《机电传动控制》课件第4章.ppt

1、4.1 传感器的组成及分类传感器的组成及分类4.2 传感器的一般特性传感器的一般特性4.3 常用传感器及应用常用传感器及应用小结小结习题与思考题习题与思考题4.1.1 传感器的组成传感器的组成 机电控制系统中有各种各样的参数需要进行检测和控制，如常用的力、压力、温度、流量、物位、转速、位移与振动等非电量。检测中首先感受被测量，并将它转换成与被测量有确定对应关系的电量的器件叫传感器，它是检测和控制系统中最关键的部分。传感器一般由敏感元件和传感元件两个基本部分组成，有时还加上辅助电源。传感器的组成方框图如图4-1所示。传感器可以做得很简单，也可以做得较复杂，其组成将依不同情况而有较大的差异。4.1

2、 传感器的组成及分类传感器的组成及分类 图 4-1 传感器的组成方框图 传感器中直接感受被测量(一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的其他量(包括电量)的元件称为敏感元件。其中，有一部分敏感元件(如膜片和波纹管，把被测压力转变成位移量等)是把那些不能用现有技术直接变换成电量的被测量，预先变换成另一种易于变换成电量的非电量，然后再经传感元件将它们变换成电量。感受由敏感元件输出的，与被测量成确定关系的另一种非电量，然后输出电量的元件称为传感元件。例如差动式压力传感器中，传感元件不直接感受压力，而是感受由敏感元件传来的与被测压力成确定关系的衔铁的位移量，然后输出电量。有的敏感元件直接输出电量，那

3、么敏感元件和传感元件就合二为一了，如加热电耦和热敏电阻等传感器。敏感元件中，机械弹性敏感元件(简称弹性元件)的应用很广。它的输入量可以是集中的力、力矩、流体压力和温度等各种非电量，它的输出就是弹性元件本身的变形(应变、位移或转角)。这种变形(或经机械放大后)成为机械式仪表指针的偏转或配上各种形式的传感元件，将变形变换成电量，再进行放大、显示或处理。4.1.2 传感器的分类传感器的分类 传感器的分类方法很多，按被测物理量划分有：(1)位移传感器，又分为直线位移传感器和角位移传感器，用于长度、厚度、应变、振动、偏转角等参数的测量。(2)速度传感器，又分为线速度传感器和角速度传感器，用于线速度、振动

4、、流量、动量、转速、角速度、角动量等参数的测量。(3)加速度传感器，又分为线加速度传感器和角加速度传感器，用于线加速度、扳动、冲击、质量、应力、角加速度、角振动、角冲击、力矩等参数的测量。(4)力、压力传感器，用于力、压力、重力、力矩、应力等参数的测量。传感器按工作原理划分有：(1)电阻式传感器，利用移动电位器触点改变电阻值或改变电阻丝(或片)的几何尺寸的原理制成，主要用于位移、力、压力、应变、力矩、气流流速和液体流量等参数的测量。(2)电感式传感器，利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感和互感的电感量或压磁效应原理制成，主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。(3)电容式传感器，

5、利用改变电容的几何尺寸或改变电容介质的性质和含量，从而改变电容量的原理制成，用于位移、压力、液位、厚度、含水量等参数的测量。(4)谐振式传感器，利用改变机械的或电的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用于测量压力。本章主要介绍在机电控制系统中应用较多的位移、速度、物位、压力四种类型的传感器。传感器的基本特性是指输入信号与输出信号的关系。传感器能否正确地完成预定的测量任务，主要取决于所选择的传感器本身的特性。当输入信号不随时间变化时，输入与输出的关系称为传感器的静态特性；当输入信号随时间而变化时，输入与输出的关系称为传感器的动态特性。4.2 传感器的一般特性传感器的一般特性 4.2.1 传感器

6、的静态特性传感器的静态特性 在静态测量中，输入信号不随时间变化而变化，由此所确定的输入输出关系称为静态特性。传感器静态特性的参数主要有线性度、灵敏度、滞后量和重复性误差。1.线性度线性度 标定曲线与拟合直线的接近程度称为线性度。线性度的好坏，通常用线性度误差表示。标定曲线是在静态测量中由静态标定实测得到的输入输出特性曲线，在理想情况下，输入输出特性曲线应为直线；在线性工况下给输出量乘以一常数，就可以得到相应的被测输入量的数值。若特性曲线不是直线，则必须根据标定曲线进行修正。拟合直线是作为与标定曲线比较的参考直线。确定拟合直线的方法较多，目前常用平均法和最小二乘法。用平均法确定拟合直线时，将使偏

7、离该直线的最大正、负偏差的绝对值相等，如图4-2(a)所示。用最小二乘法确定拟合直线时，将使偏离该直线的偏差的平方和最小，如图4-2(b)所示。图 4-2 线性度与拟合直线(a)用平均法确定拟合直线；(b)用最小二乘法确定拟合直线拟合直线通常表示为=a+bx(4-1)线性度误差e是指任意标定值偏离拟合直线的最大偏差max与满量程yFS的比值的百分数，即(4-2)y%100FSmaxye式中：max偏离拟合直线的最大偏差;yFS满量程值。线性度误差小，则线性度好；线性度误差大，则线性度差。2.灵敏度灵敏度当输入信号变化x后，输出信号稳定后也相应变化y，输出变化量与输入变化量的比值称为灵敏度，用S

8、表示，即(4-3)bxyS式中：b拟合直线斜率。例如，若差动变压器式位移传感器的输入位移信号变化为1 mm，其输出电压信号的变化量相应为2 mV，则其灵敏度为S2 mVmm。当输入、输出信号量纲相同时，灵敏度相当于放大倍数。如千分表刻度线间隔为1 mm,实测最小输入值为0.01 mm，则其灵敏度S100。3.滞后量滞后量 当输入信号逐渐增大、而后又逐渐减小时，对应同一信号值会出现不同的输出信号。在全量程范围内，对应于同一输入信号的前后两个输出信号的最大差值为H，如图4-3(a)所示。滞后量可用最大输出差值H对满量程输出yFS的百分比表示，即(4-4)式中：H对应于同一输入信号的前后两个输出信号

9、的最大差值；yFS满量程输出；h滞后量。%100FSyHh图 4-3 滞后量与重复性误差4.重复性重复性 重复性表示输入量按同一方向(增加或减少)变化时，在全量程内重复进行测试时所得到的各特性曲线的重复程度，如图4-3(b)所示。一般采用输出最大不重复误差与满量程yFS的百分比来表示重复性指标，即(4-5)式中：最大不重复误差；yFS满量程值；重复性。%100FSy4.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性用传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，因此测量和记录的过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时

10、间变化的规律，即被测量的波形。传感器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。动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此将引起动态误差。4.3.1 位移传感器位移传感器位移传感器按照位移的特征可分为线位移测量传感器和角位移测量传感器。线位移是指机构沿着某一条直线移动的距离，因此线位移的测量又称长度测量。这类测量常用的传感器有电阻式、电感式、差动变压器式以及感应同步器、磁尺、光栅、激光位移计等。角位移是指机构沿着某

11、一定点转动的角度，因此角位移的测量又称角度测量。这类测量常用的传感器有旋转变压器、码盘、编码器、圆形感应同步器等。4.3 常用传感器及其应用常用传感器及其应用 这里我们重点介绍感应同步器和旋转变压器。感应同步器和旋转变压器均属于电磁式测量传感器，其输出电压随被测直线位移或角位移的变化而变化，从其测量方式来讲，属模拟式测量。其中感应同步器又分为直线式和旋转式两种，前者用于直线测量，后者用于角度测量。感应同步器的特点及使用范围和光栅较相似，但和光栅比，它的抗干扰性较强，对环境要求低，机械结构简单，大量程时接长方便，加之成本较低，所以虽然精度上不如光栅，但其在数控机床检测中还是得到广泛应用。旋转变压

12、器的工作原理和感应同步器相似，主要用于检测角位移。1.旋转变压器旋转变压器 1)旋转变压器的工作原理旋转变压器是一种用来测量角位移的小型交流电动机，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的一次侧，接收励磁电压，励磁频率通常为400 Hz、500 Hz、3000 Hz及5000 Hz。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电子耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的一次侧、二次侧绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的一次侧、二次侧绕组则随转子的角位移发生相对位移的改变，因而其输出电压的大小随之而变化。旋转变压器分为单极型和多极型。为

13、了便于理解旋转变压器的工作原理，先讨论一下单极型的工作情况，如图4-4 所示。图 4-4 旋转变压器的工作原理单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为u1Um sint,则转子通过电磁耦合，产生感应电压u2。当转子转到使它的绕组磁轴和定子绕组磁轴垂直时，转子绕组感应电压u20。当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为 u2ku1sin=kUm sint sin式中：k旋转变压器的电磁耦合系数(k=w1/w2，w1、w2为定子、转子绕组匝数)；Um最大瞬时电压；两绕组轴线间夹角；励磁电源的角频率。当转子转过/2时，两磁轴平行，此时转子绕组

14、中感应电压最大，即 u2kUm sint (4-6)实际应用时，正、余弦旋转变压器使用得较多，其定子、转子各有互相垂直的两个绕组。如图4-5所示，若将定子中的一个绕组短接而另一个绕组通以单相交流电压u1，则在转子的两个绕组中，得到的输出电压分别为:u2sku1sin=kUm sint sinu2cku1cos=kUm sint cos图 4-5 正弦余弦旋转变压器原理图(a)转子；(b)定子 由于两个绕组中的感应电压恰恰是关于转子转角的正弦和余弦的函数，所以它又称为正弦余弦旋转变压器。2)旋转变压器的工作方式仍以正弦余弦旋转变压器为例，如图4-6所示，若把转子的一个绕组短接，而定子的两绕组分别

15、通以励磁电压，运用叠加原理，可得到两种典型的工作方式：图 4-6 一个转子绕组短接的旋转变压器(1)鉴相工作方式：给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位差2的交流励磁电压，即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，并叠加在一起，因而转子中的感应电压为这两个电压的代数和，即(4-7)u1sUmsintu1cUmcost=Umsin(t+)2 u2k u1s sin+k u1c cos=k Umsint sin+kUmcost cos=kUmcos(t)同理，假如转子逆向转动，可得 u2=kUm cos(t+)(4-8)由式(4-7)和式(4-8)可以看出，转子输出电压的相位角和转子的偏转角

16、之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴连接在一起的，故被测轴的角位移也就得到了。(2)鉴幅工作方式：给定子的两个绕组分别通以同频、同相位但幅值不同的交流励磁电压，即 u1s=Usmsintu1c=Ucmsint其中，幅值分别为正、余弦函数:Usm=Um sinUcm=Um cos则在转子上的叠加感应电压为(-)sint (4-9)u2k u1s sin+k u1c cos =k Umsinsinsint+kUmcoscossint=kUmcos()sint 同理，如果转子逆向运动，可得 u2kUm cos(+)sint (4-10)由式(4-9)和式(4-10)可以看出，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角，从而可得角位移。在实际应用中，应根据转子误差电压的大小，不断修改励磁信号中的角(即励磁幅值)，使其跟踪的变化。2.感应同步器感应同步器 1)感应同步器的结构 感应同步器也是一种电磁式的检测传感器。按其结构可分为直线式和旋转式两种。这里着重介绍直线式感应同步器。直线式感应同步器应用于直线