第四章机电一体化检测系统 第一节概述 检测系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，是用于检测相关外界环境及产品自身状 态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。机电一体化系统中，检测系统所测试的物 理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。由于机电一体化系统是以电信 号为信息传输和处理的媒体，且控制系统的输入接口往往规定了特定的信号形式（如数字信号 直流信号、开关信号)，因此，检测系统通常要用传感器将被测试的物理量变为电量，再经过变 换、放大、调制、解调、波等电路处理后才能得到控制系统（或显示、记录等仪器）需要的信 号。本章重点介绍各种机电一体化系统中常见物理量检测的方法和测试系统的工作原理以及传感 器的信号处理、接口技术等。 一、检测系统的组成 机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式，非电量的检测系统系统有 两个重要环节： 1、把各种非电量信息转换为电信号。这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。 2、对转换后的电信号讲行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，这叫 作电信号处理系统，通常被称为二次仪表。机电一体化系统一般采用计算机控制方式，因此，电 信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。综上所述，非电量检测系统的结构形式 如图41所示。 光声 北声 丰电 转换成 「传输运门 数字 转镜成 位移 处理救人 驱过 文字 偿号 信号 电信号 位号 电信号 被淇物理址 传感器 以计算机为中心的电信号处理系 行设备 图41非电量检测系统的结构形式 对于电量检测系统，只保留了电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。 二、传感器的概念及基本特性 传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、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。通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器 的特性（静态特性和动态特性）是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能和精度。 1、传感器的构成 传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图4-2所示。 “贸阳钢 图4-2传感器组成框图
1 第四章 机电一体化检测系统 第一节 概 述 检测系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，是用于检测相关外界环境及产品自身状 态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。机电一体化系统中，检测系统所测试的物 理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。由于机电一体化系统是以电信 号为信息传输和处理的媒体，且控制系统的输入接口往往规定了特定的信号形式（如数字信号、 直流信号、开关信号），因此，检测系统通常要用传感器将被测试的物理量变为电量，再经过变 换、放大、调制、解调、滤波等电路处理后才能得到控制系统（或显示、记录等仪器）需要的信 号。本章重点介绍各种机电一体化系统中常见物理量检测的方法和测试系统的工作原理以及传感 器的信号处理、接口技术等。 一、检测系统的组成 机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式，非电量的检测系统系统有 两个重要环节： 1、把各种非电量信息转换为电信号。这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。 2、对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，这叫 作电信号处理系统，通常被称为二次仪表。机电一体化系统一般采用计算机控制方式，因此，电 信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。综上所述，非电量检测系统的结构形式 如图 4-1 所示。 图 4-1 非电量检测系统的结构形式 对于电量检测系统，只保留了电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。 二、传感器的概念及基本特性 传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、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。通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器 的特性（静态特性和动态特性）是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能和精度。 1、传感器的构成 传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图 4-2 所示。 图 4-2 传感器组成框图
(1)敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测测量的物理量的预变换装置，而输入、输出 间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 (2)传感元件 是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形 式。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件。 (3)基本转换电路将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 有些传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感 元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件利 基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换 才能输出电量。大多数传成器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。 2、传感器的静态特性 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特 性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。 (1)线性度传感器的静态特性是在静态标准条件下.利用一定等级的标准设各，对传感翠 进行往复循环测试，得到输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性 这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差， 如图4-3所示。实际曲线与其两个端尖连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误 差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标 XES 图4-3传成器线性度示意图 1、实际曲线 2、理想曲线 YL=±器×100% (4-1) 式中：L一一线性度（非线性误差）： △max 一最大非线性绝对误差： 一输出满度值。 (2)灵敏度传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用S0表 示，即 (4-2) 对于线性传感器来说，它的灵敏度$0是个常数。 (3)迟滞传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出/输入特性曲线的不重合程 度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出y的百分数表示 YA=兴×100%或y4=±号兴x100% (4-3) 式中△Hm一—输出值在正、反行程间的最大差值。 2
2 （1）敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，而输入、输出 间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 （2）传感元件 是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形 式。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件。 （3）基本转换电路 将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 有些传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感 元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和 基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换 才能输出电量。大多数传感器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。 2、传感器的静态特性 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特 性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。 （1）线性度 传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器 进行往复循环测试，得到输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性， 这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差， 如图 4-3 所示。实际曲线与其两个端尖连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误 差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。 图 4-3 传感器线性度示意图 1、实际曲线 2、理想曲线 L = y max FS 100% （4-1） 式中： L ——线性度(非线性误差)； max ——最大非线性绝对误差； yFS——输出满度值。 （2）灵敏度 传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用 S0 表 示，即 x y S = = 输入量的变化量 输出量的变化量 0 (4-2) 对于线性传感器来说，它的灵敏度 S0 是个常数。 （3）迟滞 传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程 度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出 yFS的百分数表示 = 100% = 1 2 100% FS m FS m y H y H H H 或 (4-3) 式中 △Hm——输出值在正、反行程间的最大差值
迟滞特性一般由实验方法确定，如图4-4所示。 (4)重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时 所得输出/输入曲线的不一致程度，称重复性如图4-5表示。重复性误差用满量程输出的百分数表 示，即 7R=±8x100% (4-4) 式中△Rm一一输出最大重复性误差： 重复特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。如图4-5表示。 图44迟滞特性 图45重复特性 (5)分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为闵 值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。 (6)漂移 由于传感器内部因素或外界干扰的情况下 传感器的输出变化称为漂移。当输 入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其它因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称 为时间源移：随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。 (7)精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来 确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试 仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5级。精度等级 ($)的确定方法是：首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标 准等级值即为该仪器的精度等级。 3、传感器的动态特性 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。传感器测量静态信号时，由 于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。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，还要显示被测量时间变换的规律。 即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性好的传感器，其输出量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，由此引起动态误差。 动态特性参数一般都用阶跃信号输入状态下的输出特性和不同频率信号输入状态下的幅值变 化和相位变化表达。 三、信号传输与处理电路 传感器输出信号一般比较微弱(mV、uV级)，有时夹杂其它信号（干扰或载波），因此 在传输过程中，需要依据传感器输出信号的具体特征和后端系统的要求， 对传感器输出信号进行 各种形式的处理，如阻抗变换，电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、AD和DA
3 迟滞特性一般由实验方法确定，如图 4-4 所示。 （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，称重复性如图 4-5 表示。重复性误差用满量程输出的百分数表 示，即 = 100% FS m y R R (4-4) 式中 Rm ——输出最大重复性误差； 重复特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。如图 4-5 表示。 图 4-4 迟滞特性 图 4-5 重复特性 （5）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈 值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。 （6）漂移 由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输 入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其它因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称 为时间漂移；随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。 （7）精度 表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来 确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试 仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5 级。精度等级 （S）的确定方法是：首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标 准等级值即为该仪器的精度等级。 3、传感器的动态特性 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。传感器测量静态信号时，由 于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。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，还要显示被测量时间变换的规律， 即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性好的传感器，其输出量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，由此引起动态误差。 动态特性参数一般都用阶跃信号输入状态下的输出特性和不同频率信号输入状态下的幅值变 化和相位变化表达。 三、信号传输与处理电路 传感器输出信号一般比较微弱（mV、uV 级），有时夹杂其它信号（干扰或载波），因此， 在传输过程中，需要依据传感器输出信号的具体特征和后端系统的要求，对传感器输出信号进行 各种形式的处理，如阻抗变换，电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、A/D 和 D/A
等，同时还要考虑在传输过程中可能受到的干扰影响，如噪声、温度、湿度、磁场等，采取一定 的措施，传感器信号处理电路的内容要依据被测对象的特点和环境条件来决定。 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括 (1)传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。 (2)传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出 (3)传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。 (4)传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率 由于电子技术的发展和微加工技术的应用，现在的许多传感器中已经配置了部分处理电路 (或配置有专用处理电路)，大大简化了设计和维修人员的技术难度。如反射式光电开关传感器 中集成了逻辑控制电路压力传感器的输出连接专用接口处理电路后可以直接输送给AD:光电 编码传感器的输出是5V的脉冲信号，可以直接传送给计算机。 第二节位移检测 位移测量是线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化制造系统中应用十分广 泛，这不仅因为在各种机械加工中位置确定和加工尺寸的需要，而且还因为速度、加速度等参数 的检测都可以借助测量位移的方法。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。 微位移检测传感器包括：应变式传感器、电容式传感器、电感传感器。 一般位移传感器主要有：电感传感器、 电容传感器、感应同步器、 光枥传感器、磁栅传感 器、旋转变压器和光电编码盘等。其中，旋转变压器和光电编码盘只能测试角位移，其它几种传 感器既有直线型位移传感器又有角度型位移传感器。 位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器输出是以幅值形式表示 输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等：数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少 表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的 编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。 一、模拟式位移传感器 由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器 测量位移的原理。 电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。 按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流 式。互感型又称为差动变压器式。 1、可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图46所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成 在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙δ，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位 移时，活动衔铁随着移动，空气隙发生变化，引起磁阻变化， 从而使线圈的电感值发生变化 图4-6可变磁阻式电感传感器 1-线圈：2-铁心：3-活动衔铁：4测杆：5被测件 4
4 等，同时还要考虑在传输过程中可能受到的干扰影响，如噪声、温度、湿度、磁场等，采取一定 的措施，传感器信号处理电路的内容要依据被测对象的特点和环境条件来决定。 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括： （1）传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。 （2）传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出 （3）传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。 （4）传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。 由于电子技术的发展和微加工技术的应用，现在的许多传感器中已经配置了部分处理电路 （或配置有专用处理电路），大大简化了设计和维修人员的技术难度。如反射式光电开关传感器 中集成了逻辑控制电路；压力传感器的输出连接专用接口处理电路后可以直接输送给 A/D；光电 编码传感器的输出是 5V 的脉冲信号，可以直接传送给计算机。 第二节 位移检测 位移测量是线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化制造系统中应用十分广 泛，这不仅因为在各种机械加工中位置确定和加工尺寸的需要，而且还因为速度、加速度等参数 的检测都可以借助测量位移的方法。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。 微位移检测传感器包括：应变式传感器、电容式传感器、电感传感器。 一般位移传感器主要有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感 器、旋转变压器和光电编码盘等。其中，旋转变压器和光电编码盘只能测试角位移，其它几种传 感器既有直线型位移传感器又有角度型位移传感器。 位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器输出是以幅值形式表示 输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等；数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少 表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的 编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。 一、 模拟式位移传感器 由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器 测量位移的原理。 电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。 按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流 式。互感型又称为差动变压器式。 1、可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图 4-6 所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。 在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙 ，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位 移时，活动衔铁随着移动，空气隙 发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。 图 4-6 可变磁阻式电感传感器 1-线圈 ； 2-铁心； 3-活动衔铁； 4-测杆； 5-被测件
当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻R,有关，即 L=W2/R (4-5 式中W一一线圈匝数： R一一总磁阻。 如果空气隙6较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为 Rm= 40A6 (4-6 式中L一铁心导磁长度(m): 4一铁心导磁率(H/m): A一铁心导磁截面积(m2) A=a×b 6一一空气隙(m),6=6,±△ 4一空气磁导率(H/m)，4,=2×10 A一空气隙导磁截面积(m2)。 由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁心的磁阻可以忽略不计，故 R≈h0 (4-7) 将式(4-7)代入式(4-5)，得 L=W'u (4-8) 式(4-8)表明，自感L与空气隙ò的大小成反比，与空气隙导磁截面积A。成正比。当A 固定不变，改变6时，L与6成非线性关系，此时传感器的灵敏度 S=张=一2 282 (4-9) 由式(4-9)得知，传感器的灵敏度与空气隙6的平方成反比，6愈小，灵敏度愈高。由于S不是 常数，故会出现非线性误差，同变极距型电容式传感器类似。为了减小非线性误差，通常规定传感 器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取△6/6。≤0.1。这种传感器适用于较小位 移的测量，一般为0.001一1mm。此外，这类传感器还常采用差动式接法。图4-7为差动型磁阻式传 感器，它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时，两 线圈的自感L相等，输出为零。当衔铁有位移△6时，两个线圈的间隙为6。+△6、6。一△6，这表 明一个线圈自感增加，而另一个线圈自感减小，将两个线圈接入电桥的相邻臂时，其输出的灵敏度 可提高一倍，并改善了线性特性，消除了外界干扰 可变磁阻式传感器还可做成如图4-8所示改变空气隙导磁截面积的形式，当固定6，改变空 气隙导磁截面积A时，自感L与A呈线性关系
5 当线圈通以激磁电流时，其自感 L 与磁路的总磁阻 R m 有关，即 L W Rm / 2 = （4-5） 式中 W——线圈匝数； Rm——总磁阻。 如果空气隙 较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为 0 0 2 A A l Rm = + （4-6） 式中 L--铁心导磁长度（m）； --铁心导磁率（H/m）； A--铁心导磁截面积（m2）； — —空气隙（ ），＝ ； = m 0 A a b; 0 --空气磁导率（H／m）， 0 = 2 10−7 ； A0--空气隙导磁截面积（m2）。 由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁心的磁阻可以忽略不计，故 0 0 R 2 A （4-7） 将式(4-7)代入式(4-5)，得 2 0 0 2 W A L = （4-8） 式（4-8）表明，自感 L 与空气隙 的大小成反比，与空气隙导磁截面积 A0 成正比。当 A0 固定不变，改变 时，L 与 成非线性关系，此时传感器的灵敏度 2 0 0 2 2 W A d dL S = = − （4-9） 由式(4-9)得知，传感器的灵敏度与空气隙 的平方成反比， 愈小，灵敏度愈高。由于 S 不是 常数，故会出现非线性误差，同变极距型电容式传感器类似。为了减小非线性误差，通常规定传感 器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取 / 0 0.1 。这种传感器适用于较小位 移的测量，一般为 0.001～1mm。此外，这类传感器还常采用差动式接法。图 4-7 为差动型磁阻式传 感器，它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时，两 线圈的自感 L 相等，输出为零。当衔铁有位移 时，两个线圈的间隙为 0 + 、 0－ ，这表 明一个线圈自感增加，而另一个线圈自感减小，将两个线圈接入电桥的相邻臂时，其输出的灵敏度 可提高一倍，并改善了线性特性，消除了外界干扰。 可变磁阻式传感器还可做成如图 4-8 所示改变空气隙导磁截面积的形式，当固定 ，改变空 气隙导磁截面积 A0 时，自感 L 与 A0 呈线性关系