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1、第二章 传感器及测量系统（3）,吉林大学 机械电子工程学科 赵丁选,2.9线位移传感器,2.9.1线位移传感器概述 用途：测量距离，高度、宽度等 种类：接触型与非接触型。 常用类型：电阻式、电容式、电感式、光电式，霍尔效应式等。 重点介绍：半导体激光位移传感器、电蜗流位移传感器，属非接触型位移传感器,2.9.2半导体激光位移传感器,图2-9-1半导体激光位移传感器 图2-9-2电蜗流位移传感器,2.9.2半导体激光位移传感器,结构：包括一个发光元件（发光二极管、激光器）、一个位置敏感检测器 原理：采用三角测量。通过检测聚焦到位置敏感检测器上的光柱点的运动即可确定工作物体的位移量。 特点： (1
2、)具有高分辨率，可对各种不同的材料进行精确测量。 (2)测量范围宽，可对高温快速移动的物体进行测量。 (3)具有先进的激光安全性，不会对被测物体或人造成伤害。 (4)在任何安装位置均可实现精确0V设定。 (5)易于安装。,2.9.3电蜗流位移传感器,基本结构：由探头（线圈、骨架、壳体、射频电缆和射频插头）、与前置器构成。 测量原理： 前置放大器 高频信号激励 线圈 产生高频磁场 金属表面会感应出涡流 涡流损耗 线圈磁感应强度变化 经前置器转换成电压信号 距离（线性关系）,2.9.3电蜗流位移传感器,特点： 非接触式测量 线性范围宽，080mm 动态响应好，0-10kHz 长期连续可靠工作，抗干
3、扰能力强 在水、油等恶劣环境条件下工作 可长线传输 直接与A、D接口相连配计算机使用,2.10光栅传感器,2.10.1光栅传感器概述 用途：精密直线位移、角位移测量，应用甚广 举例：如高精度数控机床、三坐标轮廓仪、直径测量仪器。 精度：直线位移测量精度可达0.5m，转角位移测量精度可分度1“(1、3600度)。 组成：一块测量栅，一块指示光栅。 结构原理：两栅均有相间条纹，间距相等，两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹也移动一个条纹间距。 用光电元件接收透过两块光栅的光能量，根据计数器累计的信号数，就可测得移动长度或移过转角。,2.10光栅传感器,图2-10-1长光栅模尔条纹 图2-11-1感应同
4、步器的结构与工作原理,2.11感应同步器,特点：是一种数字传感器， 分类：直线式与旋转式两种，前者用来检测直线位移，后者用来检测旋转角位移。 结构：旋转式（定子、转子），直线式（定尺、滑尺）。滑尺上绕阻接成S组(正弦绕组)与C组(余弦绕阻)。 安装：定尺安装于固定部分，滑尺安装在运动部分，二者作间隙很小的非接触移动。 原理： 正弦电压 S组 或C组 定尺上产生幅值按正弦或余弦变化的感应电势输出信号可用幅值与相位来描述，通过鉴幅或鉴相系统可以检测出位移信号并进行数值显示。,2.12接近传感器,2.12.1接近传感器概述 用途：属无触点接近开关，用于导电、导磁金属材料的限位置、固体料位和液体液位检
5、测等 常用的接近传感器：感应式接近传感器，电容式接近传感器，及电磁式接近传感器 高精度的接近传感器，还能检测金属薄板及渡层的厚度。 优点：不直接接触被测物体，开关及被测物均没有机械磨损，使寿命很长，可适用于高速检测。 原理：但当被测物体进入接近开关的灵敏区时，就会发出一个脉冲信号。 灵敏区形状：探头附近的一个近似半球区域。,2.12.2感应式接近传感器,适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量 探头结构分类：有屏蔽的、无屏蔽的两种。后者测量距离较前者为大。 结构：振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路组成。 工作原理：振荡器在探头端部产生磁场作用区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。,2.
6、12.2感应式接近传感器,图2-12-1感应式接近传感器的工作原理,2.12.3电容式接近传感器,适用：非接触、空间有限。如各种管道内流体的测量、料位测量及对金属物品测量。 结构：由振荡器、斯密特电路及输出电路组成，电容器的一个电极是传感电极，另一个电极是大地。 原理：加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。,2.12.3电容式接近传感器,图2-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理,2.12.4电磁式接近传感器,适用：非接触式导磁材料测量 结构：内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧继电器。 原理：导磁材料外界物体 靠近电磁式接近开关诱导面 磁场失去平衡
7、干簧继电器的触点闭合,2.13流量传感器,用途：对流动的介质液体或气体的流量进行检测的传感器。 按工作原理分类：电子流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器、涡流流量传感器等。 重点介绍：电子流量传感器与电磁流量传感器。,2.13.1电子流量传感器,工作原理：基于热传导理论。两个精确温度电阻放置介质中，一个只受介质温度的影响，另一个被热源加热，介质流动时该电阻被冷却，比较两个电阻值，可得到传感信号，经二次仪表转化为介质的流量值。 实际的流量传感器将两个电阻装于同一个传感器壳体内。,2.13.1电子流量传感器,图2-13-1电子流量感器原理 图2-13-2电磁流量感器原理,2.13.2电磁流
8、量传感器,测量原理：基于法拉弟电磁感应定律。 交流驱动 传感器内磁芯产生交变磁场 被测介质为（水、或酸、碱、盐等导电液体）流动时相当于导体切害磁力线 两个电极上产生感应电动势 引出检测感应电动势 确定流速 确定流量 构成：电磁流量传感器、电磁流量转换器。,2.14温度传感器,分类： 高温传感器（热电偶、铂电阻以及红外辐射测温计）； 常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）； 低温传感器（铜电阻等）。,2.14.1热敏电阻,说明：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体元件。 特点：体积小，灵敏度高，价格崐低，所以应用最为广泛。 分类：一类电阻值随温度升高而增加（正的温度系数），一类随温度升高而降低（负的
9、温度系数，常用）。 特性：热电特性、伏安特性。,2.14.1.1热敏电阻的热电特性,定义：电阻值随温度变化的关系，以坐标图表示它是一条指数曲线： 式中： RT温度为T时的电阻值； T绝对温度，K； A、B由材料及制造工艺决定的系数 热敏电阻材料：铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等氧化物做成。改变这些混合物的成分，就可以改变热敏电阻的测量范围、阻值及A、B值。,2.14.1.1热敏电阻的热电特性,图2-14-1热敏电阻的热电特性图 图2-14-2热敏电阻的伏安特性图,2.14.1.2热敏电阻伏安特性,说明：热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻的电流与其两端电压之间的关系。 原理： 当热敏电阻的电流很小时
10、，热敏电阻的伏安特性遵循欧姆定律； 但当电流大到一定程度时，流过热敏电阻的电流使其自身温度升高，因而其阻值减小。 因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止电流过大。,2.14.2热电偶温度传感器,说明：是较早的一种接触式温度传感器，测量可从室温至1800。所以至今仍是应用最广的温度传感器。 发展趋势：标准化（我国已8个品种）、小型化（最小的铠装热电偶直径为24mm）。 测温原理：热电效应。 将不同的导体或半导体A、B组成闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。,2.14.2热电偶温度传感器,输出电动势：与两种材料的性质及两接点的温度差有关，与导体的大小，接触面积及连接方式无关。 其输
11、出电势为：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0) 如果使热电偶的一个接点温度t0保持不变，设fAB(t0)=C，则上式可写成： EAB(t，t0)=fAB(t)-C,2.14.2热电偶温度传感器,表明：产生的热电势EAB(t，t0)只与温度t有关，成为温度的单值函数。 实际：使t端与工作介质接触，进行测温，称为工作端，t0端称为热电偶自由端或参考端或冷端。 冰点槽装置：用于在工作中将自由端保持0恒温，然后将工作端的温度与电势关系列成表格，供测量人员使用。,2.14.2热电偶温度传感器,图2-14-3热电偶效应图 2-14-4冰点槽装置,2.15转速及角位移传感器,编码器就是近年来出现
12、的一种新型的高精度、数字化、大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。 用途：用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。 特点： (1)能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差； (2)易于实现系统的快速、自动和数字化； (3)测量系统量程大，长度可以达数米甚至更长，角度可以在360范围内进行测量； (4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，使用和维护简单，工作可靠。,2.15转速及角位移传感器,2.15.1绝对式旋转编码器 可直接从分度盘的编码图案中得出角度位置，然后转换成编码信号。 即使电源有瞬间掉电，只要主轴转速在允
13、许范围内，都能通过控制器或计算机编译成编码信号。 2.15.2增量式旋转编码器 以脉冲形式输出，被测物体每走过一个当量距离，编码器就输出一个脉冲。,2.16 图像传感器,在机电控制、机器人的领域中起着重要的作用，尤以CCD图像传感器和红外线图像传感器应用最为广泛。 CCD图像传感器：典型例，日本KEYENCE公司生产的VH系列图像显微检测仪。 红外线图像传感器：典型例，AVIONICS公司生产的TVS-2000系列热图像系统。,2.16.1 CCD图像传感器,命名：CCD(Charge couple Device)即电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路的简称。 结构：由
14、感光部和CCD移位寄存器组成。 原理：成像在CCD上的景物 感光部电信号 电子图像 CCD移位寄存器 放大器 输出 分类：中按结构和信号电荷传送方式，又可分为线阵(一维)和面阵两种。,2.16.1.1线阵CCD图像传感器,中间是一列感光单元（光电二极管阵），两侧分别设置了CCD移位寄存器。 感光单元按位置的奇偶性，分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。 在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。 移位寄存器停顿时，转移栅开放，光电二极管所积累的电荷可以送到两侧的CCD移位寄存器中。 接着转移栅关闭，感光部的光电二极管开始进行下一次读出的电荷积累。 线阵CCD图像
15、传感器广泛应用于传真等场合。,2.16.1.1线阵CCD图像传感器,图2-16-2048位线阵CCD图像传感器结构,2.16.1.2面阵CCD图像传感器,分类：按构成分为两种：帧传送方式和行间传送方式。 在帧传送方式垂直消影期中，感光部所积累的信号电荷快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。 在行间传送方式中积累的电荷一次转送到邻接的垂直移位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。 400500像素和800500像素的CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。 1024800的CCD图像传感器也已用于TV摄像机。,2.16.1.2面阵CCD图像传感器,图2-16-2帧传送面阵CCD图像传
16、感器的结构 图2-16-3行间传送面阵CCD图像传感器的结构,2.16.2红外图像传感器,功能：把波长为220m的红外图像TV时间系列扫描信号。 构成：红外传感（量子型和热型）和电子扫描两部分。 分类：量子型红外图像传感器、热型红外图像传感器两大类。 量子型红外图像传感器：采用固体电子扫描，如单片型CCD、混合型CCD或肖特基势垒型CCD等。 热型红外图像传感器：采用热电光导摄像管式的电子扫描 或 采用热电红外CCD型的固体电子扫描。,2.16.2.1热电光导摄像管,特征：靶电极用热电材料，采用镍铬和黄金黑体等吸收红外线的材料，其窗口采用能透过红外线的玻璃。 原理：基于热电效应。景物 透镜 成像在热电光导摄像管上 红外热图像 在靶面上感应出相应的电压分布 被电子束拾取 做为时间序列信号读出,2.16.2.2红外CCD
