機電一體化檢測傳感器及其接口電路

機電一體化檢測傳感器及其接口電路第一頁，共七十八頁，2022年，8月28日傳感器：把非電量參數(shù)（位移、速度、力、溫度、光、磁、化學量等）轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)（電壓、電流、電阻等）的器件。傳感器輸出量形式:模擬信號、編碼數(shù)字信號（光電）、數(shù)字信號。傳感器靜態(tài)特性：傳感器的輸入-輸出特性是傳感器的基本特性。靜態(tài)特性參數(shù)有線性度、靈敏度、遲滯性、重復性。動態(tài)特性：傳感器對輸激勵響應的特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出能再現(xiàn)輸入的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。

線性曲線動態(tài)響應曲線第二頁，共七十八頁，2022年，8月28日康銅系熱電偶，測量范圍–180~2800℃，最佳測量范圍630~1064℃；鎢錸系熱電偶，在300~2000℃的范圍內(nèi)具有良好的特性；鎳鉻-金鐵熱電偶，在0~-217℃范圍內(nèi)具有良好的特性。3.1溫度傳感器1.熱電偶合金熱電極

連接導線

連接導線

測點

參考點

Vo輸出電壓

圖3-1熱電偶結(jié)構(gòu)第三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖3-2鎧裝熱電偶圖3-3點式熱電偶

熱電偶輸出的電壓是毫伏級小信號，一般需放大為伏級才能被利用，因此需要電壓放大電路。由于集成電路的大量應用，通常都采用運算放大器放大。

第四頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-4熱電偶信號放大電路第五頁，共七十八頁，2022年，8月28日機械系統(tǒng)的傳感器信號一般是低頻率信號；干擾噪聲一般是高頻率段；使用低通濾波器可濾除高頻率噪聲。第六頁，共七十八頁，2022年，8月28日2.熱敏電阻熱敏電阻是一種隨溫度變化其阻值變化的一種電阻；測量范圍為–200~500℃。鉑電阻的精度高但價格高；銅電阻精度稍差但價格低廉；半導體熱敏電阻的特性呈非線性，但體積小、響應快、價格低廉。鉑熱電阻PT100（100歐姆）主要用于-200~650℃范圍測溫；Pt10（10歐姆）主要用于650℃以上范圍的測溫。第七頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-5鉑熱敏電阻圖3-6銅熱敏電阻

圖3-7NTC半導體熱敏電阻圖3-8PTC半導體熱敏電阻

熱敏電阻的電阻變化值首先要經(jīng)變送電路變換為電壓，并進行必要的放大和濾波處理輸出伏級電壓值，才能被后續(xù)電路利用。第八頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-9熱敏電阻信號處理電路第九頁，共七十八頁，2022年，8月28日討論題：熱敏電阻的阻值計算式Rt=R0(1+αt)t：當前溫度；Rt：當前溫度下熱敏電阻的阻值；R0：熱敏電阻在零度時的阻值；α：熱敏電阻的敏感系數(shù)。αpt=0.003850,Rpt0=100.00Ωαcu=0.004280,Rcu0=100.00Ω

分別計算鉑熱電阻和銅熱電阻在50℃時的電阻。并設(shè)計一個鉑熱電阻變送電路,要求其在0℃和50℃時輸出電壓分別為0V和5V電壓值。第十頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.半導體集成溫度傳感器AD590AD590是一種常用的半導體集成溫度傳感器。測溫范圍–55~+150℃，工作電壓+4~+30V，恒流源線性熱敏系數(shù)為,恒流源電流計算公式：I0：溫度為零度時的電流值。第十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日AD590AD590應用電路第十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.2力傳感器力學傳感器的種類：電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。壓阻式壓力傳感器應用最為廣泛，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。第十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.2.1金屬電阻應變片式力傳感器

圖3-10金屬電阻應變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.金屬電阻應變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日2.電阻應變片的工作原理金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m）

S——導體的截面積（cm2）

L——導體的長度（m）

以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。

第十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.測量電橋

由應變片作為橋臂而組成的電橋稱為測量電橋。若測量電橋的輸入電壓為U0，輸出電壓為?U，各橋臂的電阻分別為R1、R2、R3和R4，則測量電橋靈敏度K第十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-11雙臂工作的半橋接法圖3-12四臂工作的全橋接法R1=R2=R3=R3=R第十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日某些固體材料受到外力的作用后，除了產(chǎn)生變形，其電阻率也要發(fā)生變化，這種由于應力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應”。利用壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。優(yōu)點：

1.體積小而靈敏高；

2.頻率響應范圍寬、半導體集成化制造；

缺點：靈敏系數(shù)隨溫度變化較大3.2.2半導體應變式力傳感器

第十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.3位移測量傳感器

位移測量傳感器是線性位移和角位移測量的總稱，位移測量在機電一體化領(lǐng)域中應用十分廣泛。常用直線位移測量傳感器有：電感傳感器、電容傳感器、感應同步器、光柵傳感器等；常用角位移傳感器有：電容傳感器、光電編碼盤等。位移測量傳感器的種類：電容位移傳感器氣隙電感位移傳感器差動變壓器結(jié)構(gòu)電感式位移傳感器第十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.3.1電容位移傳感器

電容式傳感器的工作原理式中

ε0—真空介電常數(shù)，等于8.85×10-12F/mεr—極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)

A—極板的有效面積(mm2)；

δ—兩極板間的距離(mm)。

圖3-13變極距型電容傳感器原理圖第二十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

當動極板因被測量變化而向左移動使δ0減小△δ時，電容量增大△C。則有

變極距電容傳感器的初始電容C0可由下式表達

傳感器輸出特性C=f(δ)是非線性的

電容位移傳感器第二十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.3.2氣隙電感位移傳感器

電感式傳感器工作原理，電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強，但它的動態(tài)響應慢，不宜作快速動態(tài)測試。由物理學磁路知識，線圈的自感系數(shù)為

式中W—線圈匝數(shù)；

RM—磁路總磁阻。1－線圈2－鐵心3－銜鐵4－測桿5－被測件圖3-14自感式傳感器原理圖第二十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

當鐵心與銜鐵之間有一很小空氣隙δ時，可以認為氣隙間磁場是均勻的，磁路是封閉的。不考慮磁路損失時，總磁阻為:

考慮到鐵磁材料的磁導率μi比空氣磁導率μ0大得多，計算總磁阻時，第一項可忽略不計，則:

第二十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.3.3差動變壓器結(jié)構(gòu)電感式位移傳感器

差動變壓器有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架。初級線圈的激勵電壓為e1，在次級線圈中感應出電壓e21和e22。圖3-15差動變壓器等效電路第二十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-16全波整流電路圖圖3-17全波整流電路波形圖第二十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-18差動變壓器輸出電壓-位移圖圖3-19差動結(jié)構(gòu)電感式位移傳感器第二十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.3.4渦流電感式位移傳感器

圖3-20電渦流的形成圖3-21電渦流位移傳感器

線圈通入交變電流I，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場H1；位于該磁場中的金屬導體上產(chǎn)生感應電動勢并形成渦流；渦流也產(chǎn)生相應的磁場H2，H2與H1方向相反。第二十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-22電渦流位移傳感器輸出電壓-位移曲線第二十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日電感式接近開關(guān)第二十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日接近開關(guān)的工作原理及接線圖第三十頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.4光電傳感器

光電傳感器的種類：發(fā)光二極管激光二極管光敏二極管光敏三極管光電耦合電路光電開關(guān)傳感器

第三十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日1.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管也是一個PN結(jié)，具有普通二極管的通性，只是它透明封裝。發(fā)光二極管采用砷化鎵（紅外光）、磷化鎵（綠色光）、鎵鋁砷（紅色）等材料組成。

圖3-23發(fā)光二極管圖3-24

發(fā)光二極管的符號第三十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日發(fā)光二極管的主要參數(shù)：最大工作電流：發(fā)光二極管長期工作時所允許通過的最大電流（30~50mA）。正向電壓：通過規(guī)定的正向電流時，發(fā)光二極管兩端產(chǎn)生的正向電壓。第三十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日2.激光二極管

改變激光二極管兩端電壓，使流過二極管的電流逐漸加大，當電流超過某一值時，管子的輸出功率就急劇變化，產(chǎn)生激光振蕩。

a）激光二極管b）激光二極管發(fā)光示意圖圖3-25激光二極管第三十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.光敏二極管

光敏二極管是一種光電轉(zhuǎn)換器件。它也是PN結(jié)，具有普通二極管的特性，但有一個透明受光窗口。光敏二極管的特性是在兩端加正向電壓時，其PN結(jié)受光照射后，其電流隨光照強度的變化而變化。

圖3-26光敏二極管圖3-27光敏二極管符號第三十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-28光敏二極管信號處理電路第三十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日4.光敏三極管光電三極管具有普通三極管的特性，但其基區(qū)面積較大以接收光線照射。光敏三極管的主要參數(shù)：最高工作電壓：在無光照下，集電極電流為規(guī)定值時，集電極與發(fā)射極間的電壓。暗電流：在無光照下，集電極與發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時，流過集電極的電流。光電流：在規(guī)定電壓下，及規(guī)定光照時，流過集電極的電流。

圖3-27光敏三極管圖3-28光敏三極管符號第三十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日5.光電耦合電路發(fā)光二極管和光敏三極管常被用來做光電耦合隔離電路。

圖3-31光電耦合集成電路圖3-32光電耦合電路符號第三十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-33光電耦合電路應用第三十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日6.光電開關(guān)傳感器

由振蕩調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制脈沖驅(qū)動LED光發(fā)射到被測物體表面并反射，反射光被光敏三極管接收，經(jīng)放大整形解調(diào)后輸出電平信號。

圖3-35反射式光電開關(guān)工作原理第四十頁，共七十八頁，2022年，8月28日光電開關(guān)的工作原理及電路圖第四十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

a）反射式光電開關(guān)b）反射式光纖光電開關(guān)圖3-34光電開關(guān)第四十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日光電開關(guān)的應用例倉庫安全防護

電梯運轉(zhuǎn)控制第四十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.5光電編碼器增量式光電編碼器構(gòu)成及原理絕對式光電編碼器構(gòu)成及原理增量式光電編碼器計數(shù)電路第四十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.5.1增量式光電編碼器構(gòu)成及原理

增量式光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。

第四十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-37單路光電碼盤脈沖VO圖3-36單路光電碼盤原理

第四十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-38雙路光電碼盤原理

VAVB圖3-39雙路光電碼盤脈沖第四十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖3-40光電碼盤正反轉(zhuǎn)時輸出脈沖信號的時序圖特征AB正向旋轉(zhuǎn)

反向旋轉(zhuǎn)第四十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日光電編碼器的測量準確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，能分辨的角度α為：

α=360°/n（3-28）分辨率=1/n（3-29）例如：碼盤邊緣的透光槽數(shù)為1024個，則能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。

光柵盤的柵數(shù)增加到300，500，1000，則將一周分為300份，500份，1000份，光電編碼器的測角精度就會分成不同的精度等級。第四十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖3-41光電編碼器第五十頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.5.2絕對式光電編碼器構(gòu)成及原理圖3-42絕對式光電編碼器二進制碼盤

最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。圓盤劃分16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應一個4位二進制數(shù)，如0000、0001、…、1111。第五十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日第五十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日絕對式光電編碼器的特點

1.可以直接讀出角度坐標的絕對值；

2.沒有累積誤差；

3.電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。第五十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.5.3增量式光電編碼器計數(shù)電路1．增量光電編碼器的方向判斷 軟件判斷 硬件判斷方向判別集成電路ST288A 8腳雙列直插集成電路圖3-43方向判別集成電路ST288A第五十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-44ST288A輸入輸出信號時序圖

第五十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日組合方向判別電路信號波形時序圖第五十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日2.光電編碼器計數(shù)電路CU：加計數(shù)時鐘CD：減計數(shù)時鐘P0，P1，P2，P3：四位預置數(shù)PL：預置操作QA，QB，QC，QD：四位計數(shù)值TCU：進位輸出TCD：借位輸出MR：清零操作3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA圖3-45雙時鐘可預置加減計數(shù)器74LS193第五十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日74LS193封裝形式第五十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA表3-174LS193真值表CU(加計數(shù)時鐘)CD(減計數(shù)時鐘)PL(預置輸入)MR(清零輸入)操作功能↑HHL加計數(shù)↓HHL不計數(shù)H↑HL減計數(shù)H↓HL不計數(shù)XXLL預置XXXH清零

↑：上升沿；↓：下降沿；H：高電平；L：低電平；X：忽視第五十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖3-46增量式光電編碼器8位上電清零計數(shù)電路第六十頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖3-47增量式光電編碼器8位上電預置計數(shù)電路第六十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日第六十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日進給手柄刻度盤200格，每格代表0.01mm。每格的角度為1.8度。經(jīng)驗表明，這樣小的角度很難用手控制準確。光電編碼器的安裝位置比較靈活，但多數(shù)情況是和電機軸同軸。在數(shù)控機床的進給系統(tǒng)中得到大量應用。第六十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日第六十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日第六十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日光柵尺第六十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日第六十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日3.6電流環(huán)信號傳輸圖3-48電流環(huán)傳輸?shù)淖儞Q模擬電壓信號傳輸：

則容易受到周圍磁場的干擾，傳輸距離較短（5米）。4~20mA電流環(huán)傳輸：不易被周圍磁場干擾，傳輸距離則可以達數(shù)百米。電壓電流變換：0~10V?4~20mA第六十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖3-49電壓電流轉(zhuǎn)換器件型號及定義圖3-5