傳感器：把非電量參數(shù)（位移、速度、力、溫度、光、磁、化學(xué)量等）轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)（電壓、電流、電阻等）的器件。傳感器輸出量形式:模擬信號、編碼數(shù)字信號（光電）、數(shù)字信號。傳感器靜態(tài)特性：傳感器的輸入-輸出特性是傳感器的基本特性。靜態(tài)特性參數(shù)有線性度、靈敏度、遲滯性、重復(fù)性。動態(tài)特性：傳感器對輸激勵響應(yīng)的特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出能再現(xiàn)輸入的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。

線性曲線動態(tài)響應(yīng)曲線當(dāng)前第1頁\共有77頁\編于星期三\2點康銅系熱電偶，測量范圍–180~2800℃，最佳測量范圍630~1064℃；鎢錸系熱電偶，在300~2000℃的范圍內(nèi)具有良好的特性；鎳鉻-金鐵熱電偶，在0~-217℃范圍內(nèi)具有良好的特性。3.1溫度傳感器1.熱電偶合金熱電極

連接導(dǎo)線

連接導(dǎo)線

測點

參考點

Vo輸出電壓

圖3-1熱電偶結(jié)構(gòu)當(dāng)前第2頁\共有77頁\編于星期三\2點

圖3-2鎧裝熱電偶圖3-3點式熱電偶

熱電偶輸出的電壓是毫伏級小信號，一般需放大為伏級才能被利用，因此需要電壓放大電路。由于集成電路的大量應(yīng)用，通常都采用運算放大器放大。

當(dāng)前第3頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-4熱電偶信號放大電路當(dāng)前第4頁\共有77頁\編于星期三\2點機械系統(tǒng)的傳感器信號一般是低頻率信號；干擾噪聲一般是高頻率段；使用低通濾波器可濾除高頻率噪聲。當(dāng)前第5頁\共有77頁\編于星期三\2點2.熱敏電阻熱敏電阻是一種隨溫度變化其阻值變化的一種電阻；測量范圍為–200~500℃。鉑電阻的精度高但價格高；銅電阻精度稍差但價格低廉；半導(dǎo)體熱敏電阻的特性呈非線性，但體積小、響應(yīng)快、價格低廉。鉑熱電阻PT100（100歐姆）主要用于-200~650℃范圍測溫；Pt10（10歐姆）主要用于650℃以上范圍的測溫。當(dāng)前第6頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-5鉑熱敏電阻圖3-6銅熱敏電阻圖3-7NTC半導(dǎo)體熱敏電阻圖3-8PTC半導(dǎo)體熱敏電阻

熱敏電阻的電阻變化值首先要經(jīng)變送電路變換為電壓，并進(jìn)行必要的放大和濾波處理輸出伏級電壓值，才能被后續(xù)電路利用。當(dāng)前第7頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-9熱敏電阻信號處理電路當(dāng)前第8頁\共有77頁\編于星期三\2點討論題：熱敏電阻的阻值計算式Rt=R0(1+αt)t：當(dāng)前溫度；Rt：當(dāng)前溫度下熱敏電阻的阻值；R0：熱敏電阻在零度時的阻值；α：熱敏電阻的敏感系數(shù)。αpt=0.003850,Rpt0=100.00Ωαcu=0.004280,Rcu0=100.00Ω

分別計算鉑熱電阻和銅熱電阻在50℃時的電阻。并設(shè)計一個鉑熱電阻變送電路,要求其在0℃和50℃時輸出電壓分別為0V和5V電壓值。當(dāng)前第9頁\共有77頁\編于星期三\2點3.半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590AD590是一種常用的半導(dǎo)體集成溫度傳感器。測溫范圍–55~+150℃，工作電壓+4~+30V，恒流源線性熱敏系數(shù)為,恒流源電流計算公式：I0：溫度為零度時的電流值。當(dāng)前第10頁\共有77頁\編于星期三\2點AD590AD590應(yīng)用電路當(dāng)前第11頁\共有77頁\編于星期三\2點3.2力傳感器力學(xué)傳感器的種類：電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。壓阻式壓力傳感器應(yīng)用最為廣泛，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。當(dāng)前第12頁\共有77頁\編于星期三\2點3.2.1金屬電阻應(yīng)變片式力傳感器

圖3-10金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)前第13頁\共有77頁\編于星期三\2點2.電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）

S——導(dǎo)體的截面積（cm2）

L——導(dǎo)體的長度（m）以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。

當(dāng)前第14頁\共有77頁\編于星期三\2點3.測量電橋

由應(yīng)變片作為橋臂而組成的電橋稱為測量電橋。若測量電橋的輸入電壓為U0，輸出電壓為?U，各橋臂的電阻分別為R1、R2、R3和R4，則測量電橋靈敏度K當(dāng)前第15頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-11雙臂工作的半橋接法圖3-12四臂工作的全橋接法R1=R2=R3=R3=R當(dāng)前第16頁\共有77頁\編于星期三\2點某些固體材料受到外力的作用后，除了產(chǎn)生變形，其電阻率也要發(fā)生變化，這種由于應(yīng)力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”。利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。優(yōu)點：1.體積小而靈敏高；2.頻率響應(yīng)范圍寬、半導(dǎo)體集成化制造；

缺點：靈敏系數(shù)隨溫度變化較大3.2.2半導(dǎo)體應(yīng)變式力傳感器

當(dāng)前第17頁\共有77頁\編于星期三\2點3.3位移測量傳感器

位移測量傳感器是線性位移和角位移測量的總稱，位移測量在機電一體化領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。常用直線位移測量傳感器有：電感傳感器、電容傳感器、感應(yīng)同步器、光柵傳感器等；常用角位移傳感器有：電容傳感器、光電編碼盤等。位移測量傳感器的種類：電容位移傳感器氣隙電感位移傳感器差動變壓器結(jié)構(gòu)電感式位移傳感器當(dāng)前第18頁\共有77頁\編于星期三\2點3.3.1電容位移傳感器

電容式傳感器的工作原理式中

ε0—真空介電常數(shù)，等于8.85×10-12F/mεr—極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)A—極板的有效面積(mm2)；δ—兩極板間的距離(mm)。

圖3-13變極距型電容傳感器原理圖當(dāng)前第19頁\共有77頁\編于星期三\2點當(dāng)動極板因被測量變化而向左移動使δ0減小△δ時，電容量增大△C。則有

變極距電容傳感器的初始電容C0可由下式表達(dá)

傳感器輸出特性C=f(δ)是非線性的

電容位移傳感器當(dāng)前第20頁\共有77頁\編于星期三\2點3.3.2氣隙電感位移傳感器

電感式傳感器工作原理，電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強，但它的動態(tài)響應(yīng)慢，不宜作快速動態(tài)測試。由物理學(xué)磁路知識，線圈的自感系數(shù)為

式中W—線圈匝數(shù)；RM—磁路總磁阻。1－線圈2－鐵心3－銜鐵4－測桿5－被測件圖3-14自感式傳感器原理圖當(dāng)前第21頁\共有77頁\編于星期三\2點

當(dāng)鐵心與銜鐵之間有一很小空氣隙δ時，可以認(rèn)為氣隙間磁場是均勻的，磁路是封閉的。不考慮磁路損失時，總磁阻為:

考慮到鐵磁材料的磁導(dǎo)率μi比空氣磁導(dǎo)率μ0大得多，計算總磁阻時，第一項可忽略不計，則:

當(dāng)前第22頁\共有77頁\編于星期三\2點3.3.3差動變壓器結(jié)構(gòu)電感式位移傳感器

差動變壓器有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架。初級線圈的激勵電壓為e1，在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22。圖3-15差動變壓器等效電路當(dāng)前第23頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-16全波整流電路圖圖3-17全波整流電路波形圖當(dāng)前第24頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-18差動變壓器輸出電壓-位移圖圖3-19差動結(jié)構(gòu)電感式位移傳感器當(dāng)前第25頁\共有77頁\編于星期三\2點3.3.4渦流電感式位移傳感器

圖3-20電渦流的形成圖3-21電渦流位移傳感器線圈通入交變電流I，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場H1；位于該磁場中的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并形成渦流；渦流也產(chǎn)生相應(yīng)的磁場H2，H2與H1方向相反。當(dāng)前第26頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-22電渦流位移傳感器輸出電壓-位移曲線當(dāng)前第27頁\共有77頁\編于星期三\2點電感式接近開關(guān)當(dāng)前第28頁\共有77頁\編于星期三\2點接近開關(guān)的工作原理及接線圖當(dāng)前第29頁\共有77頁\編于星期三\2點3.4光電傳感器

光電傳感器的種類：發(fā)光二極管激光二極管光敏二極管光敏三極管光電耦合電路光電開關(guān)傳感器

當(dāng)前第30頁\共有77頁\編于星期三\2點1.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管也是一個PN結(jié)，具有普通二極管的通性，只是它透明封裝。發(fā)光二極管采用砷化鎵（紅外光）、磷化鎵（綠色光）、鎵鋁砷（紅色）等材料組成。

圖3-23發(fā)光二極管圖3-24

發(fā)光二極管的符號當(dāng)前第31頁\共有77頁\編于星期三\2點發(fā)光二極管的主要參數(shù)：最大工作電流：發(fā)光二極管長期工作時所允許通過的最大電流（30~50mA）。正向電壓：通過規(guī)定的正向電流時，發(fā)光二極管兩端產(chǎn)生的正向電壓。當(dāng)前第32頁\共有77頁\編于星期三\2點2.激光二極管改變激光二極管兩端電壓，使流過二極管的電流逐漸加大，當(dāng)電流超過某一值時，管子的輸出功率就急劇變化，產(chǎn)生激光振蕩。

a）激光二極管b）激光二極管發(fā)光示意圖圖3-25激光二極管當(dāng)前第33頁\共有77頁\編于星期三\2點3.光敏二極管光敏二極管是一種光電轉(zhuǎn)換器件。它也是PN結(jié)，具有普通二極管的特性，但有一個透明受光窗口。光敏二極管的特性是在兩端加正向電壓時，其PN結(jié)受光照射后，其電流隨光照強度的變化而變化。

圖3-26光敏二極管圖3-27光敏二極管符號當(dāng)前第34頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-28光敏二極管信號處理電路當(dāng)前第35頁\共有77頁\編于星期三\2點4.光敏三極管光電三極管具有普通三極管的特性，但其基區(qū)面積較大以接收光線照射。光敏三極管的主要參數(shù)：最高工作電壓：在無光照下，集電極電流為規(guī)定值時，集電極與發(fā)射極間的電壓。暗電流：在無光照下，集電極與發(fā)射極間的電壓為規(guī)定值時，流過集電極的電流。光電流：在規(guī)定電壓下，及規(guī)定光照時，流過集電極的電流。

圖3-27光敏三極管圖3-28光敏三極管符號當(dāng)前第36頁\共有77頁\編于星期三\2點5.光電耦合電路發(fā)光二極管和光敏三極管常被用來做光電耦合隔離電路。

圖3-31光電耦合集成電路圖3-32光電耦合電路符號當(dāng)前第37頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-33光電耦合電路應(yīng)用當(dāng)前第38頁\共有77頁\編于星期三\2點6.光電開關(guān)傳感器由振蕩調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制脈沖驅(qū)動LED光發(fā)射到被測物體表面并反射，反射光被光敏三極管接收，經(jīng)放大整形解調(diào)后輸出電平信號。圖3-35反射式光電開關(guān)工作原理當(dāng)前第39頁\共有77頁\編于星期三\2點光電開關(guān)的工作原理及電路圖當(dāng)前第40頁\共有77頁\編于星期三\2點

a）反射式光電開關(guān)b）反射式光纖光電開關(guān)圖3-34光電開關(guān)當(dāng)前第41頁\共有77頁\編于星期三\2點光電開關(guān)的應(yīng)用例倉庫安全防護(hù)

電梯運轉(zhuǎn)控制當(dāng)前第42頁\共有77頁\編于星期三\2點3.5光電編碼器增量式光電編碼器構(gòu)成及原理絕對式光電編碼器構(gòu)成及原理增量式光電編碼器計數(shù)電路當(dāng)前第43頁\共有77頁\編于星期三\2點3.5.1增量式光電編碼器構(gòu)成及原理增量式光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。

當(dāng)前第44頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-37單路光電碼盤脈沖VO圖3-36單路光電碼盤原理

當(dāng)前第45頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-38雙路光電碼盤原理

VAVB圖3-39雙路光電碼盤脈沖當(dāng)前第46頁\共有77頁\編于星期三\2點

圖3-40光電碼盤正反轉(zhuǎn)時輸出脈沖信號的時序圖特征AB正向旋轉(zhuǎn)

反向旋轉(zhuǎn)當(dāng)前第47頁\共有77頁\編于星期三\2點光電編碼器的測量準(zhǔn)確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，能分辨的角度α為：α=360°/n（3-28）分辨率=1/n（3-29）例如：碼盤邊緣的透光槽數(shù)為1024個，則能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。

光柵盤的柵數(shù)增加到300，500，1000，則將一周分為300份，500份，1000份，光電編碼器的測角精度就會分成不同的精度等級。當(dāng)前第48頁\共有77頁\編于星期三\2點

圖3-41光電編碼器當(dāng)前第49頁\共有77頁\編于星期三\2點3.5.2絕對式光電編碼器構(gòu)成及原理圖3-42絕對式光電編碼器二進(jìn)制碼盤

最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。圓盤劃分16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、…、1111。當(dāng)前第50頁\共有77頁\編于星期三\2點當(dāng)前第51頁\共有77頁\編于星期三\2點絕對式光電編碼器的特點

1.可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；

2.沒有累積誤差；

3.電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。當(dāng)前第52頁\共有77頁\編于星期三\2點3.5.3增量式光電編碼器計數(shù)電路1．增量光電編碼器的方向判斷 軟件判斷 硬件判斷方向判別集成電路ST288A 8腳雙列直插集成電路圖3-43方向判別集成電路ST288A當(dāng)前第53頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-44ST288A輸入輸出信號時序圖

當(dāng)前第54頁\共有77頁\編于星期三\2點組合方向判別電路信號波形時序圖當(dāng)前第55頁\共有77頁\編于星期三\2點2.光電編碼器計數(shù)電路CU：加計數(shù)時鐘CD：減計數(shù)時鐘P0，P1，P2，P3：四位預(yù)置數(shù)PL：預(yù)置操作QA，QB，QC，QD：四位計數(shù)值TCU：進(jìn)位輸出TCD：借位輸出MR：清零操作3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA圖3-45雙時鐘可預(yù)置加減計數(shù)器74LS193當(dāng)前第56頁\共有77頁\編于星期三\2點74LS193封裝形式當(dāng)前第57頁\共有77頁\編于星期三\2點3ABCDDCBARevisionSheetofDrawnBy:P015P11P210P39CU5CD4Q03QB2QC6QD7TCU12TCD13PL11MR14Counter74LS193QA表3-174LS193真值表CU(加計數(shù)時鐘)CD(減計數(shù)時鐘)PL(預(yù)置輸入)MR(清零輸入)操作功能↑HHL加計數(shù)↓HHL不計數(shù)H↑HL減計數(shù)H↓HL不計數(shù)XXLL預(yù)置XXXH清零

↑：上升沿；↓：下降沿；H：高電平；L：低電平；X：忽視當(dāng)前第58頁\共有77頁\編于星期三\2點

圖3-46增量式光電編碼器8位上電清零計數(shù)電路當(dāng)前第59頁\共有77頁\編于星期三\2點圖3-47增量式光電編碼器8位上電預(yù)置計數(shù)電路當(dāng)前第60頁\共有77頁\編于星期三\2點當(dāng)前第61頁\共有77頁\編于星期三\2點進(jìn)給手柄刻度盤200格，每格代表0.01mm。每格的角度為1.8度。經(jīng)驗表明，這樣小的角度很難用手控制準(zhǔn)確。光電編碼器的安裝位置比較靈活，但多數(shù)情況是和電機軸同軸。在數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。當(dāng)前第62頁\共有77頁\編于星期三\2點當(dāng)前第63頁\共有77頁\編于星期三\2點當(dāng)前第64頁\共有77頁\編于星期三\2點光柵尺當(dāng)前第65頁\共有77頁\編于星期三\2點當(dāng)前第66頁\共有77頁\編于星期三\2點3.6電流環(huán)信號傳輸圖3-48電流環(huán)傳輸?shù)淖儞Q模擬電壓信號傳輸：

則容易受到周圍磁場的干擾，傳輸距離較短（5米）。4~20mA電流環(huán)傳輸：不易被周圍磁場干擾，傳輸距離則可以達(dá)數(shù)百米。電壓電流變換：0~10V?4~20mA當(dāng)前第67頁\共有77頁\編于星期三\2點

圖3-49電壓電流轉(zhuǎn)換器件型號及定