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1、第五章、传感器技术及机械量检测,第一节、传感器概述,一、传感器的定义及分类 传感器是一种能按照一定规律将被测量转变成可以输出电信号的装置。 现代控制技术的三大基础：信息采集，传输、处理。 传感器是实现自动检测和控制的首要环节，其作用相当于人的五官。,从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。,一、传感器的定义及分类,（一）、按照被测量进行分类 温度 压力 流量 位移 速度 加速度,一、传感器的定义及分类,（二）、按照工作原理 应变式 压电式 热电式 （三）、按照能量关系 有源传感器 无源传感器 （四）、按技术阶段 结构型 物性型 智能型,一、传感器的定义及分类,按输出信号的性质：,开关
2、型,模拟型,数字型,开关型,传感器输入物理量达到某个值以上，其输出为“1”(ON)，,模拟型,输出是与输入量变化相对应的连续变化的电量。,数字型,有计数型和代码型两类。 计数型又称为脉冲数字型，实际上是一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数。如，检测传送带上产品的个数，或检测执行机构的位置。 代码型传感器又称编码器，输入量按照某种规律变化时，输出量根据输入的变化规律，输出相应的数字代码。,计数型,代码型,如图，当输入为k1时，输出为1010，当输入为k2时，输出为1011。,二、传感器的转换原理,1.光-电转换 2.热-电转换 3.力-电压转换 4.力-电
3、荷转换 5. 磁-电转换 6.气体-电阻转换 7.温度-电阻转换,三、几种主要传感器工作原理,1.光传感器,光电效应,所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象。 光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效应多产生于半导体材料内。,15,内光电效应器件,(1). 光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点,2019/1/4,16,光
4、敏电阻的原理和结构。,光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电流 及其两端电压会发生变 化。一般而言，光线越 强，电流越大。当光照 停止时，光电效应会立 即消失，电阻又恢复原 值。,2019/1/4,17,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,2019/1/4,18,光敏电阻的基本特性和主要参数,光敏电阻的伏安特性。,光敏电阻的伏安特性,暗电阻、亮电阻与光电流。 光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流被称为暗电流。,2019/1/4,19,(2)光敏晶体
5、管,光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。,2019/1/4,20,光敏三极管,集电极电流是原始光电电流的倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。,光敏三极管,2019/1/4,21,光敏三极管外形,2.温度传感器 3. 压力传感器 4. 磁传感器 5. 气体传感器,四、传感器基本特性,当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为静态特性。 传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性，即传
6、感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所示。,2019/1/4,23,四、传感器基本特性,传感器的静态特性： 1. 测量范围：传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量 之间的范围称为传感器的测量范围。 2. 量程：传感器测量范围的上限值 与下限值 的代数差 - 称为量程。 3. 精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。 4. 灵敏度：灵敏度是指传感器输 出的变化量与引起该变
7、化量的输入变 化量之比，即 ，如右图所示。,2019/1/4,24,四、 传感器基本特性,5. 线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。 式中， 为非线性最大误差(最大偏差); 为满量程输出值。 常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图1-7所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。,2019/1/4,25,四、传感器基本特性,2019/1/4,26,机电一体化对检测系统的基本要求,精度、灵敏度、分
8、辨率高； 线性、稳定性和重复性好； 抗干扰能力强； 静、动态特性好。 此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。,第二节、位置、位移传感器,一、位置检测传感器 接触式 非接触式,光电开关的结构和分类,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。,光电开关外形,遮断型光电开关示意图,遮断报警,遮断式光电开关原理,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成
9、。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,光电开关在 流水线上的应用,送料器,落料口,遮断式光电开关（计数）,反射型光电开关,反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。,反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感。,定区域反射式光电开关原理,定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。,检测距离,检测距离,反射型光电开关及反射镜外形,三角
10、反射镜,集发射、接收器于一身,光电断续器,光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。,光电断续器外形,光电断续器外形（续）,红色光柱,齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。,光电断续器的应用,请写出转速与频率的关系式,n= ？,n,光电断续器的应用
11、（续）,二、位移传感器 角位移 线性位移,1、电位差计（可变电位器）,2、差动变压器,差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组常用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。,工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳； -骨架；-匝数为W1初级绕组； -匝数为W2a的次级绕组； -匝数为W2b的次级绕组,差动变压器输出电压特性曲线,3. 光栅式位移传感器,光栅式位移传感器的分类,1 测量线位移的长光栅,2 测量角位移的圆光栅,光栅传感器的结构,光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,光源：钨丝灯
12、泡；半导体发光器件 光电元件：光电池；光敏二极管,光栅式位移传感器的工作原理,长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同均匀密集的平行细线。将两块玻璃板或金属板重叠放置，并使他们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光的干涉效应，在与光栅栅线近似垂直方向上将产生明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹，根据莫尔条纹设计了光栅传感器。,莫尔条纹形成的原理,横向莫尔条纹的斜率,莫尔条纹间距,莫尔条纹的宽度BH由 光栅常数与光栅夹角决定,莫尔条纹技术的特点,（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了 放大作用，又提高了测量精度。 （2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信
13、号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。 （3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻 线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。 因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。 这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。,光栅副：指示光栅主光栅,a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数） 通常情况下，a=b=W/2,光栅副：指示光栅主光栅,测量电路,当位移量X变化一个栅距时，其输出信号变化一个周期，整形后变化为一个周期的脉冲输出，则位移量为：XNW,径向光栅进行角度测量,当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动， 测出条纹移动数目，即可得到标
14、尺光栅相对指示光栅转动的角度。,4、光电编码器,脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在机器人及数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。,编码器,1 认识编码器 2 编码器的测量对象 3 编码器测量直线位移的方式 4 绝对式测量 5 增量式测量 6 编码器在数字测速中的应用 7 编码器在主轴控制中的应用,1 认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）,编码器
15、,伺服电机,伺服电机,编码器,伺服电机,伺服电机,编码器,编码器,编码器,播放,2 编码器的测量对象,编码器,轴式,套式,电信号,二进制编码,脉冲,3 编码器测量直线位移的方式（1）编码器装在丝杠末端,编码器,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 ,（2）丝杠螺距,编码器,螺母,丝杠,螺距,x=？,设:螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求:丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母移动的平均速度v又为多少？,螺距,编码器,（3）编码器和伺服电动机同轴安装,xt/360 ,（4）编码器和伺服电动机同轴安装,编码器,工作台,丝杠,伺服电动机,编码器,导轨,（5）编码器和伺服电动机同轴安装,编码器,光电编码器,伺服电动机,联轴器,滚珠丝杠,滑块,光电编码器信号输出,伺服电动机电源,（6）编码器两种安装方式比较,编码器,x,x,编码器装在丝杠末端与前端（和伺服电动机同轴）在位置控制精度上有什么区别？,4 绝对式测量（ABS）（1）信号性质,编码器,0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 ,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。,（2）接触式绝对码盘,编码器,4个电刷,4位二进制码盘,最小分辨角
