机电一体化系统设计：第3章 检测传感器及其接口电路
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1、3.5 光电编码器光电编码器3.2 力传感器力传感器3.1 温度传感器温度传感器第第 3 章章 检测传感器及其接口电路检测传感器及其接口电路3.3 位移测量传感器位移测量传感器3.4 光电传感器光电传感器3.6 电流环信号传输电流环信号传输3.7 运算放大器的基本电路运算放大器的基本电路传感器：传感器：把非电量参数（位移、速度、力、温度、光、磁、化学量等）转化为电量参数（电压、电流、电阻等）的器件。传感器输出量形式传感器输出量形式: : 模拟信号、编码数字信号（光电）、数字信号。传感器静态特性：传感器静态特性：传感器的输入-输出特性是传感器的基本特性。静态特性参数有线性度、灵敏度、迟滞性、重复
2、性。动态特性：动态特性：传感器对输激励响应的特性。一个动态特性好的传感器，其输出能再现输入的变化规律，即具有相同的时间函数。o x y max Actual curve Theoretical line o x y trs(上 升 时 间 ) tst(响 应 时 间 ) 线性曲线动态响应曲线 康铜系热电偶，测量范围 1802800 ，最佳测量范围 6301064； 钨铼系热电偶，在3002000的范围内具有良好的特性； 镍铬-金铁热电偶，在 0 -217范围内具有良好的特性。3.1 温度传感器温度传感器1.1.热电偶热电偶合金热电极 连接导线 连接导线 测点 参考点 Vo输出电压 图3-1 热
3、电偶结构 图3-2 铠装热电偶 图3-3 点式热电偶 热电偶输出的电压是毫伏级小信号，一般需放大为伏级才能被利用，因此需要电压放大电路。由于集成电路的大量应用，通常都采用运算放大器放大。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Oct-2010Sheet of File:E:教 学 文 件 机 电 一 体 化 课 程 2010机 制 07教 案 MyDesign.ddbDrawn By:3261874 热电偶信号处理电路-15V+15VRf33KR21KR11KVo= (1+Rf/R1)*Vi=34*Vi12J2(热 电 偶 接
4、口 ) 123J1(电 源 接 口 ) 12J3(信 号 输 出 接 口 ) R3100KC10.1uF+15V-15V图3-4 热电偶信号放大电路2.2.热敏电阻热敏电阻热敏电阻是一种随温度变化其阻值变化的一种电阻；测量范围为 200500。铂电阻的精度高但价格高；铜电阻精度稍差但价格低廉；半导体热敏电阻的特性呈非线性，但体积小、响应快、 价格低廉。 铂热电阻PT100（100欧姆）主要用于-200650范围测温； Pt10（10欧姆）主要用于650以上范围的测温。 图3-5 铂热敏电阻 图3-6 铜热敏电阻 图3-7 NTC半导体热敏电阻 图3-8 PTC半导体热敏电阻 热敏电阻的电阻变化
5、值首先要经变送电路变换为电压，并进行必要的放大和滤波处理输出伏级电压值，才能被后续电路利用。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-May-2011 Sheet of File:E:教学文件机电一体化教材机电一体化课程2010机制07教案MyDesign.ddbDrawn By:R210KR1100R310KRt(100)+5V3261874 热 敏电 阻 信号 处理 电 路-15v+15vRf120KR51KR41KRf220KR6100KC10.1uF3261874 OP-07(正 向输 入 比例 放大 电 路)-15v+15
6、vRf320KR81KR71KR9100KC20.1uF12J2(信号输出接口) 123J1(电源接口) +15V-15V图3-9 热敏电阻信号处理电路 讨论题：讨论题：热敏电阻的阻值计算式 Rt=R0(1+ t) t：当前温度；Rt：当前温度下热敏电阻的阻值；R0：热敏电阻在零度时的阻值；：热敏电阻的敏感系数。pt=0.003850 , Rpt0 =100.00cu=0.004280 , Rcu0 =100.00 分别计算铂热电阻和铜热电阻在50时的电阻。并设计一个铂热电阻变送电路,要求其在0和50时输出电压分别为0V和5V电压值。3.3.半导体集成温度传感器半导体集成温度传感器AD590A
7、D590AD590 是一种常用的半导体集成温度传感器。测温范围 55 +150，工作电压 +4 +30V， 恒流源线性热敏系数为 ,恒流源电流计算公式：I0：温度为零度时的电流值。tII0AD590 AD590应用电路tII03.2 力传感器力传感器 力学传感器的种类：力学传感器的种类：电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。 压阻式压力传感器应用最为广泛，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。3.2.1 3.2.1 金属电阻应变片式力传感器金属电阻应变片式力传感器 图3-10 金属电
8、阻应变片的内部结构1. 1. 金属电阻应变片的内部结构金属电阻应变片的内部结构 2. 2. 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：SLR式中：金属导体的电阻率（cm2/m） S导体的截面积（cm2） L导体的长度（m） 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会
9、减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 3. 3. 测量电桥测量电桥 由应变片作为桥臂而组成的电桥称为测量电桥。若测量电桥的输入电压为U0，输出电压为U，各桥臂的电阻分别为R1、R2、R3和R4，则)(4443322110RRRRRRRRUU测量电桥灵敏度K )(/14/443322110RRRRRRRRRRURRUK图3-11 双臂工作的半桥接法 图3-12 四臂工作的全桥接法 R1=R2=R3=R3=R RRRU400UK 某些固体材料受到外力的作用后，除了产生变形，其电阻率也要发生变化，这种由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为“
10、压阻效应”。利用压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。 优点：优点： 1.体积小而灵敏高； 2. 频率响应范围宽、半导体集成化制造； 缺点：缺点： 灵敏系数随温度变化较大3.2.2 3.2.2 半导体应变式力传感器半导体应变式力传感器 3.3 位移测量传感器位移测量传感器 位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量传感器是线性位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用直线位移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、移测量传感器有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等；常用角位移传感器有：
11、电容传感器、光电光栅传感器等；常用角位移传感器有：电容传感器、光电编码盘等。编码盘等。位移测量传感器的种类：位移测量传感器的种类：电容位移传感器气隙电感位移传感器 差动变压器结构电感式位移传感器 3.3.1 3.3.1 电容位移传感器电容位移传感器 电容式传感器的工作原理式中 0真空介电常数，等于8.8510-12F/m r极板间介质的相对介电常数 A极板的有效面积(mm2)； 两极板间的距离(mm)。 图3-13 变极距型电容传感器原理图ACr0)/1 (100000CACCr 当动极板因被测量变化而向左移动使0减小时，电容量增大C。则有 变极距电容传感器的初始电容C0可由下式表达 000A
