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1、机 电 一 体 化 技 术,检测与传感器,概 述 线位移传感器 角位移传感器 速度传感器 加速度传感器 测力传感器 压力传感器 光电传感器 光纤传感器 磁感应式接近开关 温度传感器 传感器的准确选择和使用 传感器的信号采集与处理,机电一体化技术,检测与传感器,概 述,检测是利用各种物理、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与定量结果的过程。,机电一体化与人,传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节，接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电一体化有效地发挥作用，必须首先借助传感器获取外部环境和系
2、统内部各种各样的信息。,机电一体化技术,检测与传感器,概 述,传感器 传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路组成。,敏感元件,传感元件,测量转换电路,非电量,非电量,电参量,电量,（被测量）,传感器分类 （1）按被测量分类 位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 （2）按测量原理分类 电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合
3、的，如电容式加速度传感器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化值。,机电一体化技术,检测与传感器,概 述,机电一体化技术,检测与传感器,线位移传感器,1-螺旋管式差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件,测微是指测量几个微米（m）至几个毫米（mm）位移量的变化。 衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺旋管线圈电感量的变化。当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。 对于长螺旋管，衔铁工作在螺旋管中部一定区域时，线圈电感量与衔铁移动的微小距离成线性关系。 差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁
4、吸力也较小，从而减小了测量误差。,1.电感式测微仪,电感式滚柱直径分选装置,1-气缸 2-活塞 3-推杆 4-被测滚柱 5-落料管 6-电感测微器 7-钨钢测头 8-限位挡板 9-电磁翻板 10-容器（料斗）,机电一体化技术,检测与传感器,线位移传感器,线位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,电位器式位移传感器是基于电阻分压比原理来进行位移测量的，用于直线位移的测量，最大行程可达500mm。,2电位器式位移传感器,电位器式位移传感器的输出电压Uo与直线位移x成正比，即 Uo（x/L）Ui L为直线电阻长度。 由于滑动触点与导电塑料和引出轨道之间相互接触，易磨损，所以电位器式位移传感器适用于
5、位移变化不是很频繁的场合。,L,x,VCC,OUT,GND,VCC（棕）,OUT（黑）,GND（蓝）,机电一体化技术,检测与传感器,线位移传感器,电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化或振荡频率的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。,电涡流位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。,3. 电涡流位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,线位移传感器,4. 电涡流位移传感器应用（1）,注塑机开合模间隙,封口机工作间隙,机电一体化技术
6、,检测与传感器,线位移传感器,4. 电涡流位移传感器应用（2）,偏心和振动检测,冷轧板厚度测量,线位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角 。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，该亮暗带称摩尔条纹。光栅水平方向正反移动时，摩尔条纹上下移动。因为摩尔条纹对栅距的放大作用，摩尔条纹距离为L（LW），光敏元件将摩尔条纹转换为脉冲信号。每移动一个栅距，即产生一个脉冲信号。,光栅指标：线/mm 如100线/mm，则栅距W=0.01mm
7、，若计数脉冲1000，则光栅移动距离为0.011000=10mm,原 理,机电一体化技术,检测与传感器,线位移传感器,5. 直线光栅,尺身,可移动电缆,扫描头,摩尔条纹,概 述,线位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,倍频技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4倍频技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。,倍频前,倍频后,倍 频,有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则： 分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4 =0.005mm=5m 采用细
8、分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,1. 圆盘形电位器式角位移传感器,电位器式角位移传感器是基于电阻分压比原理来进行角度测量的。,电位器式角位移传感器的输出电压Uo与角位移，即 Uo（ /360）Ui,VCC,GND,OUT,机电一体化技术,检测与传感器,角位移传感器,2. 编码器,轴式,套式,电信号,二进制编码,脉冲,外观,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,位置反馈,x,通过测量滚珠丝杠的角位移，间接获得工作台的直线位移x，构成位置半闭环伺服系统。,xt/360 ,螺母,丝杠,螺距,测量方式,机电一体化技术,
9、检测与传感器,角位移传感器,1 1 1 1 337.5 ,输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。,0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 ,1 1 1 1 337.5 ,3. 绝对式测量（ABS）,二进制编码,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,4位二进制码盘,4个电刷,（导电为“1”，非导电为“0”）,最小分辨角 3602n,当n4，3602422.5,分辨角,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对 的累加，即，角位移 N。 如： 0.352，脉冲N1000，则： 0.35
10、21000 352,4. 增量式测量（INC）,输出信号及分辨角,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,码盘,光栏板,零位标志（一转脉冲）,光敏元件,360条纹数,透光条纹,内部结构,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。,辨向,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,A,B,A,B,A 超前于B 90，正向,A 滞后于B 90，反向,辨向脉冲信号,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,/4,细分前,4细分后,在现有编码器的条件下，通过细分技术能提
11、高编码器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于将原编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。,倍频,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,一转（360）,C,C,在码盘里圈，还有一条狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。,零标志,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,M法测速（适合于高转速场合）,m1,T,有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为 ：,n = 60 65536 /（
12、1024 5）=768 r/min,编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为: n = 60m1/（NT）,5. 增量式编码器数字测速,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,T法测速（适合于低转速场合）,编码器输 出脉冲,时钟脉冲fc,m2,编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为： n = 60fc / （Nm2 ）,有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：,n
13、 = 60fc /（Nm2 ） =60106/（10243000）=19.53 r/min,6. 编码器在数控车床主轴控制中的应用,主轴编码器,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,主轴编码器用于C 轴控制,自驱刀头,C,Z,n,工件,角位移传感器,机电一体化技术,检测与传感器,卡盘,主轴编码器,主轴,回转刀盘,Z,C,n,机电一体化技术,检测与传感器,速度传感器,通常是指转速传感器。有测速发电机模拟测速、光电编码器数字测速、电涡流测速及霍尔测速等。,Un,n,+Un max,Un max,+nmax,nmax,1. 测速发电机,机电一体化技术,检测与传感器,速度传感器,鉴 相,PA,P
14、B,CP,方向TTL,2. 增量式光电编码器数字测速,f n,M法测速和T法测速。详见光电编码器的内容。,方向TTL为高电平时，表示CP脉冲为正转计数脉冲；方向TTL为低电平时，表示CP脉冲为反转计数脉冲。,PA,PB,90,机电一体化技术,检测与传感器,速度传感器,3.电涡流式转速传感器,若金属转轴表面有槽或齿，则可在其旁边非接触地安装电涡流式传感器用于转轴的转速测量，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴表面之间的距离，于是传感器输出频率也周期性地发生变化，可以用频率计测量出变化的重复频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开有Z个槽（或齿），频率计的读数为f（Hz），则转轴的转速n（r/min
15、）为 n=60f / Z 市售的电涡流式转速表俗称“电感转速表”，其工作原理实质上是电涡流效应。,机电一体化技术,检测与传感器,电涡流传感器安装在齿轮端面。每转过一个齿，传感器输出一个脉冲信号，在设定的时间内对脉冲进行计数即可获得脉冲频率，再根据齿轮齿数，就可获得齿轮的转速。之所以设置A、B两个传感器，是因为要获得齿轮是正传还是反转的信息。A、B两个传感器的输出波形如图中所示，从中获得如下信息：一是，A、B两路脉冲不是对齐的，而是有先后，称为超前或滞后，如A脉冲超前B脉冲，则表示齿轮正转，如B脉冲超前A脉冲，则表示齿轮反转；二是，脉冲频率与齿轮转速是相对应的，转速越快，频率越高。,4.电涡流转速传感器用于齿轮转速测量的工程实例,速度传感器,A,B,机电一体化技术,检测与传感器,电感式接近开关,5. 电涡流式（电感式 ）接近开关在位置限位中的应用,电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理,电感接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生
