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第三章 传感器及测量系统 3.1 传感器及测量系统概述 在机电一体化产品中，传感器及测量系统是一个十分重要的环节 是获取信息与处理信息的手段 只有在获得既准确又可靠的信息基础上，才能实现自动化，节省能源和原材料，提高机器效率。 信息采集与处理：模拟量←→数字量。A/D转换器、D/A转换器。 发展趋势： (1)集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。 (2)多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能传感器。 (3)智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。 (4)数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。 3.2 模拟量传感器及测量电路 传感器及测量电路：物理量、化学性能→电信号∝F（U，I，f） 模拟量传感：(1)直接传感器； (2)差动传感器（信号相加，干扰相减）；(3)补偿传感器（抗干扰）。 模拟量传感器性能指标：精确度、稳定性、输入/输出特性。 传感检测系统 第一节 传感器 一、传感器分类 四、传感器选用原则 快速、准确、可靠、经济的获取信号 1）足够的量程 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高 3）精度适当、稳定性高 4）反应速度快、工作可靠 5）实用性和适应性强 6）使用经济 第二节 位移测量传感器 一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 ： 当动极板因被测量变化而向上移动使减小时，电容量增大 。 注意：传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。 2. 变面积型电容传感器 ： 原理：它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。 这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大直线位移和角位移。 3．变介质型电容传感器 原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数为的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。 二、电感式传感器被测量转换为电感量变化的装置。变换原理：电磁感应原理。按变换方式的不同分为自感型（可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器）。1、自感型（一）可变磁阻式 1——线圈 2——铁心 3——衔铁 由此可见：只要改变空气隙厚度或改变气隙截面积，即可改变线圈的电感量。 注意：改变空气隙厚度传感器输出特性是非线性的，规定在较小间隙变化范围内工作。 光栅 光栅由标尺光栅和指示光栅组成,两者的光刻密度相同, 它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的,如图3-17所示。持点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。   光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度,P表示栅距,θ表示光栅条纹间的夹角,则有 若P＝0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。 光栅测量系统的基本构成如图3-19所示。   主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。 感应同步器 圆盘式感应同步器如图3-21所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。 （1） 鉴相式。 所谓鉴相式,就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。 即uA=Umsinωt,uB=Umcosωt时,则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图3-22说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。 滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组感应电势就变化了一个周期,即 eA=Ku –Acosθ  式中: ; K——滑尺和定尺的电磁耦合系数；  θ——滑尺和定尺相对位移的折算角。 若绕组的节距为W,相对位移为l,则   同样,当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压UB时,定尺绕组感应电势为 e B=-Ku B sinθ  对滑尺上两个绕组同时加激磁电压,则定尺绕组上所感应的总电势为  e =e A+eB=Ku A cosθ-KuBsinθ