用方便。特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为INon，而从通到断时的输入值为INoff，则特性满足:INoffINonINoff与INon的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。2).数字型数字型数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型；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，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。代码型传感器又称编码器，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之值。例如编码式光电码盘。3).模拟型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，如距离、压力、温度等信号。输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。4.2.1位置传感器位置传感器位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。因此，它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。4.2 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器1.接触式位置传感器接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成:1 1、柔软电极、柔软电极 2 2、柔软绝缘体、柔软绝缘体2.接近式位置传感器接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式；光电式；电容式；超声波式；气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。接近式位置传感器的工作原理1.)接近开关接近开关检测滚动的硬币检测滚动的硬币检测进料器的金属部件检测进料器的金属部件下图是生产线工件计数装置的示意图。接近传感器设置在工件传送带的一侧，当传送带运行时，一个个工件经过接近传感器，当工件靠近接近传感器时，传感器输出脉冲开关信号，该信号可直接送往计数器进行计数。(1).电感式接近开关 电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成二进制开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的.(2).霍尔接近开关当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为U=KIB/d 其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场(洛伦慈力Lorrentz)的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当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。输出端一般采用晶体管输出，和其他传感器类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型(双极性)、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近传感器、压力传感器、里程表等，作为一种新型的电器配件(3)、电容式接近传感器电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面对，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。注意:可以为非金属PNP型输出接线关系I/O电路图和线路图电路图和线路图某型接近开关某型接近开关I/O电路图和线路图电路图和线路图NPN输出型出型 I/O电路路图线路路图PNP输出型出型线路路图I/O电路路图2).光电开关光电开关 光光电电开开关关在在制制造造业业自自动动化化包包装装线线及及安安全全装装置置中中作作光光控控制制和和光光探探测测装装置置。可可实实现现限限位位控控制制、产产品品计计数数,料料位位检检测测，越越限限安安全全报报警警及及计计算算机机输输入入接接口口等等用途。用途。(1).(1).光电开关结构光电开关结构 透射式和反射式的光电开关。透射式和反射式的光电开关。利用输出电平的状态判断有无被测物。利用输出电平的状态判断有无被测物。(2).(2).基本电路（透射式）基本电路（透射式）如图（如图（a)(c)a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(b)(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。(3)(3)某公司光电开关输出接口某公司光电开关输出接口4.2.2.位移检测传感器位移检测传感器位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量，而且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量位移为基础的。直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器。角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。1、电容直线位移或角位移传感器1).变极距型电容传感器：(直线位移)当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大。注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。2).变面积型电容传感器(直线位移或角位移)原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。3)变介质型电容传感器(直线位移,厚度等)原理结构如图。图中两平行极板固定不动，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。2、电感式直线位移传感器将被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式),互感型(差动变压器）。1)、自感型（1）可变磁阻式 1线圈 2铁心 3衔铁 由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量。注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。（2）涡流式原理：金属板在交变磁场中的涡电流效应。金属板置于一线圈附近，相互间距为。当线圈中有高频交流电流通过时，便产生磁通。此交变磁通通过相邻近的金属板，金属板上便产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。这种涡流将产生交变磁通1，根据楞次定律，涡流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反。由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗发生变化，变化程度与距离有关。影响因素：线圈与金属板间距离；金属板的电阻率；磁导率；线圈激磁园频率等。应用：变化线圈与金属板间距离，可作为位移、振动测量。变化金属板的电阻率、磁导率，可作为材质鉴别或探伤等。可用于动态非接触测量。用作涡流式位移计、振动测量仪、无损探伤仪、测厚仪等。特点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。2)、互感型：、互感型：(差动变压器式差动变压器式)原理：将被测位移转换成线圈互感变化。注意：1、输出交流电压、幅值与铁心位移成正比。只反映铁心位移大小，不反映移动极性。2、零点残余电压。原因：两次级线圈结构不对称；初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。铁心处在中间位置时，输出不为零。解决办法：后接电路。应用：位移测量仪。差动变压器式差动变压器式差动变压器式差动变压器式适用于直线位移的测量、显示、控制。适用于直线位移的测量、显示、控制。量程：量程：0mm-1000mm0mm-1000mm内任何规格内任何规格精度：精度：0.5%0.5%、1%1%、1.5%1.5%输出：输出：0-5V0-5V、0-10mA0-10mA、4-20mA4-20mA电源：电源：AC220VAC220V旋转角度位移传感器旋转角度位移传感器(电容电容)量程：量程：45、90、180精度：精度：0.5%、1%、1.5%输出：输出：4-20mA电源电压：电源电压：DC 24V电感式直线位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。它的持点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。3.直线直线(圆圆)光栅尺光栅尺1).光栅结构光栅结构光栅结构光栅结构把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图所示。2).光栅原理光栅原理主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征(1)放大作用放大作用放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小,B,B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.12/360 =0.1=0.12/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mmW=0.02mm BH=11.4592mm。光栅输出信号光栅输出信号由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入单片机系统中进行处理。(3(3）计数与辨向电路）计数与辨向电路计数辨向电路计数辨向电路设计数器记得脉冲数为设计数器记得脉冲数为N，位移，位移 x=N W 光栅测量位移属于增量式测量。光栅测量位移属于增量式测量。光栅尺输出信号为矩形方波.A，B相相差90的两路波形，能够指示出移动距离以及方向。Z相波形为零位脉冲信号，一般每50mm一个信号。(5)光栅传感器的应用光栅传感器的应用安装 将机械转动的模拟量转换成旋转角度的数字电信号，进行角位移检测的传感器称为编码器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可以分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。由于光电编码器具有非接触和体积小的特点，且分辨率很高，在旋转一周内已能产生数百万个脉冲，因此，它是目前应用最为广泛的一种编码器。光电编码器在数控机床、机器人的位置控制、机床进给系统的控制以及角度的测量、通讯及自动化控制等方面部发挥着重要的作用。4.4.旋转式光电编码器旋转式光电编码器转轴码盘及狭缝光敏元件批示光栅及辨向用的A、B狭缝光源ABC零位标志光电编码器光电编码器1).增量式增量式旋转光电编码器旋转光电编码器增量式光电盘(1).工作原理工作原理()增量式光电盘输出增量式光电盘输出增量式光电盘输出增量式光电盘输出编码器轴每旋转一圈，A相和B相都发出相同的脉冲个数，但是A相和B相之间存在一个90（电气角的一周期为360）的电气角相位差，可以根据这个相位差来判断编码器旋转的方向是正转还是反转，正转时，A相超前B相90先进行相位输出，反转时，B相超前A相90先进行相位输出（如下图所示）。编码器每旋转一圈，Z相只在一个固定的位置发一个脉冲，所以可以作为复位相或零位相来使用。().旋转方向的判别旋转方向的判别2).2).绝对式光电编码器绝对式光电编码器(1).(1).测量原理测量原理(2).(2).绝对式光电码盘绝对式光电码盘().提高分辨率的方法插值法提高分辨率的方法插值法3).3).光电编码器的应用光电编码器的应用(1).(1).在数控机床中的应用在数控机床中的应用(2).(2).角度及转速的测量角度及转速的测量 脉冲频率法脉冲频率法脉冲周期法脉冲周期法集电极开路输出是以输出电路的晶体管发射极作为公共端，并且集电极悬空的输出电路。一般分为NPN集电极开路输出（见图1）和PNP集电极开路输出（见图2）。).).光电编码器的接线光电编码器的接线（）集电极开路输出NPN集电极开路输出应用于当传感器的工作电压与PLC的输入电压不同时，取编码器晶体管部分，另外串入电源，以无电压形式接入PLC。但是需要注意的是，外接电源的电压必须在DC30V以下，开关容量每相35mA以下，超过这个工作电压，则编码器内部可能会发生损坏。PNP集电极开路输出则使用同一电源。NPN集电极开路输出PNP集电极开路输出接线方式如下图所示：电压输出是在集电极开路输出的电路基础上，在电源间和集电极之间接了一个上拉电阻，使得集电极和电源之间能有一个稳定的电压状态，见图3。电压输出接线方式（）电压输出（）互补输出是输出上具备NPN和PNP两种输出晶体管的输出电路。根据输出信号的H、L2个输出晶体管交互进行ON、OFF动作，比集电极开路输出的电路传输距离能稍远，也可与集电极开路输入机器（NPN、PNP）连接。输出电路见图4。（）线性驱动输出是采用RS-422标准，用AM26LS31芯片应用于高速、长距离数据传输的输出模式。信号以差分形式输出，因此抗干扰能力更强。输出信号需专门能接收线性驱动输出的设备才能接收。输出电路见图5。