1、濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第四章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng) 4.14.1傳感器的分類(lèi)及特性傳感器的分類(lèi)及特性。二、傳感器的特性二、傳感器的特性100%BFSyLxyS0%100maxFSyhH。二、傳感器的特性二、傳感器的特性。二、傳感器的特性二、傳感器的特性6測(cè)量范圍測(cè)量范圍 傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量 與最大輸入量與最大輸入量 之間的范圍稱為之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍。傳感器的測(cè)量范圍。7. 量程量程 傳感器測(cè)量范圍的上限值傳感器測(cè)量范圍的上限值 與下限值與下限值 的代數(shù)差的代數(shù)差 - 稱為量程。稱為量程。8.零漂零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的

2、變化稱為零漂，零漂可用相對(duì)傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。二、傳感器的特性二、傳感器的特性二、傳感器的特性二、傳感器的特性兩種典型的輸入響應(yīng)：二、傳感器的特性二、傳感器的特性 4.2 4.2 位移傳感器位移傳感器分類(lèi)分類(lèi):電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻氣隙型可變磁阻氣隙型渦流式渦流式互感型互感型可變磁阻面積型可變磁阻面積型可變磁阻螺線管型可變磁阻螺線管型1、自感型電感式傳感器、自感型電感式傳感器1、自感型電感式傳感器、自感型電感式傳感器當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2 靈敏度k為0

3、02LLk1、自感型電感式傳感器、自感型電感式傳感器 螺線管型自感傳感器螺線管型自感傳感器如果在線圈中放入圓柱如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)變形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。2、互感型電感式傳感器、互感型電感式傳感器2、互感型電感式傳感器、互感型電感式傳感器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器測(cè)量精度差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器測(cè)量精度高，分辨力可達(dá)高，分辨力可達(dá)0.1m,線性范圍大，有的能線性范圍大，有的能達(dá)到達(dá)到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于

4、直線位移、角位移以及可轉(zhuǎn)換成器廣泛用于直線位移、角位移以及可轉(zhuǎn)換成位移的其他機(jī)械量，如壓力、重量、膨脹等。位移的其他機(jī)械量，如壓力、重量、膨脹等。3、電渦流式傳感器、電渦流式傳感器3、電渦流式傳感器、電渦流式傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器0sC 02sdCd 02sdCCKd 二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器22arS202arC202rdCKda常數(shù)二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器 二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器二、電容式位移傳感器

5、二、電容式位移傳感器（1） 工作原理工作原理R三三 、電阻式傳感器、電阻式傳感器ABVRKV0 檢測(cè)直線位移或回轉(zhuǎn)位移使用較多的是電位差計(jì)。在直線檢測(cè)直線位移或回轉(zhuǎn)位移使用較多的是電位差計(jì)。在直線型中，行程可從型中，行程可從lcmlcm到到25cm25cm左右。在回轉(zhuǎn)型中有一轉(zhuǎn)與多轉(zhuǎn)之左右。在回轉(zhuǎn)型中有一轉(zhuǎn)與多轉(zhuǎn)之別，多轉(zhuǎn)型精度容易做得很高。別，多轉(zhuǎn)型精度容易做得很高。 (2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù)變阻器式傳感器的性能參數(shù): 1) 線性線性(或曲線的一致性或曲線的一致性); 4) 移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率分辨率; 5) 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù); 3) 整個(gè)電阻

6、值的偏差整個(gè)電阻值的偏差; 6) 壽命壽命;(3)變阻器式傳感器的分類(lèi)變阻器式傳感器的分類(lèi):變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動(dòng)式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器按電位器結(jié)構(gòu)分三三 、電阻式傳感器、電阻式傳感器(4)變阻器式傳感器的特點(diǎn)：變阻器式傳感器的特點(diǎn)：三三 、電阻式傳感器、電阻式傳感器四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 32411.標(biāo)尺光柵 2.指示光柵3.光電元件 4.光源四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 ddffddBffddW/2WddW/2指 示 光 柵標(biāo) 尺 光

7、 柵四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 WWB2sin2四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 WWB2sin2 四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0四、光柵數(shù)字傳感器四、光柵數(shù)字傳感器 五、五、感應(yīng)同步器五、五、感應(yīng)同步器4l五、五、感應(yīng)同步器 包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為一般為2mm)的方齒形線圈。定的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為正弦繞組和

8、余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開(kāi)余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬?duì)平行節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬?duì)平行安裝，其間保持一定間隙（安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。）。五、五、感應(yīng)同步器 在滑尺的繞組中，施加頻率為在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為（一般為210kHz）的）的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。 五、五、感應(yīng)同步器cos360cos2s

9、sKUTxKUUo 設(shè)正弦繞組供電電壓為設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞，余弦繞組供電電壓為組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為，移動(dòng)距離為x，節(jié)距，節(jié)距為為T(mén)，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為上感應(yīng)電勢(shì)為五、五、感應(yīng)同步器sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 TxTx2360)(o3. 測(cè)量方法測(cè)量方法 根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有式的不同，感應(yīng)同步器的

10、測(cè)量方式有鑒相式鑒相式和和鑒幅式鑒幅式兩種兩種工作法。工作法。五、五、感應(yīng)同步器(1)鑒相式工作法鑒相式工作法 滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè)的兩個(gè)電壓，設(shè)tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo360五、五、感應(yīng)同步器2.鑒幅工作法鑒幅工作法 在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個(gè)交流電壓：但幅值不等的兩個(gè)交流電壓：tmUUssinsintmUUc

11、sincostKUUUUmsin)sin(222五、五、感應(yīng)同步器六、光電編碼器六、光電編碼器六、光電編碼器六、光電編碼器1、增量式光電編碼器、增量式光電編碼器六、光電編碼器六、光電編碼器1、增量式光電編碼器、增量式光電編碼器 增量式光電編碼盤(pán)構(gòu)成的角度增量式光電編碼盤(pán)構(gòu)成的角度數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括增量式光電編碼盤(pán)、光源、光敏轉(zhuǎn)換元件以及放包括增量式光電編碼盤(pán)、光源、光敏轉(zhuǎn)換元件以及放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)等后續(xù)處理電路。大、整形、辨向和計(jì)數(shù)等后續(xù)處理電路。六、光電編碼器六、光電編碼器1、增量式光電編碼器、增量式光電編碼器六、光電編碼器六、光電編碼器測(cè)量角位移時(shí)，單位脈沖對(duì)應(yīng)的角度為

12、測(cè)量角位移時(shí)，單位脈沖對(duì)應(yīng)的角度為 360m360mNN六、光電編碼器六、光電編碼器2、絕對(duì)式光電編碼器、絕對(duì)式光電編碼器 絕對(duì)式光電編碼盤(pán)直接輸出碼盤(pán)上的編碼，從而檢測(cè)絕對(duì)位置。絕對(duì)式光電編碼盤(pán)由內(nèi)向外由多個(gè)碼道組成，碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)，由內(nèi)至外構(gòu)成一個(gè)編碼。4位格雷碼的碼盤(pán)示意圖:黑色部分為不透光區(qū)域，輸出二進(jìn)制碼“1”；白色部分為透光區(qū)域，輸出二進(jìn)制碼“0”。 六、光電編碼器六、光電編碼器作業(yè)：作業(yè)：.增量式與絕對(duì)式圓光柵編碼器各有何特點(diǎn)？增量增量式與絕對(duì)式圓光柵編碼器各有何特點(diǎn)？增量式圓光柵編碼器如何辨別轉(zhuǎn)動(dòng)方向？式圓光柵編碼器如何辨別轉(zhuǎn)動(dòng)方向？簡(jiǎn)述摩爾條紋的特點(diǎn)及其應(yīng)用。簡(jiǎn)述摩

13、爾條紋的特點(diǎn)及其應(yīng)用。 4.3 速度傳感器速度傳感器4.3 速度傳感器速度傳感器4.3 速度傳感器速度傳感器ZtNn604.3 速度傳感器速度傳感器4.4 加速度傳感器加速度傳感器 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的變化而發(fā)生阻值隨著它所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。金屬絲式電阻應(yīng)變片金屬絲式電阻應(yīng)變片金屬絲式電阻應(yīng)變片外形金屬絲式電阻應(yīng)變片外形1）工作原理）工作原理金屬應(yīng)變片的

14、電阻金屬應(yīng)變片的電阻R為為AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlRldlldlrdrEd)21 (ER縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變泊松比泊松比彈性模量彈性模量壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)應(yīng)變計(jì) 金屬應(yīng)變片有：金屬應(yīng)變片有： 絲式、箔式絲式、箔式 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 穩(wěn)定性和溫度特性好穩(wěn)定性和溫度特性好 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 靈敏度系數(shù)小靈敏度系數(shù)小應(yīng)變計(jì)(1) 直流電橋直流電橋5) 信號(hào)放大電路信號(hào)放大電路 UIRRRRRRRRUIRRRRRRUbcUbaUO)34)(2(14231)344211(RRRR4231RRUII211RRUII344UIRRRRIUba21111UIR

15、RRRIUbc34444平衡條件平衡條件直流電橋的連接方式直流電橋的連接方式a)半橋單臂半橋單臂b)半橋雙臂半橋雙臂c)全橋全橋(a)半橋單臂半橋單臂UIRRUIRRRUIRRRRRRRRUO04204)344211(RRRRR04321令RR0又因?yàn)?b)半橋雙臂半橋雙臂UIRRUO02(c) 全橋全橋UIRRUO0直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件4231RRRR優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：所需的高穩(wěn)定直流電源較易獲得；所需的高穩(wěn)定直流電源較易獲得；電橋輸出電壓是直流，可以用直流儀表測(cè)電橋輸出電壓是直流，可以用直流儀表測(cè)量；對(duì)從傳感器到測(cè)量?jī)x表的連接導(dǎo)線要量；對(duì)從傳感器到測(cè)量?jī)x表的連接導(dǎo)線要求較低，電橋的平

16、衡電路簡(jiǎn)單。求較低，電橋的平衡電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：直流放大器比較復(fù)雜，易受零漂和直流放大器比較復(fù)雜，易受零漂和接地電位的影響。接地電位的影響。2）交流電橋）交流電橋平衡條件平衡條件4231ZZZZ4231交流電橋的平衡問(wèn)題較直流復(fù)雜得多，對(duì)交流電橋的平衡問(wèn)題較直流復(fù)雜得多，對(duì)于交流電橋，除了進(jìn)行電阻平衡外，還要于交流電橋，除了進(jìn)行電阻平衡外，還要進(jìn)行電抗平衡。交流電橋?qū)τ诠螂娫匆M(jìn)行電抗平衡。交流電橋?qū)τ诠螂娫匆笠草^高，必須具有良好的電壓波形和頻求也較高，必須具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定度。率穩(wěn)定度。 二、壓電式二、壓電式4.5、力、壓力和扭矩傳感器、力、壓力和扭矩傳感器 21,Gll

17、GRREAPE二、二、彈性元件鉸鏈彎曲式彈性元件梁式彈性元件受徑向載荷二、二、彈性元件電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)矩傳感器。它的彈性元件是一個(gè)與被測(cè)轉(zhuǎn)矩的電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)矩傳感器。它的彈性元件是一個(gè)與被測(cè)轉(zhuǎn)矩的軸相連的轉(zhuǎn)軸軸相連的轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸上貼有與軸線成轉(zhuǎn)軸上貼有與軸線成45的應(yīng)變片的應(yīng)變片,應(yīng)變片兩應(yīng)變片兩兩相互垂直兩相互垂直,并接成全橋工作的電路方式。并接成全橋工作的電路方式。三、三、轉(zhuǎn)矩傳感器彈性元件應(yīng)變片接線插座集流刷子殼體承扭軸4545R2R4R1R3三、三、轉(zhuǎn)矩傳感器4.6 位置傳感器位置傳感器 二、接觸式位置傳感器二、接觸式位置傳感器 三、非接觸式位置傳感器三、非接觸式位置傳感器 .試分析說(shuō)明電阻電橋有何優(yōu)點(diǎn)。分析半橋單臂、試分析說(shuō)明電阻電橋有何優(yōu)點(diǎn)。分析半橋單臂、半橋雙臂、全橋電路中電阻變化轉(zhuǎn)換為電橋的電半橋雙臂、全橋電路中電阻變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出的靈敏度。壓輸出的靈敏度。 三、非接觸式位置傳感器三、非接