大学精品课件:第四章传感器1.ppt
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- 大学 精品 课件 第四 传感器
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1、计算机测控技术,测控系统常用传感器,传感器概述,传感器的定义 把非电量或电量信号转换为标准电信号输出的装置;是测控系统获取原始信息的工具 获取和转换信息的工具: 信息:电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量、湿度、浓度、成分等,组成:敏感元件+转换元件 核心部件:敏感元件 一般把待测的非电量转换为易转换为电量的另一种非电量,在转换为电量 转换元件:将感受到的非电量直接变化为电量的器件(利用物理或化学效应) 特殊: 无敏感器件,不需预变换,如热敏电阻、光电器件 敏感元件和转换元件合并,主要技术指标,精确度(精度) 精密度+准确度 精确度等级/准确度等级:A 仪表准确度习惯上称为精度,准确度等级
2、习惯上称为精度等级 衡量仪表质量优劣的重要指标之一,表示仪器测量结果的可靠程度/准确程度仪表的质量 准确度等级就是最大引用误差去掉正,负号及百分号。 精度数字越小说明仪表精确度越高 过程检测控制仪表的精度等级有0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等 一般工业仪表等级:0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级,常用为0.54级,A-用百分比数值表示 y-最大允许误差 YFS-仪器示值全程(测量的最大值),误差的表示方法分为:引用误差、相对误差、绝对误差。 引用误差=(绝对误差的最大值/仪表量程)100% 例如:2%F.S. 相对误差=(
3、绝对误差的最大值/仪表测量值)100% 例如:2% 绝对误差即指误差偏离真实值的多少。 例如:0.01m3/s,仪表精度=(绝对误差的最大值/仪表量程)*100%,输入/输出特性 灵敏度(S):稳态工作时输出增量对输入增量的比值(一般为线性关系,即S为恒定值) S=Y/ X 分辨率 数字表(数字表+传感器)较高,但还要考虑传感器精度,线性度 输入/输出曲线与某一规定的直线(斜率为S)不吻合的程度,称为非线性误差或线性度 在输出特性曲线与规定直线间,垂直方向上的最大偏差相对于最大输出的百分数,为非线性误差E,回滞 输入量在进程和回程时输入与输出关系特性不一致的程度 一般用同输入量时最大偏差相对于
4、最大输出的百分数 量程:传感器测量信号的上、下限范围 稳定性 工作条件不变的情况下,传感器工作性能在规定时间内保持不变的能力,动态特性 频响 传感器在保持其各项性能指标的情况下,工作的最高频率 稳定时间 指从输入信号阶跃变化起,到输出信号进入并不再超过对最终稳态值YS规定的允差区时的时间间隔 可靠性 对于规定条件,再规定时间内完成所要求功能的能力,传感器分类,按被测量信号的性质 机械量传感器 位移、力、速度、加速度、重量、集合尺寸 热工量传感器 温度、压力、流量、液位 化学量传感器 浓度、黏度、湿度、酸碱度、气体化学成分、液体化学成分 生物量传感器 测量表面探伤、材料内部的裂纹或缺陷、材质判别
5、,按输出量的性质分类 参量型传感器:输出非源电参量(有时需要辅助电源) 电量型传感器:输出电量(电势或电流) 按传感器的工作机理分类 机电型传感器:结构参量变化输出机械量或电量 固态型传感器:利用材料的特性随被测信号变化 按传感器的机电耦合特性分类 单向传感器:输入机械量和热工量输出电量,不可逆 双向传感器:输入电量,输出机械量或热工量 输入振动速度,输出对应电压,智能传感器,定义 敏感元件+信号调理电路+微处理器(微计算机) 功能 数据处理 自动诊断 多种形式输出功能 接口功能 数据存储、记忆与信息处理功能 判断、决策处理功能,传感器发展趋势,高性能 高可靠性 集成小型化 多维化 智能化 新
6、型化,常用传感器,速度 距离 位移 温度 频率(旋转),思考题,针对不同转速测量,应采用的传感器 轴、叶片 位移测量用的传感器 无线传感器中采用的无线传输技术 无线鼠标(2.4G)蓝牙、ZIGBEE 图像传感器 CCD线性CCD CMOS 色觉、颜色传感器,转速检测仪表,离心式转速表 利用离心力与拉力的平衡来指示转速。 离心式转速表是最传统的转速测量工具,是利用离心力原理的机械式转速表;结构比较复杂 测量精度一般在12级,一般就地安装。 磁性转速表 是利用磁力原理的机械式转速表;结构较简单,利用旋转磁场,在金属罩帽上产生旋转力,利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。 用软轴可以短距离异地安装。异
7、地安装时软轴易损坏。 目前较普遍用于摩托车和汽车以及其它机械设备。 电动式转速表 由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电,交流电通过电缆输送,驱动小型交流电动机,小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。 磁性转速表头 与小型交流电动机同轴连接在一起,磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速;电动式转速表,异地安装非常方便,抗振性能好,广泛运用于柴油机和船舶设备。 磁电式转速表 磁电传感器加电流表,异地安装非常方便。 闪光式转速表 利用视觉暂留的原理。检测转速(往复速度)、观测循环往复运动物体的静像。 电子式转速表 以电子技术为基础,设计制造的转速测量工具。,电子式
8、转速表 传感器+显示器+信号输出和控制 转速传感器 原理(或器件) 磁电感应式、光电效应式、霍尔效应式、磁阻效应式、介质电磁感应式 间接测量转速的转速传感器 加速度传感器(通过积分运算,间接导出转速) 位移传感器通过微分运算,间接导出转速 测速计算原理 电磁式:测速发电机和某些磁电传感器在线性区域,可以直接通过交流有效值转换,来测量转速 大多数都输出脉冲信号(近似正弦波或矩形波) 针对脉冲信号测转速的方法有 频率积分法:就是F/V转换法,其直接结果是电压或电流 频率运算法:其直接结果是数字,二次仪表 (secondary instrument):接受由变送器、转换器、传感器(包括热电偶、热电阻
9、)等送来的电或气信号,并指示所检测的过程工艺参数量值的仪表。 (与智能仪表区别?),利用频率测量的方法,F/V转换 频率电流/电压 阻容积分 专用集成电路:LM331AD654VF32 低频无效,频率运算 定时计数(测频):1误差(高速) 定数计时(测周): 1误差(低速) 同步计数计时 当定时器与被测脉冲同步计数时,为避免被脉冲计数多一少一的误差,将定时做延时调整,等待被测脉冲计数完整;与此同时,取时间基准脉冲计数值。 外部中断方式触发 误差分析 脉冲无计数误差 时间基准脉冲计数:1误差。 误差源 时间基准脉冲源(晶振)频率,编码器(encoder),定义 将物理信号编制、转换为可用以通讯、
10、传输和存储的信号的一种设备。应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。 分类: 按检测原理分: 光学式、磁式、感应式和电容式。 以信号原理(刻度方法及信号输出形式)分: 增量型、绝对型和混合式。 以检测对象分: 码盘:角位移 转换成电信号旋转编码器 码尺:直线位移 转换成电信号(光/磁)栅尺 精度: 分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度510000线。 每单位(转/mm)输出脉冲数:几十个几千个(精度),编码器,码盘材料: 玻璃、金属、塑料 玻璃码盘:在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高; 金属码盘:直接以通和不通刻线,
11、不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级 塑料码盘:经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。,信号输出 正弦波(电流或电压) 方波(TTL、HTL) TTL为长线差分驱动(对称A,A-;B,B-;Z,Z-) HTL也称推拉式、推挽式输出 集电极开路(PNP、NPN) 信号接收设备接口应与编码器对应,增量式编码器,增量式编码器 直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相; A、B两组脉冲相位差90度,按精度输出脉冲; Z相为每转一个脉冲,用于基准点定位。 优点: 原理构造简单,机械平均寿命可在几万小时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于
12、长距离传输。 缺点 无法输出轴转动的绝对位置信息。,绝对式编码器,直接输出数字量的传感器,利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换 有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。 编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。,原理 圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成, 码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数, 在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件; 当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。,特点 不要计数器,可以直接读出角度坐标的绝对值; 在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应
13、的数字码。 没有累积误差; 码道越多,分辨率就越高,对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。 电源切除后位置信息不会丢失 分辨率是由二进制的位数来决定的,目前有10位、14、16位等多种。,混合式绝对值编码器,输出 一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能; 一组则完全同增量式编码器的输出信息。,典型传感器-旋转编码器,旋转光电编码器是一种角度(角速度)检测装置,它将输入给轴的角度量,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量。 体积小,精度高,工作可靠,接口数字化 应用 数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备。,典型传感器-旋
14、转编码器,旋转编码器是用来测量转速的装置。 单路输出和双路输出 单路输出:指旋转编码器的输出是一组脉冲 双路输出:输出两组相位差90度的脉冲,通过这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以判断旋转的方向。,双路输出工作原理: 当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差90度相位角,可测出光电编码器转动方向与电机转速。 如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转。 Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲,主要用作计数。 A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向.,编码器的信号线连接,编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机,PLC和计算机
15、连接的模块有低速模块与高速模块之分,开关频率有低有高。 如单相联接,用于单方向计数,单方向测速。 A.B两相联接,用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z三相联接,用于带参考位修正的位置测量。 A、A-,B、B-,Z、Z-连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达150米。,使用注意事项,旋转编码器由精密器件构成,故当受到较大的冲击时,可能会损坏内部功能,使用上应充分注意 安装 :安装时不要给轴施加直接的冲击 轴承寿命与使用条件有关,受轴承荷重的影响特别大。如轴承负荷比规
16、定荷重小,可大大延长轴承寿命。 不要将旋转编码器进行拆解,这样做将有损防油和防滴性能。防滴型产品不宜长期浸在水、油中,表面有水、油时应擦拭干净。 振动 : 加在旋转编码器上的振动,往往会成为误脉冲发生的原因。每转发生的脉冲数越多,旋转槽圆盘的槽孔间隔越窄,越易受到振动的影响。 在低速旋转或停止时,加在轴或本体上的振动使旋转槽圆盘抖动,可能会发生误脉冲。,配线和连接,配线注意: 配线应在电源OFF状态下进行,电源接通时,若输出线接触电源,则有时会损坏输出回路。 若配线错误,则有时会损坏内部回路,所以配线时应充分注意电源的极性等。 若和高压线、动力线并行配线,则有时会受到感应造成误动作成损坏,所以
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