单元三机电一体系统传感检测技术汇编

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1、1 机电一体化技术机电一体化技术 任课老师：王慧萍 Mechatronics 单元三 机电一体化传感检测技术 3.1 传感器组成与分类 3.2 典型常用传感器 3.3 传感器的选择方法 3.4 传感器数据采集及其与计算机接口 学习目标 1.掌握传感器组成及工作原理 2.熟悉传感器的分类 3.掌握常用传感器在工业中的应用 4.掌握开关量、数字量、模拟量传感 器输出信号处理方法 4 汽车上的传感器 5 起重机械上的传感器 履带起重机 各种电子秤 安全检查门 离子感烟器离子感烟器 明火探测器明火探测器 温度传感温度传感 器器 光电传感器光电传感器 湿度传感器湿度传感器 机油压力传感器机油压力传感器超

2、声波传感器 超声波传感器 风速传感器风速传感器 色标传感器色标传感器 全自动血压机全自动血压机 自动旋转门自动旋转门 CNC机床内部功能构成实例 3.1 传感器组成与分类 13 检测：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置 ，将生产、科研生活等各方面的有关信息通过检查与测量的 方法赋予定性或定量结果的过程。 相关知识 图 自动检测系统原理框图 人体系统和机器系统比较 眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌（味觉） 感知外界信息 大脑 肌体 相关知识 相关知识 传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子 、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检 测原理、传感器件设计、传感器开发与应

3、用 的综合技术。传感器技术是构成现代信息技 术三大支柱之一 。 17 传感器：能够检测出自然界中的各种物理量(或者化学量)， 并转换成相应非电量或电量的装置，又称为变送器、换能器 或探测器。 相关知识 图 人与机器的机能对应关系图 传感器定义有以下含义 它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检 测装置； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学 量、生物量等； 能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是 某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以 是气、光、电物理量，主要是电物理量； 传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。 按使用场合不同又称为： 发送器、传送器、变送器

4、、检测器、探头 传感器功用：一感二传,即感受被 测信息,并传送出去。 相关知识 传感器的组成 辅助电源 敏感元件转换元件转换电路 被测量 电量 敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某 一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电 路参量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电 路），便可转换成电量输出。 物理、化学、 生物信息 传感器的分类 物理型： 化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性 结构型：取决于几何尺寸和形状 物性型：取决于材料性质 按传感器的工作原理 按被测量 温度、 流量、压力、湿度、浓度、力学量、

5、磁学量、 光学量、气体成分等 根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器 按可变电参量：电阻型、电感型或电容型 按传感器技术发展：聋哑传感器(Dumb Sensor)、智 能传感器(Smart Sensor)、网络化传感器(Networked Sensor) 其他分类 22 表3-1各种物理量的传感器 典型常用传感器 u位置传感器 按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接 触式开关等。接触式开关包含封入式、微动开关、精密式等 极限开关;非接触式又分为接近开关和光电开关。 24 1.极限开关(

6、微动开关) 接触式极限开关主要用于极限位置的检测，当 机械挡块撞击到极限开关滚轮上时，极限开关动 作。极限开关的外观和内部结构如 (a)外观;(b)接触形式:逆切换型 25 2.接近传感器 接近传感器是一种非接触式位置传感器，能够感知物体 的靠近，利用位移传感器对接近物体所具有的敏感特性， 达到识别物体靠近、并输出开关信号的目的。 图3-4舌簧传感器结构图 图3-5舌簧传感器的位置控制方法 3.光电传感器 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光 电开关。光电二极管是最常见的光电传感器。 光电传感器一般由发光元件(发光二极管，即LE D)和受光元件(光敏 三极管)组合构成。

7、图3-6光电传感器的位置控制方法 表3-2光电效应的种类 光电效应种 类 元件名称特点 光电效应光电二极管、光敏三极 管、太阳电池 响应速度快 一般波长频域较窄 光导电效应CdS、CdSe、PbS元件响应速度慢，内部结构为阻性 ，容易作成接近于视觉感 度的元件 光电子发射 效应 光电管、光电子倍增管一般容量较大，所消耗功率较 大 3.2.2 位移传感器 按照运动形态，位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器。 直线式位移传感器主要有差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移 测定装置等。角位移传感器主要有旋转编码器等。 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

8、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。 1.模拟式位移传感器 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。 3.2.2 位移传感器 1.模拟式位移传感器 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

9、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。主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。 1-线圈;2-铁心;3-活动衔铁;4-测杆;5-被测件 适用于0. 001- 1mm较小位移 的测量. (2)差动变压器式电感传感器。互感型电感传感器是 利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感 器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线 圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压 输出，该电压随被测量的变化而变化。 返回 (a),(b)工作原理;(c)输出特性 3.2.2 位移传感器 返回 2.数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是 利用自身的

10、物理特征，制成直线形和圆形结构的位移传感器，输出信号 都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以 统计位移的尺寸。 (1)光栅位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直 线光栅两种它的特点是测量精确高(可达1m )、响应速度快和量程范围 大(一般为12 m，连接使用可达到10m)等。 1-光栅;2-光栏板;3-光电接收元件;4-光源 光栅由标尺光栅和指 示光栅组成，两者的 光刻密度相同，但体 长相差很多. 什么是光栅？ 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件 a b W 光栅栅距 或 光栅常数 相关知识 W 条纹间距 W 条纹间距 光电元件 W 如何测量微小位

11、移量？ 光电元件 光电元件感受 的光强变化是 否明显？ 条纹位置 方向不同 条纹运动 方向不同 尺身尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定）扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长光栅 扫描头（与移动部件固定）光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构（续） 透射式光栅 透射式圆光栅 固定 莫尔条纹特性莫尔条纹特性 1.1.莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成， 对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在 很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误 差。差。 2.2.当两光栅沿与

12、栅线垂直方向作相对移动时当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时 ，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者 的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，的运动方向相互垂直）；光栅反向移动， 莫尔条纹亦反向移动。莫尔条纹亦反向移动。 3 3 、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随 着光栅刻线夹角而改变。着光栅刻线夹角而改变。 4 4、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线 数相等。数相等。 光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度） 光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的

13、安装位置（3 3个自由度）个自由度） 数显表 光栅在机床上光栅在机床上 的安装位置的安装位置 （3 3个自由度）（续个自由度）（续 ） 2 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表 X位移显示 Y位移显示 3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表 光栅数显表（续）光栅数显表（续） 三座标三座标数显表数显表 比较 电路 驱动 装置 伺服 电动机 信号处理电路 工作台 光栅 传感器 位置指令 PcPe 位置偏差 位置反馈 Pf 数控机床的位置控制系统 安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅 光栅扫描头 被加工工件 切削刀具 角编码器 安装在夹 具的端部 典型常

14、用传感器 u感应同步器 感应同步器主要是用在高精度数字显示系统或 数控闭环系统中用以检测角位移或线位移信号 。例如高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无 线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高 精度位置检测系统中。 感应同步器种类 直线感应同步器： 1.标准型尺： 2.窄型尺： 3.超窄型尺： 4.带尺： 5.组合尺： 圆盘型感应同步器： 按尺寸： 5吋；7吋；12吋 按级数： 360级，720级 另外还有 一体型等等 相关知识 感应同步器的特点： 1.受环境条件的影响较小，抗干扰能力强。 2.精度较高。 （最高可到1微米和1角秒） 3.长度较长，可接长。 （最长到16米） 4.使用寿命长。 5

15、.接长安装调试不便，安装要求高。 6.成本相对较高。 相关知识 典型常用传感器 u感应同步器 图3-12感应同步器原理图 直线型感应同步器 由定尺和滑尺组 成，测量直线位移，用于 闭环伺服系统。分别安装在机械设备的固定 和运动部分，机械相对运动时，滑尺相对定 尺移动 定尺和滑尺绕组分布见图： 定 尺 绕 组 滑尺绕组 定尺绕组是连续的，其周期（T）是2毫米，均匀的分 布在250毫米的长度上。 滑尺上两相绕组，分别称为正弦绕组(SIN)和余弦绕组 (COS) 当滑尺上的绕组加上交流激磁电压时，根据电磁感应 原理，定尺上的连续绕组有感应电压输出，感应电压的幅 度和相位与激磁电压有关，也与滑尺和定尺

16、的相对位置有 关。 通过检测定尺上的电压就能知道定滑尺之间的相对位 置，我们的数显表就是通过这个原理来实现的。 相关知识 典型常用传感器 圆盘式感应同步器 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。 (a)定子;(b)转子 u3.2.3 速度和加速度传感器 直流测速机速度检测 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微 型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不同，直 流测速机可分为电磁式和永磁式两种。如以电枢的结 构不同来分，可分为无槽电枢、有槽电枢、空心杯电 枢和圆盘电枢等。 u3.2.3 速度和加速度传感器 光电式转速传感器 光电式转速传感器将速度的变化转变成光通量的变化 ，在通过光电转换元件将光通量的变化转换成电量变 化，即利用光电脉冲变成电脉冲，光电转换元件