传感器技术及机械量检测2学时

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1、第5章传感器技术与机械量检测5.1传感器概述传感器的组成和分类、传感器的性能指标与选用。5.2常见机械位移传感器光栅位移传感器（光栅尺、编码器、激光位移传感器）5.3传感器信号处理与系统抗干扰技术软件（数字滤波）与硬件抗干扰技术一、传感器及其组成传感器(Transducer或sensor)是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。第一节传感器概述传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换

2、元件和测量电路三部分组成。二、常见传感器分类按照传感器输出信号形式分二值型模拟型数字型有接点：微动动开关、接触开关、行程开关无接点型：光电开关、接近开关（电感、电磁、电容）电阻型：电位器、电阻应变片、热电阻电压、电流型：如热电偶、感应同步器、磁栅等电感、电容型：如电感位移、电容位移传感器等计数型：二值型+计数器代码型：编码器、光栅尺等常见的机械位移传感器按测量范围分按测量形式分小位移(量程小于1毫米）:电感、电容、光电大位移（量程大于10毫米）：光栅、、磁栅、球栅、感应同步器、激光等接触式：电感式、电阻式、磁栅适合：较低频率测量非接触式：电容式、激光等适合

3、：较高频率测量常见的机械位移传感器三、机电一体化系统对检测传感器的基本要求精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强，静、动态特性好。体积小、质量轻、价格低，安装、维护方便等四、传感器性能指标传感器的性能是指输入、输出间的特性，包括静态特性和动态特性。1、静态特性：静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输入-输出关系。主要包括：线性度、灵敏度、精确度、分辨率、重复性等。2、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。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。（1）线性度：表征传感

4、器输入－输出校准曲线与拟合直线之间的吻合程度的指标。校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。（2）灵敏度灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合曲线的斜率，为一常数，即：（3）分辨率一个最小输出单位（如一个数字量/脉冲）所对应的输入量。反映了传感器能够分辨出的最小输入变化。（4）精确度（精度）所测值与真值的符合程度，它说明测量结果偏离真值大小的程度。（5）重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性，反映传感器的稳定性。在数值上用各测量值正、反行程标

5、准偏差最大值的两倍或三倍与满量程的百分比表示，即：思考题：如何正确认识传感器的线性度与灵敏度，分辨率与精确度，重复性与精确度之间的关系？第二节常见机械位移传感器光栅分类按检测位移性质长光栅：线位移圆光栅：角位移按光源照射方法透射光栅反射光栅按照制造光栅材料玻璃光栅金属光栅主要介绍光栅位移传感器和激光位移传感器透射光栅优点：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器（光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多，减轻了电子线路的负担。缺点：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。透射光栅尺的长度一般都在1～2m，常见的线纹密度

6、为每毫米4、10、25、50、100、200、250线。反射光栅优点：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成长达数米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测量场所。缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多，常用线纹数为4、10、25、40、50、100。光栅检测装置基本结构示意图一、光栅尺光栅检测装置的结构指示光栅光电池驱动线路光源透镜光栅尺光栅结构组成原理图光栅尺的外形图莫尔条纹节距B与光栅节距W和倾角θ之间的关系：由于θ很小，因此：光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹沿刻线上下移动一个节距B光栅工作原理（莫尔条纹形成原理）

7、放大作用，使栅距的节距误差平均化；莫尔条纹的移动与栅距成正比；根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向莫尔条纹的特点光栅信号处理光栅尺输出的信号有两种：一种是正弦波信号；一种是方波信号。光栅尺除了增量式测量外，还有绝对式测量，输出二进制BCD码或格雷码光栅信号的辨向电路：利用两路在相位上相差90度的方波信号实现。（思考：辨向电路如何设计？）光栅尺的安装调整要求：尺体的安装基面、读数头的安装基面分别和机体、移动部件相联接；保证二者在测量行程内平行度一般小于0.05mm—0.1mm1-指示光栅2-主光栅3-光电元件4-线路板5-底座6-小车7-拨叉光栅尺的

8、正确使用与维护光栅尺的正确维护(1)保证读数头与尺体的间隙不被破坏