第4章检测技术与传感器-gai

代码型（旋转编码器，磁尺）
（二）传感器的基本特性
1、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传 感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要 技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 (1) 线性度 通常希望输出与输入特性（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。
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W称为栅距。
4. 2. 2 数字式位移传感器
1.光栅位移传感器 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕 之间有较小的夹角θ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。
4. 2. 2 数字式位移传感器
1.光栅位移传感器 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d-d线区所示。 f-f线区则是由于光栅的遮 光效应形成的。 特点
位移测量是线位移测量和角位移测量的总称 4. 2. 1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的结构主要由线圈、铁芯和活动衔铁 所组成，结构如下图所示。
4. 2. 1模拟式位移传感器

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)
式中，W——线圈匝数
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)
4. 2. 1模拟式位移传感器
2.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 涡电流效应。 涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。
4. 2. 1模拟式位移传感器
3.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M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。 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 原理如图所示。
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。
直流测速机的输出特性曲线
4.3 速度、加速度检测
4.3.2 光电式转速传感器
光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与 被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和 指示缝隙盘组成。
图 4-1 非电量检测系统的结构形式
二、传感器的概念及基本特性
（一）传感器的概念： 1 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三
部分组成，如图4-2
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 ）转换元件：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。
2、传感器的分类

按能量变换的功能分：
物理传感器
化学传感器

按输出的信号分：
非电量型 有接点型(微动开关，接触开关， 行程开关) 无接点型来自光电开关，接近开关)传感器
二值型
电阻型（电位器，电阻应变片）
电量 模拟型 电压，电流型（热电偶,光电池）
电感，电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型）
数字型
4. 2. 1模拟式位移传感器
3.互感型差动变压器式电感传感器 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R，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。
4. 2. 2 数字式位移传感器
传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。
y yFS 2
1
1 —实际曲线 2 —理想曲线
max
0 xFS x
图4-3 传感器的线性度示意图
线性度可用下式计算：
L
式中：
max
yFS
100%
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。
电桥输出为
式中，L—应变计中心处距受力点距离； B—悬臂梁宽度；
h—悬臂梁厚度；
E—悬臂梁材料的弹性模量； K—应变计的灵敏系数。
4.4 力、扭矩和流体压强检测
4.4.1 力检测
2.梁式弹性元件 (2)两端固定梁 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P之间的 关系为
4.4 力、扭矩和流体压强检测

4. 2. 1模拟式位移传感器

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 (4-7)

将式(4一7)代入式(4-5)，得 (4-8)
4. 2. 1模拟式位移传感器

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， 改变δ时，L与占呈非线性关系，此时传感器的灵 敏度
4.3 速度、加速度检测
4.3.3 加速度传感器
由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液 体等构成 应变式传感器加速度测试原理:
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。
4.3 速度、加速度检测
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。 (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。
4.2 位移检测
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
4. 2. 2 数字式位移传感器
3.旋转变压器 旋转变压器由定子和转子组成。当从一定频率的激磁电压加于 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。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;后 一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。
移称为零点漂移。
2、传感器的动态特性 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 态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时 间、频率响应范围、临界频率等。
三、信号处理与处理电路
莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。
莫尔条纹具有位移放大作用。 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。
4. 2. 2 数字式位移传感器
2.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， 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，上面刻有均匀节距的绕组； 滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组。
正余弦变压器原理图
4. 2. 2 数字式位移传感器
4.光电编码器 光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。 结构简单、价格低、 精度易于保证等优点 结构复杂、成本高
光电编码器
增量式编码器 绝对式编码器
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。
第4章 检测技术与传感器
4.1 概述
一、 检测系统的组成
1、传感器
功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称 为一次仪表。传感器相当于人的五官部分（“电五官”） 2、电信号处理系统 功能：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，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。
1.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 模拟量转变为数字脉冲的测量装置。 特点:
测量精确度高(可达到1 μm)
响应速度快 量程范围大
可进行非接触测量
易于实现数字测量和自动控制
4. 2. 2 数字式位移传感器
1.光栅位移传感器 结构
组成：标尺光栅 指示光栅 光电器件 光源 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。
用电阻应变仪测出的指示应变为
4.4 力、扭矩和流体压强检测
4.4.1 力检测
2.梁式弹性元件 (1)悬臂梁式弹性元件 特点： 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。
4.4 力、扭矩和流体压强检测
4.4.1 力检测
2.梁式弹性元件 若梁的自由端有一被测力P，则应变片感受的应变为
4.4 力、扭矩和流体压强检测
4.4.1 力检测
1.柱形或筒形弹性元件
应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法。 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。
4.4 力、扭矩和流体压强检测
4.4.1 力检测
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ε L为
4.3.3 加速度传感器
压电加速度测试传感器结构原理
图中1是质量块，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)上，3是电荷(或电势)的输出端。
4.4 力、扭矩和流体压强检测
4.4.1 力检测