机电一体化检测系统

第4章 机电一体化检测系统 4.1 概述 4.2 位移检测 4.3 速度、加速度检 测 4.4 力、扭矩和流体 压强检测 4.5 传感器前级信号 处理 4.6 传感器接口技术

4.1 概述 4.1.1 检测系统的组成  (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。 非电量检测系统的结构形式如图 4-1 所 示。 

图 4-1 非电量检测系统的结构形式

4.1.2 传感器的概念及基本特性 1.传感器的构成 传感器一般由敏感元件、传感元件和 转换电路三部分组成,如图4-2所示。 

图4-2 传感器的组成框图

(1)敏感元件: 是一种能够将被测量 转换成易于测量的物理量的预变换装置 , 其输入、输出间具有确定的数学关系 (最好为线性)。如弹性敏感元件将力 转换为位移或应变输出。  ( 2 )传感元件：将敏感元件输出的 非电物理量转换成电信号(如电阻、电 感、电容等)形式。 ( 3 )基本转换电路：将电信号量转换 成便于测量的电量 ,如电压、电流、频率 等。

(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4-3所示。

图4-3 传感器的线性度示意图

线性度可用下式计算：

(4-1)

式中： ; γL——线性度(非线性误差);  Δmax——最大非线性绝对误差；  yFS ——输出满度值。  (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为灵敏度 ,用S0表示, 即

对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是 个常数。 (3)迟滞。传感器在正(输入量增大)、反 (输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重 合程度称为迟滞 , 迟滞误差一般以满量程输出 yFS的百分数表示： (4-3) 式中: ΔHm—— 输出值在正、反行程间的最大差值。

(4-2)

迟滞特性一般由实验方法确定 , 如图4-4所示。

图4-4 迟滞特性

(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4-5所示。 重复特性误差用满量程输出的百分数表示, (4-4) 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4-5所示。 

图4-5 重复特性

(5)分辨力。 ( 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。 3. 传感器的动态特性 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。

4.1.3 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。

4.2 位移检测 4.2.1 模拟式位移传感器 1. 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 图4-6所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁 组成。 

图4-6 可变磁阻式电感传感器

当线圈通以激磁电流时 , 其自感 L 与磁路 的总磁阻Rm有关,即 (4-5) W2 L  Rm 式中: W——线圈匝数；  Rm——总磁阻。 如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的损失, 则总磁阻为   (4-6)

式中: ; l——铁心导磁长度(m);  μ——铁心导磁率(H/m);  A——铁心导磁截面积(m2),

A=a×b; δ——空气隙(m), δ=δ 0+Δδ; μ 0 — — 空 气 磁 导 率 ( H / m),μ0=2π×10-7 ; A 0 —— 空气隙导磁截面积( m 2 )。 

由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比 是很小的 ,因此计算时铁心的磁阻可以忽 略不计,故 2  R 0 A0 ( 4-7 )  将式(4-7)代入式(4-5),得(4-8)

式(4-8)表明,自感L与空气隙δ的大小成反 比,与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不 变而改变δ时,L与δ成非线性关系,此时传感器的 灵敏度为(4-9)

图4-7为差动型磁阻式传感器 ,它由两个相同 的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接 于中间位置(位移为零)时 , 两线圈的自感 L 相 等 , 输出为零。当衔铁有位移 Δδ 时 , 两个线圈的 间隙为δ0+Δδ, δ0-Δδ,这表明一个线圈的自感增 加,而另一个线圈的自感减小。 

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