机电一体化第三.ppt

第三章 传感器及其检测接口电路 引 言 传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个生产过程，用以保持最佳工作状况。闭环伺服系统中，传感器作为反馈元件，其精度直接影响到工作机械的精度和稳定性，因而要求传感器灵敏度高、动态特性好、特别要求其稳定可靠、抗干扰强，且适应不同的环境。 检测传感器种类很多，本章在介绍传感器相关知识的基础上，重点介绍了位移、速度、加速度以及位置这四种类型的传感器及其后续处理接口电路。 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息也是有各种形式。 其结构包括敏感元件、转换元件和基本转换电路。 （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）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电气参量（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电气参量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。 本章主要内容 第一节 传感器 第二节 位移测量传感器 第三节 速度、加速度传感器 第四节 位置传感器 第五节 传感器前期信号处理 第六节 传感器接口技术 第七节 传感器非线性补偿处理 第八节 数字滤波 常用传感器 第三节 速度、加速度传感器 一、直流测速机 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。根据电机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。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。常用的为永磁式测速机。 图3-14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。 直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速机。测速电机输出的模拟电压直接送到速度换比较器中用于速度控制。 二、光电式转速传感器 光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为 式中Z—圆盘上的缝隙数； n—转速（r/min）； t—测量时间（S）。 第四节 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，确定是否已到某一指定位置。因此，其输出信号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已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。 一、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，它分以下两种。 1．由微动开关制成的位置传感器 它用于检测物体位置 ，有如图3-17所示的几种构造和分布形式。 ? 图3-17 微动开关制成的位置传感器 2．二维矩阵式配置的位置传感器 如图3-18所示，它一般用于机器人手掌内侧。在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以检测自身与某物体的接触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。 二、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、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示出来。 ? 图3-19 接近式位置传感器工作原理 1．电磁式传感器 2．电容式传感器 电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容C=Q/V，所以电荷的增多，使电容C随之增大， 电感/电容式位置传感器的特点 电感式只能检测电磁材料，对非电磁材料无能为力；而电容材料几乎能检测所有的固体液体材料。 3．