1、第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 1 第第3章章 傳感器檢測及其接口電路傳感器檢測及其接口電路 3.1 傳感器傳感器 3.2 位移測量傳感器位移測量傳感器 3.3 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器 3.4 位置傳感器位置傳感器 3.5 傳感器前期信號處理傳感器前期信號處理 3.6 傳感器接口技術傳感器接口技術 3.7傳感器非線性補償原理傳感器非線性補償原理 3.8 數字濾波數字濾波 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 2 3.1 傳感器傳感器 一、傳感器技術一、傳感器技術 定義：定

2、義：傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按 照一定規律將它轉換成另一種信息的裝置。目前大多數的傳照一定規律將它轉換成另一種信息的裝置。目前大多數的傳 感器將獲取的信息轉換為感器將獲取的信息轉換為電信號電信號。 二、傳感器的分類及要求二、傳感器的分類及要求 按被測參量分：位移，速度，加速度，力，力矩等。按被測參量分：位移，速度，加速度，力，力矩等。 按工作原理分：應變式，電容式，壓電式，熱電式等。按工作原理分：應變式，電容式，壓電式，熱電式等。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 3 第第

3、3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 4 三、傳感器性能與選用原則三、傳感器性能與選用原則 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 傳感器變換的被測量的數值處在穩定狀態時，傳傳感器變換的被測量的數值處在穩定狀態時，傳 感器的輸入感器的輸入/輸出關系稱為傳感器的輸出關系稱為傳感器的靜態特性靜態特性。描述傳。描述傳 感器靜態特性的主要技術指標是：線性度、靈敏度、感器靜態特性的主要技術指標是：線性度、靈敏度、 遲滯性、重復性、分辨率、漂移和精度。遲滯性、重復性、分辨率、漂移和精度。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化

4、基礎機電一體化基礎 5 （1） 線性度線性度 傳感器的實際特性曲線與擬合直線之間的偏差定傳感器的實際特性曲線與擬合直線之間的偏差定 義為傳感器的非線性誤差（線性度）義為傳感器的非線性誤差（線性度） 傳感器的靜態特性是在靜態標準條件下，利用一傳感器的靜態特性是在靜態標準條件下，利用一 定等級的標準設備，對傳感器進行往復循環測試，得定等級的標準設備，對傳感器進行往復循環測試，得 到的輸入到的輸入/輸出特性（列表或畫曲線）。輸出特性（列表或畫曲線）。 通常希望這個特性（曲線）為線性，這對標定和通常希望這個特性（曲線）為線性，這對標定和 數據處理帶來方便。但實際的輸出與輸入特性只能接數據處理帶來方便。

5、但實際的輸出與輸入特性只能接 近線性，與理論直線有偏差，如圖近線性，與理論直線有偏差，如圖3-3所示。所示。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 6 圖圖3-3 傳感器的線性度示意圖傳感器的線性度示意圖 yFS 2 1 max 0 xFS 1實際曲線 2理想曲線 y x 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 7 線性度可用下式計算：線性度可用下式計算： 式中：式中： ; L線性度線性度(非線性誤差非線性誤差)； max最大非線性絕對誤差；最大非線性絕對誤差； yFS 輸出滿度值。輸出滿度值

6、。 （2） 靈敏度。傳感器在靜態標準條件下，輸出變靈敏度。傳感器在靜態標準條件下，輸出變 化對輸入變化的比值稱為靈敏度，用化對輸入變化的比值稱為靈敏度，用S表示，即表示，即 100% y FS max L （3-1） 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 8 對于線性傳感器來說，它的靈敏度對于線性傳感器來說，它的靈敏度S是個常數。是個常數。 （3）遲滯性。傳感器在正）遲滯性。傳感器在正(輸入量增大輸入量增大)、反、反(輸入量減小輸入量減小) 行程中輸出行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯，遲滯誤差輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯，遲滯

7、誤差 一般以滿量程輸出一般以滿量程輸出yFS的百分數表示：的百分數表示： 式中式中: Hm輸出值在正、反行程間的最大差值。輸出值在正、反行程間的最大差值。 y S x D = D 輸出量的變化量 輸入量的變化量 (3-2) %100 FS m H y H (3-3) 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 9 遲滯特性一般由實驗方法確定，如圖遲滯特性一般由實驗方法確定，如圖3-4所示。所示。 圖圖3-4 遲滯特性遲滯特性 yFS Hm 0 xFS y x 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎

8、10 （4） 重復特性。重復特性。 傳感器在同一條件下，被測輸入傳感器在同一條件下，被測輸入 量按同一方向作全量程連續多次重復測量時，所得的輸量按同一方向作全量程連續多次重復測量時，所得的輸 出出/輸入曲線不一致的程度，稱為重復特性，如圖輸入曲線不一致的程度，稱為重復特性，如圖3-5所所 示。重復特性誤差用滿量程輸出的百分數表示，即示。重復特性誤差用滿量程輸出的百分數表示，即 式中式中: Rm最大重復性誤差。最大重復性誤差。 重復特性也由實驗方法確定，常用絕對誤差表示，重復特性也由實驗方法確定，常用絕對誤差表示， 如圖如圖3-5所示。所示。 %100 FS m R y R (3-4) 第第3

9、3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 11 圖圖3-5 重復特性重復特性 yFS 0 xFSx Rm1 y Rm2 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 12 （5）分辨力。傳感器能檢測到的最小輸入增量稱）分辨力。傳感器能檢測到的最小輸入增量稱 分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。分辨力分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。分辨力 與滿度輸入比的百分數表示稱為分辨率與滿度輸入比的百分數表示稱為分辨率 。 （6）漂移。由于傳感器內部因素或在外界干擾的）漂移。由于傳感器內部因素或在外界干擾的 情況

10、下情況下,傳感器的輸出發生的變化稱為漂移。傳感器的輸出發生的變化稱為漂移。 （7）精度。精度表示測量結果和被測的）精度。精度表示測量結果和被測的“真值真值”的靠的靠 近程度。近程度。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 13 2. 傳感器的動態特性傳感器的動態特性 動態特性是指傳感器測量動態信號時動態特性是指傳感器測量動態信號時,輸出對輸入輸出對輸入 的響應特性。一個動態特性好的傳感器其輸出能再現的響應特性。一個動態特性好的傳感器其輸出能再現 輸入變化規律。但實際上，輸出信號不可能與輸入信輸入變化規律。但實際上，輸出信號不可能與輸入信 號具

11、有完全相同的時間函數，這種輸出與輸入之間的號具有完全相同的時間函數，這種輸出與輸入之間的 差異叫做差異叫做動態誤差。動態誤差。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 14 3 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 快速、準確、可靠、經濟快速、準確、可靠、經濟的獲取信號。傳感器的選擇的獲取信號。傳感器的選擇 所要考慮的問題主要包括：所要考慮的問題主要包括： 1）足夠的量程；）足夠的量程； 2）與測量或控制系統匹配、轉換靈敏度高；）與測量或控制系統匹配、轉換靈敏度高； 3）精度適當、穩定性高；）精度適當、穩定性高； 4）反應速度快、工作可靠；）反應速

12、度快、工作可靠； 5）實用性和適應性強；）實用性和適應性強； 6）使用經濟；）使用經濟； 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 15 3.2 位移測量傳感器位移測量傳感器 線性位移和角位移測量的總稱線性位移和角位移測量的總稱 直線位移測量：直線位移測量： 電感傳感器、電容傳感器、感應同步器、光柵傳電感傳感器、電容傳感器、感應同步器、光柵傳 感器等；感器等； 角位移傳感器：角位移傳感器： 電容傳感器、光電編碼盤；電容傳感器、光電編碼盤； 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 16 3.2 位移

13、測量傳感器位移測量傳感器 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 17 對于平板式電容器，忽略邊緣效應，其電容量可表示為：對于平板式電容器，忽略邊緣效應，其電容量可表示為： 真空介電常數，等于真空介電常數，等于 板間介質的相對介電系數板間介質的相對介電系數 極板的有效面積（極板的有效面積（ ） 兩極板的距離（兩極板的距離（ ） 電容式傳感器可分為：變極距型、變面積型和變介質型電容式傳感器可分為：變極距型、變面積型和變介質型 A C r0 0 mF 12 1085. 8 r A mm 2 mm 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接

14、口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 18 (1) 變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 圖圖2是空氣介質變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖是空氣介質變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖 中一個電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離中一個電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d 響應變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容量響應變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容量 的變化量的變化量C，便可測得極板間距變化量，即動極板的位移，便可測得極板間距變化量，即動極板的位移 量量d。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 19

15、 (1)變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 變極距電容傳感器的初始電容變極距電容傳感器的初始電容Co可由下式表達，即可由下式表達，即 當動極板因被測量變化使距離減小當動極板因被測量變化使距離減小 時，有：時，有： 傳感器的這種變化關系呈非線性，電容的變化量為：傳感器的這種變化關系呈非線性，電容的變化量為： 如圖所示。如圖所示。 A C r0 0 ) 1 1 ( 0 0 0 C A C r 1 0 )1 ( C C 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 20 (1)變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感

16、器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 21 (1)變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 在實際使用時常采用近似（在實際使用時常采用近似（線性化處理線性化處理） 如果滿足如果滿足 ，將電容變化量進行，將電容變化量進行泰勒級數泰勒級數展開：展開： 忽略高階小項（非線性項）可得近似的線性關系和靈敏度忽略高階小項（非線性項）可得近似的線性關系和靈敏度S： 1 )()(1 32 0 C C 0 C C 2 0 0 0 0 AC C S r 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 22 (1)變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 這種處理的結果

17、，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖這種處理的結果，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖4 所式。所式。 總結：總結： 1、變極距的傳感器只有在、變極距的傳感器只有在 很小時，才有近似的線性輸出；很小時，才有近似的線性輸出； 2、靈敏度與初始極距的平方成正比，故可減小、靈敏度與初始極距的平方成正比，故可減小 的辦法來提的辦法來提 高靈敏度。高靈敏度。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 23 (1)變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這 種傳感

18、器的結構，如圖種傳感器的結構，如圖5所示。它有三個極板，其中兩個固所示。它有三個極板，其中兩個固 定不動，只有中間極板可產生移動。當中間活動極板處于平定不動，只有中間極板可產生移動。當中間活動極板處于平 衡位置時，即衡位置時，即d1=d2=do，則，則C1=C2=Co，如果活動極板向右，如果活動極板向右 移動移動d,則則d1=do-d,d2=do+d,采用上述相同的近似線性采用上述相同的近似線性 處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為 傳感器的相對非線性誤差傳感器的相對非線性誤差o為為 00 21 0 2 d d C CC C C %100 2 0 0

19、 d d 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 24 (1)變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 變極距電容傳感器改為差動式之后，非線性誤差大大減 小，而靈敏度也提高了一倍。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 25 (2)變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 圖圖6是變面積式電容傳感器結構示意圖，是變面積式電容傳感器結構示意圖， 它由兩個電極構成，其中一個為固定極板，另一個為可動它由兩個電極構成，其中一個為固定極板，另一個為可動 極板，兩極板均成半圓形。極板，兩極板均成半圓形。 第第3

20、3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 26 (2)變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 假定極板間的介質不變（即電介質常數不變），當兩極假定極板間的介質不變（即電介質常數不變），當兩極 板完全重疊時，其電容量為板完全重疊時，其電容量為 Co=A/A 當動極板繞軸轉動一個當動極板繞軸轉動一個角時，兩極板的對應面積要減角時，兩極板的對應面積要減 小小A，則傳感器的電容量就要減小，則傳感器的電容量就要減小C。如果我們把這。如果我們把這 種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測出來，種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測出來， 就實現了角位移轉換為

21、電量的電測變換。就實現了角位移轉換為電量的電測變換。 電容式位移傳感器的位移測量范圍在電容式位移傳感器的位移測量范圍在1um10mm之間，之間， 變極距式電容傳感器的測量精度約為變極距式電容傳感器的測量精度約為2%。變面積式電容。變面積式電容 傳感器的測量精度較高，其分辨率可達傳感器的測量精度較高，其分辨率可達0.3um 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 27 2. 可變磁阻式電感傳感器可變磁阻式電感傳感器 典型的可變磁阻式電感傳感器的結構如圖所示典型的可變磁阻式電感傳感器的結構如圖所示,它它 主要由線圈、鐵心和活動銜鐵組成。主要由線圈、

22、鐵心和活動銜鐵組成。 1 2 x 4 5 L 0 1線圈 2鐵心 3活動銜鐵 4測桿 5被測件3 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 28 原理：原理： 電磁感應原理，把被測位移量變化成線圈自感或互感變化；電磁感應原理，把被測位移量變化成線圈自感或互感變化； 特點：特點： 結構簡單，輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強，但動結構簡單，輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強，但動 態響應慢，不宜做快速動態測試。態響應慢，不宜做快速動態測試。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 29 當線圈通

23、以激磁電流時當線圈通以激磁電流時,其自感其自感L與磁路的總磁阻與磁路的總磁阻Rm有有 關關,即即 （3-5） 式中式中: W線圈匝數；線圈匝數； Rm總磁阻。總磁阻。 m R W L 2 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 30 式中式中: L鐵心導磁長度（鐵心導磁長度（m）；）； 鐵心導磁率（鐵心導磁率（H/m）；）； A鐵心導磁截面積（鐵心導磁截面積（m2）, A=ab; 空氣隙空氣隙(m), = 0+; 0空氣磁導率（空氣磁導率（Hm）,0=210-7 ; A0空氣隙導磁截面積（空氣隙導磁截面積（m2）。）。 如果空氣隙如果空氣隙較小

24、較小,而且不考慮磁路的損失而且不考慮磁路的損失,則總磁阻為則總磁阻為： 00 2 AA l Rm （3-6） 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 31 由于鐵心的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的由于鐵心的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的,因因 此計算時鐵心的磁阻可以忽略不計此計算時鐵心的磁阻可以忽略不計,故故 （3-7） 將式將式(3-7)代入式代入式(3-5),得得 00 2 A R 2 00 2 AW L （3-8） 式（式（3-8）表明）表明,自感自感L與空氣隙與空氣隙的大小成反比的大小成反比,與空氣隙與空氣隙 導磁截面積導磁截面積A0成

25、正比。當成正比。當A0固定不變而改變固定不變而改變時時,L與與成非線成非線 性關系性關系 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 32 此時傳感器的靈敏度為此時傳感器的靈敏度為 圖圖3-7為差動型磁阻式傳感器為差動型磁阻式傳感器,它由兩個相同的線圈、它由兩個相同的線圈、 鐵心及活動銜鐵組成。當活動銜鐵接于中間位置（位鐵心及活動銜鐵組成。當活動銜鐵接于中間位置（位 移為零）時移為零）時,兩線圈的自感兩線圈的自感L相等相等,輸出為零。當銜鐵有輸出為零。當銜鐵有 位移位移時時,兩個線圈的間隙為兩個線圈的間隙為0+, 0-,這表明一個這表明一個 線圈的

26、自感增加線圈的自感增加,而另一個線圈的自感減小。而另一個線圈的自感減小。 2 00 2 AW d dL S（3-9） 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 33 圖圖3-7 可變磁阻差動式傳感器可變磁阻差動式傳感器 0 0 x 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 34 圖圖 3-8 可變磁阻面積型電感傳感器可變磁阻面積型電感傳感器 L 0 1 2 4 x 5 1線圈；2鐵心；3活動銜鐵； 4測桿；5被測桿 3 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一

27、體化基礎 35 3.2.2 數字式位移傳感器數字式位移傳感器 光柵由標尺光柵和指示光柵組成光柵由標尺光柵和指示光柵組成,兩者的光刻密度兩者的光刻密度 相同相同,但體長相差很多但體長相差很多,其結構如圖其結構如圖3-15所示。所示。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 36 3.2.2 光柵光柵 原理：原理：指示光柵平行的放在主光柵側面，并且使他們的刻指示光柵平行的放在主光柵側面，并且使他們的刻 線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現幾線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現幾 條明暗條紋。主光柵和被測物體相連，產生位移時，

28、莫爾條明暗條紋。主光柵和被測物體相連，產生位移時，莫爾 條紋隨著上下移動，用光電器件記錄下莫爾條紋通過某點條紋隨著上下移動，用光電器件記錄下莫爾條紋通過某點 的數目，便可計算光柵移動的距離。的數目，便可計算光柵移動的距離。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 37 圖圖3-16 莫爾條紋示意圖莫爾條紋示意圖 莫爾條紋是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列的莫爾條紋是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列的,如圖如圖 3-16所示。所示。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 38 光柵莫爾條紋的

29、特點是起放大作用光柵莫爾條紋的特點是起放大作用,用用W表示條紋表示條紋 寬度寬度,P表示柵距表示柵距,表示光柵條紋間的夾角表示光柵條紋間的夾角,則有則有 若若P0.01mm,把莫爾條紋的寬度調成把莫爾條紋的寬度調成10mm,則放則放 大倍數相當于大倍數相當于1000倍倍,即利用光的干涉現象把光柵間距即利用光的干涉現象把光柵間距 放大放大1000倍倍,因而大大減輕了電子線路的負擔。因而大大減輕了電子線路的負擔。 光柵測量系統的基本構成如圖光柵測量系統的基本構成如圖3-17所示。所示。 (3-10) P W 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎

30、39 圖圖3-17 光柵測量系統光柵測量系統 差 動 放 大 器 差 動 放 大 器 整 形 器 整 形 器 方 向 判 別 門 電 路 可 逆 計 數 器 正 向 脈 沖 反 向 脈 沖 控 制 回 路 光 電 池 組 a b c d 4 W 標 尺 光 柵 聚 光 鏡 光 源指 示 光 柵 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 40 感應同步器感應同步器 感應同步器是一種應用電磁感應原理把兩個平面感應同步器是一種應用電磁感應原理把兩個平面 繞組間的位移量轉換成電信號的一種檢測元件，有直繞組間的位移量轉換成電信號的一種檢測元件，有直 線式和

31、圓盤式兩種，分別用作檢測直線位移和轉角。線式和圓盤式兩種，分別用作檢測直線位移和轉角。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 41 滑尺表面刻有兩個繞組滑尺表面刻有兩個繞組,即正弦繞組和余弦繞組即正弦繞組和余弦繞組,見見 圖圖3-18。 1/4W 定尺 滑尺 cossin 圖圖3-18 直線感應同步器原理圖直線感應同步器原理圖 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 42 圓盤式感應同步器如圖圓盤式感應同步器如圖3-19所示所示,其轉子相當于直其轉子相當于直 線感應同步器的滑尺線感應同步器的滑

32、尺,定子相當于定尺定子相當于定尺,而且定子繞組中而且定子繞組中 的兩個繞組也錯開的兩個繞組也錯開1/4節距。節距。 圖圖3-19 圓盤式感應同步器圓盤式感應同步器 （a） 定子；定子； （b） 轉子轉子 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 43 （1） 鑒相式。鑒相式。 所謂鑒相式所謂鑒相式,就是根據感應電勢的就是根據感應電勢的 相位來鑒別位移量。相位來鑒別位移量。 即即uA=Umsint,uB=Umcost時時,則定尺上的繞組由于則定尺上的繞組由于 電磁感應作用將產生與激磁電壓同頻率的交變感應電電磁感應作用將產生與激磁電壓同頻率的交變感應

33、電 勢。圖勢。圖3-20說明了感應電勢幅值與定尺和滑尺相對位說明了感應電勢幅值與定尺和滑尺相對位 置的關系。置的關系。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 44 圖圖3-20 滑尺繞組位置與定尺感應電勢幅值的變化關系滑尺繞組位置與定尺感應電勢幅值的變化關系 定尺繞組 1 2 3 4 5 AB AB AB AB AB eA 1 2 0 4 3 5 1 0 eB 2 3 4 5 滑 尺 繞 組 位 置 定尺感應電勢變化情 況 僅對 A繞組激磁僅對 B繞組激磁 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基

34、礎 45 滑尺在定尺上每滑動一個節距滑尺在定尺上每滑動一個節距,定尺繞組感應電勢就變定尺繞組感應電勢就變 化了一個周期化了一個周期,即即 eA=KuAcos （3-11） 式中式中: ; K滑尺和定尺的電磁耦合系數；滑尺和定尺的電磁耦合系數； 滑尺和定尺相對位移的折算角。滑尺和定尺相對位移的折算角。 若繞組的節距為若繞組的節距為W,相對位移為相對位移為l,則則 （3-12） 360 W l 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 46 同樣同樣,當僅對正弦繞組當僅對正弦繞組B施加交流激磁電壓施加交流激磁電壓UB時時,定尺繞定尺繞 組感應電勢為組

35、感應電勢為 e B=-Ku B sin （3-13） 對滑尺上兩個繞組同時加激磁電壓對滑尺上兩個繞組同時加激磁電壓,則定尺繞組上所感應則定尺繞組上所感應 的總電勢為的總電勢為 e =e A+eB=Ku A cos-KuBsin =KUm sint cos-KU m costsin =KUm sin (t-)（3-14） 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 47 上式可以看出上式可以看出,感應同步器把滑尺相對定尺的位移感應同步器把滑尺相對定尺的位移l的變的變 化轉成感應電勢相角化轉成感應電勢相角的變化。因此的變化。因此,只要測得相角只要測得相

36、角,就可以就可以 知道滑尺的相對位移知道滑尺的相對位移l： （3-15） Wl 360 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 48 （2）鑒幅式。）鑒幅式。 在滑尺的兩個繞組上施加頻率和相位均在滑尺的兩個繞組上施加頻率和相位均 相同相同,但幅值不同的交流激磁電壓但幅值不同的交流激磁電壓uA和和uB。 uA=Umsin1sint （3-16） uB=Umcos1 sint （3-17） 式中式中: 1指令位移角。指令位移角。 設此時滑尺繞組與定尺繞組的相對位移角為設此時滑尺繞組與定尺繞組的相對位移角為,則定尺繞則定尺繞 組上的感應電勢為組上的感

37、應電勢為 e =KuA cos-KuB sin=KUm(sin1cos-cos1sin)sint =KUm sin (1-) sint （3-18） 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 49 3.3 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器 3.3.1 直流測速機速度檢測直流測速機速度檢測 圖圖3-21所示為永磁式測速機的原理圖。所示為永磁式測速機的原理圖。 M I0 U0RL 圖圖3-21 永磁式測速機的原理圖永磁式測速機的原理圖 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 50 M I0 U0R

38、L 原理：原理：微型的直流發電機；微型的直流發電機； 直流測速機直流測速機 勵磁方式：勵磁方式：電磁式和永磁式電磁式和永磁式 電樞結構：電樞結構：無槽電樞、有槽電樞。空心杯電樞、圓盤電樞無槽電樞、有槽電樞。空心杯電樞、圓盤電樞 永磁式測速機：永磁式測速機：恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋 轉時，電樞繞組中即產生交變的電勢，經換向器和電刷轉轉時，電樞繞組中即產生交變的電勢，經換向器和電刷轉 換成與轉子轉速成正比的直流電勢。換成與轉子轉速成正比的直流電勢。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 51 直流測

39、速機的輸出特性曲線：直流測速機的輸出特性曲線：與負載電阻相關與負載電阻相關；當負載電阻；當負載電阻 時，其輸出電壓與轉速成正比。隨著負載電阻減小，其輸出時，其輸出電壓與轉速成正比。隨著負載電阻減小，其輸出 電壓下降，且輸出電壓與轉速之間不能嚴格保持線性關系，電壓下降，且輸出電壓與轉速之間不能嚴格保持線性關系， 因此，對于要求精度比較高的直流測速機，因此，對于要求精度比較高的直流測速機，負載電阻應盡量負載電阻應盡量 大。大。 圖圖 3-22 直流測速機的輸出特性直流測速機的輸出特性 理想值 實測值 RL RL1 RL2 RL RL1 RL2 n U/V 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器

40、檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 52 3.3.2 光電式轉速傳感器光電式轉速傳感器 光電式轉速傳感器是一種角位移傳感器光電式轉速傳感器是一種角位移傳感器,由裝在被由裝在被 測軸測軸(或與被測軸相連接的輸入軸或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光上的帶縫隙圓盤、光 源、光電器件和指示縫隙盤組成源、光電器件和指示縫隙盤組成,如圖如圖3-23所示。所示。 光源 1 2 3 4 1透鏡； 2帶縫隙圓盤； 3指示縫隙盤； 4光電元件 圖圖 3-23 光電式轉速傳感器的結構原理圖光電式轉速傳感器的結構原理圖 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機

41、電一體化基礎 53 光源發生的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上，當縫隙圓 盤隨著被測軸轉動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同， 圓盤每旋轉一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數相等的電脈沖。 根據測量單位時間內的脈沖數根據測量單位時間內的脈沖數N,則可測出轉速為則可測出轉速為 （3-19） 式中式中: ; Z圓盤上的縫隙數；圓盤上的縫隙數； n轉速轉速(rmin)； t測量時間測量時間(s)。 一般取一般取Zt=6010m(m0,1,2,)。利用兩組縫隙間距。利用兩組縫隙間距W相同相同,位位 置相差（置相差（i2+14 ）W（i0,1,2,） 的指示縫隙和兩個光電器件的指示縫隙和兩個

42、光電器件, 就可辨別出圓盤的旋轉方向。就可辨別出圓盤的旋轉方向。 Zt N n 60 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 54 3.4 位置傳感器位置傳感器 3.4.1 接觸式位置傳感器接觸式位置傳感器 1.由微動開關制成的位置傳感器由微動開關制成的位置傳感器 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 55 2. 二維矩陣式配置的位置傳感器二維矩陣式配置的位置傳感器 一般用于及機器人手掌內側。安裝多個二維觸覺傳感器，用一般用于及機器人手掌內側。安裝多個二維觸覺傳感器，用 于檢測自身與某物體的接

43、觸位置，被測物體的中心位置與傾于檢測自身與某物體的接觸位置，被測物體的中心位置與傾 斜度，甚至還可以識別物體的大小和形狀。斜度，甚至還可以識別物體的大小和形狀。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 56 3.4.2 接近式位置傳感器接近式位置傳感器 接近式位置傳感器按其工作原理主要分：電磁式、接近式位置傳感器按其工作原理主要分：電磁式、 光電式、靜電容式，氣壓光電式、靜電容式，氣壓 式和超聲波式。其基本工作式和超聲波式。其基本工作 原理可用圖表示出來原理可用圖表示出來 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基

44、礎機電一體化基礎 57 3.4.2 接近式位置傳感器接近式位置傳感器 1.電磁式傳感器電磁式傳感器 高頻振蕩電路在檢測部分有檢測線圈，檢測對象為高頻振蕩電路在檢測部分有檢測線圈，檢測對象為 金屬體。當開關接近金屬體時，檢測線圈的電感量發生金屬體。當開關接近金屬體時，檢測線圈的電感量發生 變化，使振蕩回路停振，檢測出這一停振變化，產生輸變化，使振蕩回路停振，檢測出這一停振變化，產生輸 出信號。出信號。 高高 頻頻 振振 蕩蕩 電電 路路 金金 屬屬 體體 檢檢 波波 電電 路路 波波 形形 整整 形形 電電 路路 輸輸 出出 電電 路路 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路

45、 機電一體化基礎機電一體化基礎 58 3.4.2 接近式位置傳感器接近式位置傳感器 2.電容式傳感器電容式傳感器 電容式接近開關在檢測部分采用導體電極，當電極電容式接近開關在檢測部分采用導體電極，當電極 與被測物一接近，檢測部分的導體電極與被測對象之間與被測物一接近，檢測部分的導體電極與被測對象之間 產生靜電電容變化。利用這一現象制成電容式接近開關，產生靜電電容變化。利用這一現象制成電容式接近開關， 檢測出這一電容量的變化，產生輸出信號。檢測出這一電容量的變化，產生輸出信號。 檢測檢測 物體物體 高高 頻頻 震震 蕩蕩 電電 路路 檢檢 波波 電電 路路 整整 形形 電電 路路 輸輸 出出 電

46、電 路路 電極板電極板 ( (檢測頭檢測頭) ) 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 59 3.4.2 接近式位置傳感器接近式位置傳感器 3. 光電式傳感器光電式傳感器 優點：體積小、可靠性高、檢測位置精度高、響應速體積小、可靠性高、檢測位置精度高、響應速 度快、易于度快、易于TTL及及CMOS電路兼容電路兼容 分類：透光型、反射型分類：透光型、反射型 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 60 透光型光電式傳感器：透光型光電式傳感器： 發光器件與受光器件相對放置，中間留有間隙，當被發光器

47、件與受光器件相對放置，中間留有間隙，當被 測物體到達這一間隙時，發射光被遮住，從而接受器測物體到達這一間隙時，發射光被遮住，從而接受器 件（光敏原件）便可檢測出物體已經到達。件（光敏原件）便可檢測出物體已經到達。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 61 反射型光電式傳感器：反射型光電式傳感器： 光電傳感器發出的光經被測物體反射后再落到檢測器件上。光電傳感器發出的光經被測物體反射后再落到檢測器件上。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 62 3.5 傳感器前期信號處理傳感器前期信號處理

48、傳感器：將不同形式的被測量轉換為傳感器：將不同形式的被測量轉換為電信號電信號； 傳感器輸出形式：傳感器輸出形式：電壓輸出、電流輸出、頻率輸出。電壓輸出、電流輸出、頻率輸出。 傳感器輸出信號的處理：傳感器輸出信號的處理： 原因：原因：直接輸出電信號微弱（功率小、電壓低）。直接輸出電信號微弱（功率小、電壓低）。 方式：方式：利用運算放大器進行信號放大。利用運算放大器進行信號放大。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 63 3.5 傳感器前期信號處理傳感器前期信號處理 3.5.1 測量放大器測量放大器 傳感器直接輸出信號：傳感器直接輸出信號： 信

49、號弱，夾雜工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾信號弱，夾雜工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾。 放大電路要求（測量放大器、儀表放大器）：放大電路要求（測量放大器、儀表放大器）： 高的共模抑制比、高增益、低噪聲和高輸入阻抗。高的共模抑制比、高增益、低噪聲和高輸入阻抗。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 64 3.5.1 測量放大器測量放大器 圖圖3-35為三個運放組成的測量放大器為三個運放組成的測量放大器,差動輸入端差動輸入端U1和和U 2分分 別是兩個運算放大器別是兩個運算放大器(A1、A2)的同相輸入端的同相輸入端,因此輸入阻抗很高。因此輸入阻抗

50、很高。 采用對稱電路結構采用對稱電路結構,而且被測信號直接加入到輸入端上而且被測信號直接加入到輸入端上,從而保證從而保證 了較強的抑制共模信號的能力。了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器實際上是一差動跟隨器,其增益其增益 近似為近似為1。 A1 U1 RW U2 A2 Rf1 Rf2 Uo1 R R Uo2 RL A3 Ri Uo 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 65 圖圖3-35電路結構中，保證電路結構中，保證A1和和A2放大器性能對稱（輸放大器性能對稱（輸 入阻抗和電壓增益），其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和電壓增

51、益），其漂移將大大減小，具有高輸 入阻抗、高共模抑制比，對微小差模電壓敏感。左邊入阻抗、高共模抑制比，對微小差模電壓敏感。左邊 兩個運放采用兩個運放采用7650,這將是非常優質的放大。這將是非常優質的放大。 12 0 UU U A U (3-32) )1 ( 21 W fff U R RR R R A (3-33) 測量放大器的放大倍數由下式確定：測量放大器的放大倍數由下式確定： 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 66 AD522主要可用于惡劣環境下要求進行高精度數據采 集的場合。由于AD522具有低電壓漂移(2V/)、低非線 性(0.0

52、05，增益為100時)、高共模抑制比(110 dB,增益為 1000時)、 低噪聲(1.5uV（P-P）,0.1100 Hz)、低失調電 壓(100uV)等特點,因而可用于許多12位數據采集系統中。 圖3-36為AD522的典型接法。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 67 圖3-36 AD522的外圍電路 U Ui Ui RG 8 1 14 2 3 6 13 9 11 18 7 4 5 10 k AD 522輸出 基準 地 數據防護 U 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 68 數據

53、防護端：提高交流輸入時的共模抑制比。對遠處 傳感器送來的信號，通常采用屏蔽電纜傳送到測量放 大器，電纜上的分布參量RG會使信號產生相移，當出 現交流共模信號時，這些相移將使共模抑制比降低。 利用數據防護端可以克服上述影響（如圖3-37所示）。 對于無此端子的儀器用放大器,如AD524、AD624等,可 在RG2 (如圖3-40所示)端取得共模電壓,再用一運放作為 它的輸出緩沖屏蔽驅動器。運放應選用具有較低偏流 的場效應管運放,以減少偏流流經增益電阻時對增益產 生的誤差。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 69 圖3-37 AD522 的典

54、型應用 US US 10 F 10 F 5 9 8 地 采樣 12 7 11 6 4 13 3 2 14 1 輸出 RL 基 準 10 k數據防護 RG UR 信號地 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 70 3.5.2 程控增益放大器 模擬信號進行量化前使用。 A/D轉換前，為減小誤差，希望將模擬信號在 A/D轉換器 所能接受的范圍內達到最大值，然而，當被測量變化范圍 較大時，經傳感器轉換后的模擬信號變化也較大，在這種 情況下，如果單純只使用一個放大倍數的放大器，在進行 小信號轉換時將會引入很大的誤差，無法滿足精度要求。 工程上，通常采用

55、改變放大器增益的方法來實現不同幅度 信號的放大。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 71 3.5.2 程控增益放大器 圖3-38即為一利用改變反饋電阻的辦法來實現量程變 換的可變換增益放大器電路。當開關S1閉合,S2和S3斷開時, 放大倍數為 （3-34） 而當S2閉合,而其余兩個開關斷開時,其放大倍數為 （3-35） 選擇不同的開關閉合,即可實現增益的變換。如果利用 軟件對開關閉合情況進行選擇,即可實現程控增益變換。 R R A vf 1 R R A vf 2 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機

56、電一體化基礎 72 圖3-38 程控增益放大器原理圖 R3 R2 R1 S3 S2 S1 Uo R Ui R 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 73 圖3-39為AD521測量放大器與模擬開關結合組成的 程控增益放大器,通過改變其外接電阻R的辦法可實現 增益控制。 AD 521 4052 Uo 7 12 13 10 8 1 11 2 3 4 6 5 U U D0D1 R 圖3-39由AD521和模擬開關構成的程控增益放大器 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 74 圖3-40為AD52

57、4的結構原理圖,其特點是具有低失調電 壓（50 mV）,低失調電壓漂移（0.5 V/）,低噪聲(0.3V （P-P）,0.110Hz),低非線性（0.003,增益為1時）,高 共模抑制比（120dB,增益為1000時,增益帶寬為25MHz),具 有輸入保護等。從其結構圖可知,對于1,10,100和1000倍的 整數倍增益,無需外接電阻,在具體使用時只需一個模擬開關 的控制即可達到目的；對于其他倍數的增益控制,也可用外 接增益調節電阻的方法來實現,同樣也可用改變反饋電阻與 D/A轉換器的結合、甚至改變其參考端電壓的方法來實現程 控增益。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路

58、 機電一體化基礎機電一體化基礎 75 圖3-40 AD524原理圖 數據保護 13 12 11 16 3 2數據保護 UB 8 9 10 Ui G10 G100 G1000 RG1 RG2 4.44 k 404 40 Ui 20 k 20 k 增益微調 Uo 基準 AD524 20 k 20 k 20 k 20 k 1 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 76 3.5.3 隔離放大器 由于隔離放大器采用了浮離式設計,消除了輸入、 輸出端之間的耦合,因此還具有以下特點： （1） 能保護系統元件不受高共模電壓的損害,防 止高壓對低壓信號系統的損

59、壞。 （2） 泄漏電流低,對于測量放大器的輸入端無須 提供偏流返回通路。 （3） 共模抑制比高,能對直流和低頻信號(電壓或 電流)進行準確、安全的測量。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 77 3.5.3 隔離放大器 隔離方式： 變壓器耦合：線性度高、隔離性能好，帶寬在1KHZ以 下 。 光電耦合：帶寬可達10KHz，隔離性能不如變壓器耦合； 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 78 圖3-41為284型隔離放大器的電路結構圖。為提高微電 流和低頻信號的測量精度,減小漂移,其電路采用調

60、制式放大, 其內部分為輸入、輸出和電源三個彼此相互隔離的部分,并 由低泄漏高頻載波變壓器耦合在一起。通過變壓器的耦合, 將電源電壓送入輸入電路并將信號從輸出電路送出。輸入 部分包括雙極型前置放大器、調制器； 輸出部分包括解調 器和濾波器,一般在濾波器后還有緩沖放大器。 第第3 3章傳感器檢測及其接口電路章傳感器檢測及其接口電路 機電一體化基礎機電一體化基礎 79 圖3-41 284型隔離放大器的電路結構圖 調制器解調器 4 3 6 1 2 5 電源 振蕩緩沖放大器 濾波器 12 11 7 9 10 8 輸入端 增益端 320 k 1 k 保護端 UISO UISO 公共端 調制驅動 輸入濾波公