《机电系统综合设计》PPT课件

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1、第三章机电系统中的传感技术机电系统综合设计3.1传感器概述传感器英文名称：transducer/sensor是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。GB7665-87的定义：能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。3.1传感器概述常见传感器在信号采集和控制系统中需要测量的典型变量有：位移、速度、加速度，力、转矩、张力、压强

2、，温度，流量，湿度，等等。完备的测量系统组成示意感测头、放大器、电源、显示或处理单元3.2传感器基础精度在任何一个测量系统中，精度是一个主要的指标。精度与重复性（a）精确（b）重复，但不精确（c）不重复，不精确3.2传感器基础传感器的输入与输出传感器有动态响应带宽，也有静态输入输出特征。传感器的动态响应用它的频率响应或是带宽指标来表示。传感器的带宽决定了传感器能所测物理信号的最大频率。对于精确的动态信号测量，传感器的带宽最少比测量变量最大频率高一个数量级。3.2传感器基础传感器的输入与输出传感器能被看做一个具有确定带宽和静态输入输出特征的滤波器。理想滤波器

3、的所测物理变量(输入)和输出信号之间是线性关系，实际上并非如此。3.2传感器基础传感器的非理想特性增益变化，偏移（偏置或零点漂移）变化，灵敏度，迟滞，死区（阈值），时间漂移……3.2传感器基础传感器的校正一般来说，传感器需要调整来适应特定的应用。如果传感器显示有时间漂移，那么它必须被定期校准。传感器校正涉及调整传感器放大补偿上述变量，目的是使得输入（被测信号）和输出（传感器的输出信号）关系保持不变。校正过程涉及到为补偿增益、灵敏度、迟滞、死区和时间漂移变化而做出的调整。3.2传感器基础典型的传感器应用实例应用电阻型传感器和运算放大器进行信号测量和放大的电路

4、。传感器原理是基于传感器的电阻随着测量变量（如温度，张力，压强）变化而按一定的函数变化。3.3传感器负载误差负载误差传感器的负载误差是由于引入传感器和相关联的信号处理系统而产生的误差。有两种典型的负载误差：机械负载误差，电气负载误差。3.3传感器负载误差机械负载误差实例考虑测量容器中液体的温度。如果在容器中插入一个玻璃水银温度计，将有一定热量在液体和温度计之间传递。当液体和温度计之间的温度相同时，测量达到平稳状态。事实是温度计与液体之间的热传递必然改变液体的温度。如果液体的体积相比于温度计来说很小的话，那机械测量的误差将会很大；如果液体的体积相较于温度计来

5、说很大的话，误差就可以忽略不计。严格的说，无偏差测量一个物理数量是不可能的，引入传感器的这一行为改变了原始的物理环境。因此每一个传感器都存在一些机械负载误差。关键是使误差尽可能的小。3.3传感器负载误差电气负载误差实例假如测量装置有内部电阻，不考虑测量装置，我们想要测得电压的理想值是一旦测量装置在电路中的A点和B点之间连接，它就改变了电路。A点和B点之间的等效电阻是A点和B点之间的电压是3.3传感器负载误差A点和B点之间的电压实际上是当Rm∞时，Vo=Vo*若Rm接近R1，Vo/Vo*偏离1当Rm=R1时多数测量系统中Rm和R1的关系应该是：从而有3.3

6、传感器负载误差多数测量系统中Rm和R1的关系应该是：从而有理想电压为由于电气负载带来的相对误差为3.3传感器负载误差对于上述实例的情况，测量装置的输入阻抗如果达到了二端子装置（即被测电压的装置）等效电阻的1000倍，则电气负载引起的测量误差是可以忽略的。因此，为了减少测量电路的电气负载误差影响，测量装置应该有很大的输入电阻（输入阻抗）。输入阻抗越大，在电压测量中电气负载误差越小。3.4惠斯登电桥惠斯登电桥用于把电阻的变化转化为电压的输出。它是用在传感器调整装置中的一个标准电路。惠斯登电桥有一个电压源Vi和四个安在电桥电路中的电阻R1~R4。通常某一个电阻分

7、支就是传感器电阻。热敏电阻应变片……3.4惠斯登电桥当电桥平衡时，在B点和C点之间的电压差是0,并且通过测量装置（如电流计，数字电压表，或者ADC电路数据采集系统）的电流也是0。电桥平衡条件相邻桥臂阻值之比相等惠斯登电桥有两种使用方法零点法变位法3.4惠斯登电桥零点法R1表示传感器，它的电阻是测量变量的函数。R2是一个可调校准电阻器（人工或自动调节）。R3和R4是电路中已知电阻。一开始校准电路满足电桥平衡条件，B点和C点之间电压为零。假定传感器电阻R1随测量变量改变，调节R2维持电桥平衡。当电桥平衡时，R2能够从调节变阻器上读出，根据比例可得R1。这种

8、测量传感器电阻方法不受电源供应电压变化的影响，但是它仅仅适用于测量