机电一体化系统设计检测系统设计传感器.ppt
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1、第二章 检测系统设计,机电一体化一体化系统检测系统实质:,2.1 传感器的定义,定义:是一种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之能确定对应关系的,易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。,2.2 传感器的组成,传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成,敏感元件:直接感受被测量,并以确定关系输出某一物理量,如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出,光敏、热敏、气敏、湿敏、温敏、磁敏等 转换元件:将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电参数(如电阻、电感、电容等) 基本转换电路:将电路参数量转换成便与测量的电量,如电压、电流、频率
2、等,传感器的功能及分类,按工作原理不同分类,按输出信号性质分类,压阻式液位传感器,光敏传感器,温度传感器,压力传感器,液位传感器,电阻式远传压力表,感应式流量表,称重 传感器,CCD传感器,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声 传感器,测量条件,测量的目的;测定量的选定;测量的范围;输入信号的带宽;要求的精度;测量所需时间等,传感器的性能,传感器的使用条件,精度;响应速度;稳定性;模拟还是数字信号;输出量及电平;被测对象特征的影响;校准周期;过载输入保护等,放置的场所;环境(温度、湿度、振动);测量的时间(寿命周期);传输距离;与设备连接方式;供电电源;价格,
3、传感器的选用,传感器千差万别,测量同一种测定量,可以采用不同工作原理的传感器,注意以下几个方面:,2.3 传感器的基本特性,1. 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下,传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。,二、传感器的基本特性,(1)、线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比,即,几种直线拟合方法 (a) 理论拟合 (b) 过零旋转拟合 (c) 端点连线拟合 (d) 端点平移拟合,即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多
4、, 用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。,拟合直线方程 y=k+b x 设有n对测量数据(xi,yi), 用直线方程y= k +bx拟合, 根据测量数据值, 求方程中系数k 、b的最佳估计值。 可应用最小二乘法原理, 使各测量数据点yi与直线输出偏差的平方和为最小。,二、传感器的基本特性,(2)、灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下,输出量的变化量与输入量的变化量之比,即,可见,传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器,其特性曲线的斜率处处相同,灵敏度k是一常数,与输入量大小无关。,二、传感器的基本特性,(3)、迟滞 传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中
5、,输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,迟滞大小用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比表示,迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷,如轴承摩擦,间隙,螺钉松动,元件腐蚀及灰尘等 。,式中: Hmax正反行程输 出值间的最大差值。,(4)、重复性 传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作 全量程连续多次重复测量时,所得输出输入曲线 的不一致程度,称重复性。,重复性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。重复性误差属于随机误差, 常用标准偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即,传感器测
6、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。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,其动态特性参数如:最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。,2. 传感器的动态特性,动特性中输出量与输入量的关系不是一个定值,而是时间的函数。输出量随输入量的频率的变化而变化。表征传感器动特性输入量与输出量的关系方法是微分方程和传递函数。,标准输入有三种:,经常使用的是前两种。,正弦变化的输入 阶跃变化的输入 线性输入,2.4 传感器的基本转换电路 1.电阻型,1)分压电路 用得极为广泛。,分压电路控制的自动灯光启闭系统,2
7、) 桥式电路 阻抗Z1,Z2,当测量发生变化时,Z1变化,此时用控制器控制Z2变化,使输出为零,可以实现电脑自动测量。,3) 信号放大电路,(3) 高输入阻抗放大器 虚短,虚断,”虚地”,为保证共模抑制比,要配出(U2-U1)的因子项,(4) 高共模抑制比放大器,当只有共模信号,共模抑制比无穷大,半波调幅,全波调幅,包络检波,信号处理电路 滤波器,功能与类型 一阶有源滤波器 二阶有源滤波器,1、 滤波器的功能:对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号,保留下有用信号。 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统,具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。,滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的
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