機(jī)電一體化第三章

1、1 第三章第三章 傳感器傳感器及其及其檢測(cè)接口電路檢測(cè)接口電路2引引 言言 傳感器在機(jī)電一體化設(shè)備中是不可缺少的組成傳感器在機(jī)電一體化設(shè)備中是不可缺少的組成部分。它是整個(gè)設(shè)備的感覺(jué)器官，監(jiān)視監(jiān)測(cè)著整個(gè)部分。它是整個(gè)設(shè)備的感覺(jué)器官，監(jiān)視監(jiān)測(cè)著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，用以保持最佳工作狀況。生產(chǎn)過(guò)程，用以保持最佳工作狀況。閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，傳感器作為反饋元件，其精度直接影響到工作中，傳感器作為反饋元件，其精度直接影響到工作機(jī)械的精度和穩(wěn)定性，機(jī)械的精度和穩(wěn)定性，因而要求傳感器靈敏度高、因而要求傳感器靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好、特別要求其穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)，且動(dòng)態(tài)特性好、特別要求其穩(wěn)定可靠、抗干擾強(qiáng)，且適應(yīng)

2、不同的環(huán)境。適應(yīng)不同的環(huán)境。 檢測(cè)傳感器種類很多，本章在介紹傳感器相關(guān)檢測(cè)傳感器種類很多，本章在介紹傳感器相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了知識(shí)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了位移、速度、加速度以位移、速度、加速度以及位置及位置這四種類型的傳感器及其后續(xù)處理接口電路。這四種類型的傳感器及其后續(xù)處理接口電路。3 傳感器傳感器是借助于檢測(cè)元件接收一種形式是借助于檢測(cè)元件接收一種形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信的信息，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理息的裝置。它獲取的信息，可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而且轉(zhuǎn)換后的信息也量、化學(xué)量和生物量，而且轉(zhuǎn)換后的信息也是有各種形

3、式。是有各種形式。 其結(jié)構(gòu)包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本其結(jié)構(gòu)包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。4n（1）敏感元件）敏感元件: 是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置,其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性），如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。n（2）轉(zhuǎn)換元件）轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電氣參量（如電阻、電感、電容等）形式。n（3）基本轉(zhuǎn)換電路）基本轉(zhuǎn)換電路：將電氣參量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量,如電壓、電流、頻率等。 0輸出C0傳感器的組成傳感器的組成5本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 傳感器傳感器第二節(jié)第二節(jié) 位移測(cè)量傳感器位移測(cè)量傳感器

4、 第三節(jié)第三節(jié) 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 位置傳感器位置傳感器第五節(jié)第五節(jié) 傳感器前期信號(hào)處理傳感器前期信號(hào)處理 第六節(jié)第六節(jié) 傳感器接口技術(shù)傳感器接口技術(shù) 第七節(jié)第七節(jié) 傳感器非線性補(bǔ)償處理傳感器非線性補(bǔ)償處理 第八節(jié)第八節(jié) 數(shù)字濾波數(shù)字濾波61.傳感器的分類2.傳感器的特性7常用傳感器常用傳感器89第三節(jié)第三節(jié) 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器 一、直流測(cè)速機(jī)一、直流測(cè)速機(jī) 直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是一速元件，實(shí)際上它就是一臺(tái)臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)微型的直流發(fā)電機(jī)。根。根據(jù)電機(jī)磁極激磁方式的不據(jù)電機(jī)磁極激磁方式的不同。直流測(cè)速機(jī)可分為

5、同。直流測(cè)速機(jī)可分為電電磁式磁式和和永磁式永磁式兩種。以電兩種。以電樞的結(jié)構(gòu)不同來(lái)分，有樞的結(jié)構(gòu)不同來(lái)分，有無(wú)無(wú)槽電樞、有槽電樞、空心槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤(pán)電樞杯電樞和圓盤(pán)電樞等。近等。近年來(lái)，又出現(xiàn)了年來(lái)，又出現(xiàn)了永磁式直永磁式直線測(cè)速機(jī)線測(cè)速機(jī)。常用的為永磁。常用的為永磁式測(cè)速機(jī)。式測(cè)速機(jī)。NSU電刷電刷換向片換向片10 圖圖3-143-14所示為永磁式所示為永磁式測(cè)速機(jī)原理電路圖。恒測(cè)速機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成刷轉(zhuǎn)換成

6、與轉(zhuǎn)子速度成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢(shì)。正比的直流電勢(shì)。 11MU0RLI0圖圖3-14 3-14 永磁式測(cè)速機(jī)測(cè)量電路圖永磁式測(cè)速機(jī)測(cè)量電路圖 圖圖3-15 3-15 直流測(cè)速機(jī)直流測(cè)速機(jī)輸出特性輸出特性RL1Rl2RLRL1RL2理想值實(shí)測(cè)值RL直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線，如圖直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線，如圖3-15所示。從所示。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻RL時(shí)，其輸出電時(shí)，其輸出電壓壓V。與轉(zhuǎn)速。與轉(zhuǎn)速n成正比。隨著負(fù)載電阻成正比。隨著負(fù)載電阻RL變小，其變小，其輸出電壓下降，而且輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不能輸出電壓下降，而且輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系。由此

7、可見(jiàn)，對(duì)于要求精度比嚴(yán)格保持線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，對(duì)于要求精度比較高的直流測(cè)速機(jī)，除采取其他措施外，負(fù)載電較高的直流測(cè)速機(jī)，除采取其他措施外，負(fù)載電阻阻RL應(yīng)盡量大應(yīng)盡量大。RL12n直流測(cè)速機(jī)的特點(diǎn)是輸出為線性，斜率大、線性好，但由于直流測(cè)速機(jī)的特點(diǎn)是輸出為線性，斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。有電刷和換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。n直流測(cè)速機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測(cè)速和校正元件。直流測(cè)速機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測(cè)速和校正元件。在使用中，為了提高檢測(cè)靈敏度，盡可能把它直接連接到電在使用中，為了提高檢測(cè)靈敏度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸

8、上。有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速機(jī)。測(cè)速電機(jī)輸出的機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測(cè)速機(jī)。測(cè)速電機(jī)輸出的模擬電壓直接送到速度換比較器中用于速度控制。模擬電壓直接送到速度換比較器中用于速度控制。13n光源發(fā)生的光通過(guò)縫隙圓盤(pán)和指示縫隙照射到光電器光源發(fā)生的光通過(guò)縫隙圓盤(pán)和指示縫隙照射到光電器件上。當(dāng)縫隙圓盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤(pán)上的縫件上。當(dāng)縫隙圓盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于圓盤(pán)上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤(pán)每轉(zhuǎn)一周，隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤(pán)每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤(pán)縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量光電器件輸出與圓盤(pán)縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量時(shí)間時(shí)間t t內(nèi)的脈沖內(nèi)的脈沖數(shù)數(shù)N

9、N，則可測(cè)出轉(zhuǎn)速為，則可測(cè)出轉(zhuǎn)速為n式式中中Z Z圓盤(pán)上的縫隙數(shù)；圓盤(pán)上的縫隙數(shù)；nn n轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速（r/minr/min）；）；nt t測(cè)量時(shí)間（測(cè)量時(shí)間（S S）。）。60NnZtn利用兩組縫隙間距利用兩組縫隙間距W相同，位相同，位置相差（置相差（i/2+1/4）W（i為正為正整數(shù)）的整數(shù)）的指指示縫隙和兩個(gè)光電器示縫隙和兩個(gè)光電器件，則可辨別出圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。件，則可辨別出圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。二、光電式轉(zhuǎn)速傳感器二、光電式轉(zhuǎn)速傳感器14第四節(jié)第四節(jié) 位置傳感器位置傳感器 位置傳感器位置傳感器和和位移傳感器位移傳感器不一樣，它所測(cè)量的不一樣，它所測(cè)量的不是一段距離的變化量，而是通過(guò)檢測(cè)，確定不是

10、一段距離的變化量，而是通過(guò)檢測(cè)，確定是是否已到某一指定位置否已到某一指定位置。因此，其輸出信號(hào)只需要。因此，其輸出信號(hào)只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量就可以了。產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量就可以了。 位置傳感器分位置傳感器分接觸式接觸式和和接近式接近式兩種。所謂兩種。所謂接觸接觸式式傳感器就是能獲取兩個(gè)物體是否已接觸的信息傳感器就是能獲取兩個(gè)物體是否已接觸的信息的一種傳感器；而的一種傳感器；而接近式接近式傳感器是用來(lái)判別在某傳感器是用來(lái)判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體的一種傳感器。一范圍內(nèi)是否有某一物體的一種傳感器。15一、接觸式位置傳感器一、接觸式位置傳感器 這類傳感器用微動(dòng)開(kāi)關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便

11、可這類傳感器用微動(dòng)開(kāi)關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便可構(gòu)成，它分以下兩種。構(gòu)成，它分以下兩種。1 1由微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器由微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器 它用于檢測(cè)物體位置它用于檢測(cè)物體位置 ，有如圖，有如圖3-173-17所示的幾所示的幾種構(gòu)造和分布形式。種構(gòu)造和分布形式。 圖圖3-17 3-17 微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器2維1維162 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 如圖如圖3-183-18所示，它一般用于機(jī)器人手掌內(nèi)側(cè)。所示，它一般用于機(jī)器人手掌內(nèi)側(cè)。在手掌內(nèi)側(cè)常安裝有多個(gè)二維觸覺(jué)傳感器，用以在手掌內(nèi)側(cè)常安裝有多個(gè)二維觸覺(jué)傳感器，用以檢測(cè)自身與某物體的接

12、觸位置，被握物體的中心檢測(cè)自身與某物體的接觸位置，被握物體的中心位置和傾斜度，甚至還可識(shí)別物體的大小和形狀位置和傾斜度，甚至還可識(shí)別物體的大小和形狀。 圖圖3-18 3-18 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17二、接近式位置傳感器二、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：接近式位置傳感器按其工作原理主要分：，基本工作原理可用圖，基本工作原理可用圖3-193-19表示出來(lái)。表示出來(lái)。 圖圖3-19 3-19 接近式位置傳感器工作原理接近式位置傳感器工作原理181 1電磁式傳感器電磁式傳感器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

13、電路路輸輸出出電電路路高頻振蕩電路在檢測(cè)部分有檢測(cè)線圈，檢測(cè)對(duì)象高頻振蕩電路在檢測(cè)部分有檢測(cè)線圈，檢測(cè)對(duì)象為金屬體。當(dāng)開(kāi)關(guān)接近金屬體時(shí)，檢測(cè)線圈的電為金屬體。當(dāng)開(kāi)關(guān)接近金屬體時(shí)，檢測(cè)線圈的電感量發(fā)生變化，使振蕩回路停振，檢測(cè)出這一停感量發(fā)生變化，使振蕩回路停振，檢測(cè)出這一停振變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)。振變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)。192 2電容式傳感器電容式傳感器 電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開(kāi)關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、電電容式接近開(kāi)關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。平時(shí)檢測(cè)電放大電路、整形電路及輸出電路組

14、成。平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測(cè)物體接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)物體就會(huì)受到靜電感由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)物體就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容測(cè)電極上的電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容C=QC=Q/ /V V，所以電荷的增多，使電容，所以電荷的增多，使電容C C隨之增大，隨之增大，從而有使振蕩電路的從而有使振蕩電路的振蕩減弱，甚

15、至停止振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩。振蕩電路的振振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)后向外輸出關(guān)信號(hào)后向外輸出。20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電容式接近開(kāi)關(guān)在檢測(cè)部分采用導(dǎo)體電極，當(dāng)電電容式接近開(kāi)關(guān)在檢測(cè)部分采用導(dǎo)體電極，當(dāng)電極與被測(cè)物一接近，檢測(cè)部分的導(dǎo)體電極與被測(cè)極與被測(cè)物一接近，檢測(cè)部分的導(dǎo)體電極與被測(cè)對(duì)象之間產(chǎn)生靜電電容變化。利用這一現(xiàn)象制成對(duì)象之間產(chǎn)生靜電電容變化。利用這一現(xiàn)象制成電容式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)出這一電容量的變化，產(chǎn)電容式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)出這一電容量的變化，產(chǎn)生

16、輸出信號(hào)。生輸出信號(hào)。21電感/電容式位置傳感器的特點(diǎn)n電感式只能檢測(cè)電磁材料電磁材料，對(duì)非電磁材料無(wú)能為力；而電容材料幾乎能檢測(cè)所有的固體液體材料。檢檢測(cè)測(cè)物物體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電路路電極板電極板( (檢測(cè)頭檢測(cè)頭) )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電磁電磁式傳式傳感器感器電容電容式傳式傳感器感器22 3 3光電式傳感器光電式傳感器 這種傳感器具有體積小、可靠性高、檢這種傳感器具有體積小、可靠性高、檢測(cè)位置精度高、響應(yīng)速度快、易與測(cè)位置精度高、響應(yīng)速度快、易與TTLTTL及及CM

17、OSCMOS電路兼容等優(yōu)點(diǎn)，它分透光型和反射型兩種。電路兼容等優(yōu)點(diǎn)，它分透光型和反射型兩種。 23n光電傳感器工作原理光電傳感器工作原理 n光電傳感器是通過(guò)把光光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路檢測(cè)電路。n n發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)24在透光型光電傳感器中，在透光型光電傳感器中，發(fā)光器件和受光器件相發(fā)光器件和受光器件相

18、對(duì)放置，中間留有間隙。對(duì)放置，中間留有間隙。當(dāng)被測(cè)物體到達(dá)這一間當(dāng)被測(cè)物體到達(dá)這一間隙時(shí)，發(fā)射光被遮住，隙時(shí)，發(fā)射光被遮住，從而接收器件（光敏元從而接收器件（光敏元件）便可檢測(cè)出物體已件）便可檢測(cè)出物體已經(jīng)到達(dá)。這種傳感器的經(jīng)到達(dá)。這種傳感器的接口電路如圖接口電路如圖3-21所所示。示。圖圖3-21 透光型透光型光電傳感光電傳感器接口電路器接口電路輸出25 反射型光電傳感器發(fā)出的光經(jīng)被測(cè)物反射型光電傳感器發(fā)出的光經(jīng)被測(cè)物體反射后再落到檢測(cè)器件上，由于是檢測(cè)體反射后再落到檢測(cè)器件上，由于是檢測(cè)反射光，所以得到的輸出電流反射光，所以得到的輸出電流IeIe較小。另較小。另外，對(duì)于不同的物體表面，信噪

19、比也不一外，對(duì)于不同的物體表面，信噪比也不一樣，因此，設(shè)定限幅電平就顯得非常重要。樣，因此，設(shè)定限幅電平就顯得非常重要。 3-22 3-22 反射型光電傳感器的應(yīng)用反射型光電傳感器的應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)一樣，不電路結(jié)構(gòu)一樣，不同點(diǎn)同點(diǎn)R2比透光型比透光型要大要大26光光 電電 傳傳 感感 器器27光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用舉例光電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用舉例1. 材料邊的控制材料邊的控制 282 2 高度辨別高度辨別 293. 3. 不合格的檢出不合格的檢出 通過(guò)透光性304. 4. 倉(cāng)庫(kù)門(mén)警衛(wèi)倉(cāng)庫(kù)門(mén)警衛(wèi) 315. 5. 沖壓床安全監(jiān)視沖壓床安全監(jiān)視 327. 7. 物體倒置辨別物體倒置辨別( (不同反光率不同反光率) ) 3

20、38. 8. 自動(dòng)注料（測(cè)距）自動(dòng)注料（測(cè)距） 3410. 10. 進(jìn)出檢測(cè)進(jìn)出檢測(cè) 35 接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用舉例接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用舉例1.1.料位的控制料位的控制 362. 2. 物體的定位物體的定位376. 6. 行程限位行程限位 388. 8. 產(chǎn)品計(jì)數(shù)產(chǎn)品計(jì)數(shù)3910. 10. 采用電容式開(kāi)關(guān)上下限控制采用電容式開(kāi)關(guān)上下限控制40n按照輸出信號(hào)的性質(zhì)分類按照輸出信號(hào)的性質(zhì)分類；可分為開(kāi)關(guān)型(二值型) 、模擬型和數(shù)字型： 傳感器的分類傳感器的分類 41（1）開(kāi)關(guān)量（）開(kāi)關(guān)量（0/1）：位置傳感器）：位置傳感器倉(cāng)倉(cāng)庫(kù)庫(kù)門(mén)門(mén)警警衛(wèi)衛(wèi) 這種“l(fā)”和“0”數(shù)字信號(hào)可直接傳送到微機(jī)進(jìn)行處理，使用方便42（2）

21、模型性傳感器，如電阻應(yīng)變片）模型性傳感器，如電阻應(yīng)變片 43n(3) 數(shù)字型傳感器數(shù)字型傳感器n 數(shù)字型傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類數(shù)字型傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類。n其中計(jì)數(shù)型又稱脈沖數(shù)字型計(jì)數(shù)型又稱脈沖數(shù)字型, 輸出一般是正交脈沖信號(hào)輸出一般是正交脈沖信號(hào)；傳感器所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)，如可用來(lái)檢測(cè)通過(guò)輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)，也可用來(lái)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量。這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)每移動(dòng)一定距離或轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度就會(huì)發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)，例如增量式光電碼盤(pán)和光柵位移增量式光電碼盤(pán)和光柵位移傳感器傳感器。44光柵位移傳感器和光電轉(zhuǎn)速傳感器光柵位移傳感器和光電轉(zhuǎn)速傳感器主光柵主光

22、柵增量式45n 代碼型傳感器又稱編碼器代碼型傳感器又稱編碼器，它輸出的信號(hào)是數(shù)字代碼，每一代碼相當(dāng)于一個(gè)一定的輸入量之值。n絕對(duì)值編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的唯一性，它無(wú)需記憶，無(wú)需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就可以去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了 46（4）集成式數(shù)字信號(hào)）集成式數(shù)字信號(hào):模擬傳感器模擬傳感器+A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器放大及放大及AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)智能壓力網(wǎng)絡(luò)智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器傳感器47第五節(jié)第五節(jié) 模擬型傳感器前期信號(hào)處理模擬型傳感器前期信號(hào)處理 傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，因此必須先將傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，因

23、此必須先將其放大。隨著集成運(yùn)算放大器性能的不斷完善和其放大。隨著集成運(yùn)算放大器性能的不斷完善和價(jià)格的不斷下降，傳感器的信號(hào)放大采用價(jià)格的不斷下降，傳感器的信號(hào)放大采用集成運(yùn)集成運(yùn)算放大器算放大器的越來(lái)越多的越來(lái)越多。 48一、 運(yùn)算放大器基本電路 理想運(yùn)算放大器如圖示 ：n輸入端1是同相輸入端，輸入端2是反相輸入端，3是輸出端。在輸入端口內(nèi)，輸入端1和輸入端2之間存在的電阻稱為輸入電阻。 n理想運(yùn)算放大器有兩個(gè)最重要的性質(zhì)，即輸入電輸入電阻值無(wú)窮大和開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)窮大阻值無(wú)窮大和開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)窮大。 49理想運(yùn)算放大器的特性n因輸入電阻值無(wú)窮大，所以經(jīng)輸入端1和輸入端2的電流無(wú)窮小，進(jìn)而輸入端

24、1和輸入端2之間沒(méi)有電壓降。因此，對(duì)于理想運(yùn)算放大器，有以下三個(gè)關(guān)系同時(shí)成立。n在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時(shí)，反相輸入端與同相輸入端之間是“虛斷”的，圖中用叉表示。進(jìn)入或流出理想運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端的電流總是為零。n在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時(shí)，反相輸入端與同相輸入端之間是“虛通”的，圖中用虛線表示。理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端之間電壓總是為零。n在輸出一側(cè)輸出一側(cè)，輸出電壓Uo可以是電源電壓范圍內(nèi)的任何有限值。50實(shí)際運(yùn)算放大器的特性n理想運(yùn)算放大器是實(shí)際運(yùn)算放大器的模型。n實(shí)際的運(yùn)算放大器具有很高的開(kāi)環(huán)放大倍很高的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)數(shù)（上千倍，但不是任意大） ，輸入

25、端口有很大的輸入電阻大的輸入電阻（兆歐以上，但不是無(wú)窮大）。51單端輸入和雙端輸入n運(yùn)算放大器的輸入方式有單端輸入和雙端輸入兩種。n在單端輸入的情況下，總是一端接輸入信號(hào)，而另一端接地（或通過(guò)電阻接地）。當(dāng)信號(hào)從1端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，稱同相輸入；而當(dāng)信號(hào)從2端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，稱反相輸入反相輸入。n在雙端輸入（也稱為差動(dòng)輸入）的情況下，輸入信號(hào)U1和U2同時(shí)加在同相端1和反相端2上，它的輸入是同相輸入端電壓與反相輸入端電壓之差。Ui=U1-U2n實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器很少開(kāi)環(huán)使用，大都要加上某種反饋電路，構(gòu)成一種輸入-輸出運(yùn)算關(guān)系。 52運(yùn)算放大器的幾種基本應(yīng)用電路

26、 n反相放大器n差動(dòng)放大器 n電荷放大器 n電流-電壓轉(zhuǎn)換器 n比較器 n同相放大器 n電壓-電流轉(zhuǎn)換器 53反相放大器 n因?yàn)閕a0，Ua0，a點(diǎn)是虛地點(diǎn)，而且i1=-i2 n這種情況下這個(gè)放大器成為理想電壓源。如果阻抗Z1和Z2都是純電阻，那么輸出信號(hào)對(duì)于輸入信號(hào)的相移為180 2oi1ZUUZ輸入阻抗低54同相放大器n因?yàn)?于是aiUU=1ao12RUURR2oi1(1)RUUR55電壓跟隨器 n在這種情況下Uo=Ui，而放大倍數(shù)為1，即輸出電壓與輸入電壓幅值相等且極性相同，因此稱之為電壓跟隨器。 56差動(dòng)放大器 n如果令R3=R1，R4=R2，則 242oibia13411RRRUUU

27、RRRR2oibia1RUUUR57電荷放大器q=DFyu58電流-電壓轉(zhuǎn)換器 n很多傳感器以電流方式輸出信號(hào)，往往需轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。圖中所示的電流-電壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能。由于運(yùn)算放大器反相輸入端的電流為零，有 is+ir=0Uo=-isR59電壓-電流轉(zhuǎn)換器 n有時(shí)反過(guò)來(lái)需要把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。如果負(fù)載置于運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中，則負(fù)載電流為n在這種模式下工作時(shí)，必須精心選擇有足夠帶負(fù)載能力的運(yùn)算放大器。 im1UiR60比較器 n圖中的工作方式用于兩個(gè)信號(hào)U1和U2的比較。因?yàn)榉糯笃髟鲆婧芨?，輸入信?hào)之差只需0.1V就能使輸出電壓極性翻轉(zhuǎn)。n實(shí)用中有專門(mén)設(shè)計(jì)的比較器集成電路芯片

28、，具有快速響應(yīng)能力且誤差極小，無(wú)須再用通用運(yùn)算放大器。 61n二、測(cè)量放大器二、測(cè)量放大器同向放大器和跟隨器：輸入阻抗高，能夠把傳感器的輸出信號(hào)都提取出來(lái)差動(dòng)放大器：共模抑制比高、抗干擾能力器 在許多檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，而且在許多檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有放大就需要放大電路具有很高的很高的共模抑制比共模抑制比以及以及高增益高增益、低噪低噪聲和高輸入阻抗聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱為。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)

29、的放大器稱為測(cè)量放測(cè)量放大器或儀表放大器大器或儀表放大器。62112212121112122212()()oofwffowfowUUUUUURRRRUUUURRUUUU)1 ()oofffooffffoowUUUURRRRRUUURRRRRRUUUURRR23332offofUUURRRUURR12211fffoUwRRRUAUURR因此 63n這種電路，只要運(yùn)這種電路，只要運(yùn)放放A A1 1和和A A2 2性能對(duì)稱（主要輸入性能對(duì)稱（主要輸入阻抗和電壓增益對(duì)稱），其漂移將大大減小，具阻抗和電壓增益對(duì)稱），其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗，高共模抑制比，對(duì)微小的差模電

30、有高輸入阻抗，高共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，并適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，壓很敏感，并適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，因而十分適宜于與微小信號(hào)輸出的傳感器配合使因而十分適宜于與微小信號(hào)輸出的傳感器配合使用。用。nRwRw是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，最好用是用來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，最好用多圈多圈電位器電位器。21121oUfffwUAUURRRRR64n 目前，還有許多高性能的專家測(cè)量芯片出現(xiàn)，目前，還有許多高性能的專家測(cè)量芯片出現(xiàn)，如如AD521/AD522AD521/AD522等也是一種運(yùn)放，它比普通運(yùn)放等也是一種運(yùn)放，它比普通運(yùn)放性能優(yōu)良，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。性能優(yōu)

31、良，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。65三、程控增益放大器三、程控增益放大器 當(dāng)模擬信號(hào)送到模數(shù)變換器時(shí)，為減當(dāng)模擬信號(hào)送到模數(shù)變換器時(shí)，為減少轉(zhuǎn)換誤差，少轉(zhuǎn)換誤差， 一般希望送來(lái)的模擬信號(hào)一般希望送來(lái)的模擬信號(hào)在在A/DA/D轉(zhuǎn)換器輸入的允許范圍內(nèi)盡可能大，轉(zhuǎn)換器輸入的允許范圍內(nèi)盡可能大，然而，當(dāng)被測(cè)參量變化范圍較大時(shí)，經(jīng)傳然而，當(dāng)被測(cè)參量變化范圍較大時(shí)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)變化也較大，感器轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)變化也較大，A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差小。因此，如果單純只使用一個(gè)放換誤差小。因此，如果單純只使用一個(gè)放大倍數(shù)的放大器，在進(jìn)行小信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，大倍數(shù)的放大器，在進(jìn)行小信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，就無(wú)法滿足上述要求

32、，將會(huì)引入較大的誤就無(wú)法滿足上述要求，將會(huì)引入較大的誤差。差。根據(jù)測(cè)量范圍選擇放大倍數(shù)根據(jù)測(cè)量范圍選擇放大倍數(shù)0-5KN0-5mv0-5v1024個(gè)數(shù)66 為解決這個(gè)問(wèn)題，工程上常采用為解決這個(gè)問(wèn)題，工程上常采用通過(guò)改通過(guò)改變放大器增益的方法變放大器增益的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同幅度信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同幅度信號(hào)的放大，如萬(wàn)用表、示波器等許多測(cè)量?jī)x器的放大，如萬(wàn)用表、示波器等許多測(cè)量?jī)x器原量程變換等。原量程變換等。 然而，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中，往往然而，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中，往往不希望、有時(shí)也不可能利用手動(dòng)辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)不希望、有時(shí)也不可能利用手動(dòng)辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益變換，增益變換，而希望利用計(jì)算機(jī)采用軟件控制而

33、希望利用計(jì)算機(jī)采用軟件控制的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)變換，具有這種功的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)變換，具有這種功能的放大器就叫能的放大器就叫程控增益放大器程控增益放大器。67圖圖3-263-26即為一利用改變反饋電阻的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)量程即為一利用改變反饋電阻的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)K K1 1閉合，而閉合，而其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，其放大倍數(shù)為其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，其放大倍數(shù)為 （3-363-36）而而當(dāng)當(dāng)K K2 2閉合閉合，K K1 1和和K K3 3斷開(kāi)時(shí)，放大倍數(shù)為斷開(kāi)時(shí)，放大倍數(shù)為 （3-373-37）RRAvf1RRAvf268 選擇不同的開(kāi)

34、關(guān)閉合，即可實(shí)現(xiàn)增益的變選擇不同的開(kāi)關(guān)閉合，即可實(shí)現(xiàn)增益的變換，如果利用軟件對(duì)開(kāi)關(guān)閉合進(jìn)行選擇，即可換，如果利用軟件對(duì)開(kāi)關(guān)閉合進(jìn)行選擇，即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換實(shí)現(xiàn)程控增益變換。圖圖3-26 3-26 程控增益放大器原理圖程控增益放大器原理圖模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)8086121121oUfffwUAUURRRRR23469 利用程控增益放大器與利用程控增益放大器與A/DA/D轉(zhuǎn)換器組合，轉(zhuǎn)換器組合，配合一定的軟件，很容易實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的配合一定的軟件，很容易實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的增益控制或量程變換，間接的提高輸入信增益控制或量程變換，間接的提高輸入信號(hào)的號(hào)的分辨率和靈敏度分辨率和靈敏度；因此，程控增益放；因此，程控增益放大器目前有著極為廣泛的應(yīng)用大器目前有著極為廣泛的應(yīng)用AD521構(gòu)構(gòu)成的成的程控程控增益增益放大放大器器70n 有些測(cè)量放大器，其電路中已將譯有些測(cè)量放大器，其電路中已將譯碼電路和模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合在一起，有的甚碼電路和模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合在一起，有的甚至將設(shè)定增益所需的電阻也