第三章傳感檢測系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)設計第三章傳感檢測系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)設計3.3常見傳感器原理及應用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式傳感器電感式傳感器電容式傳感器半導體式傳感器熱電偶式傳感器3.3常見傳感器原理及應用電阻式傳感器光電式傳感器壓電式3.3.1電阻式傳感器Resistivetransducer電阻元件被測量電阻變化將被測量變化轉換成電阻變化的傳感器。位移、力、壓力、加速度、扭矩等3.3.1電阻式傳感器Resistivetransdu常見傳感器原理及應用課件3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometrictransducer利用加激勵的電阻體上可動觸點位置的變化，將被測量變化轉換成電壓比變化的傳感器。由電阻元件、電刷、骨架等組成。3.3.1.1電位器式傳感器Potentiometric繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工作電壓，U0為RL兩端的輸出電壓，x為線繞式電位器電刷移動長度，L為其總長度，對應于電刷移動量x的阻值為Rx。繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖Ui為工繞線式電位器的結構線繞式電位器繞線式電位器的結構線繞式電位器電位器式傳感器的應用航空飛行高度傳感器電位器式傳感器的應用航空飛行高度傳感器

在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移。測小位移傳感器示意圖電位器式傳感器的應用測小位移在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移電位器式傳感器的應用測加速度慣性質量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動，輸出一與加速度成比例的電壓信號。電位器式加速度傳感器示意圖電位器式傳感器的應用測加速度慣性質量塊在被基于電位器的線性/角位移傳感器模型若

，則傳感器可線性化；

其中：

是線性位移。將上式中的

和

換成角度值后，可以用于角度測量。基于電位器的線性/角位移傳感器模型3.3.1.2應變式傳感器電阻應變片被測量電阻變化

電阻應變傳感器是一種利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器。任何非電量能轉化為應變量3.3.1.2應變式傳感器電阻應變片被測量電阻變化應變片當受到外力時，導體變長變細，電阻增加，R->R+△R應變片當受到外力時，導體變長變細，電阻增加，R->R+△R應變式傳感器電阻應變傳感器由彈性敏感元件、電阻應變片和測量電路組成。傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構成。當被測量物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路將其轉變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變式傳感器電阻應變傳感器由彈性敏感元常見電阻應變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導體

電阻應變片是應變測量的關鍵元件，為適應各種領域測量的需要，可供選擇的電阻應變片的種類很多，常用的有絲式、箔式和半導體式。常見電阻應變片（a）金屬線（b）金屬箔（c）半導體應變式電阻傳感器的應用1.應變式力傳感器FF應變式電阻傳感器的應用1.應變式力傳感器FF應變式電阻傳感器的應用

電子天平的精度可達十萬分之一。2.電子天平應變式電阻傳感器的應用電子天平的精度可達十萬吊鉤秤

吊鉤秤3.3.2電容式傳感器Capacitivetransducer將被測量變化轉換成電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質的電容器。

可以應用于位移、振動、角度、加速度等參數(shù)的測量中。3.3.2電容式傳感器Capacitivetransd電容傳感器的理想公式為——極板間距離；——極板面積；——電容極板間介質的介電常數(shù)——相對介電常數(shù)——電容式傳感器工作原理及結構形式

，真空的介電常數(shù)。電容傳感器的理想公式為——極板間距離；電容式傳感器工作原理及1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示

設ε和A不變，初始狀極距為d0時，電容器容量為C0。若動極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到

cx。1．變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動畫演示2．變面積式電容式傳感器2．變面積式電容式傳感器3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示3．變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示電容傳感器的應用

電容傳感器聲波測量動畫演示1．聲波測量電容傳感器的應用電容傳感器聲波測量動畫演示1．聲波測電容式壓力傳感器結構圖2．壓力測量電容式壓力傳感器結構圖2．壓力測量高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器外形圖3．數(shù)字無損耗信號傳輸利用單晶硅諧振傳感器，采用微電子表面加工技術，保證±0.2%的測量精度，可實現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對其影響。高壓側進氣口低壓側進氣口電子線路位置內部不銹鋼膜片的位置電容電容傳感器加速度測量動畫演示4．加速度測量電容傳感器加速度測量動畫演示4．加速度測量硅微加工電容加速度傳感器

電容式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感器，是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎元件之一。它與傳統(tǒng)的加速度計相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點。硅微加工電容加速度傳感器電容式硅微加速度傳感器是一種5．電容式指紋傳感器5．電容式指紋傳感器3.3.3接近開關

接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。接近開關的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。

3.3.3接近開關接近開關又稱無觸接近開關外形接近開關外形接近開關外形（續(xù)）接近開關外形（續(xù)）接近開關分類只對導磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導電良好的金屬起作用對磁性物體起作用接近開關分類只對導磁物體起作用對接地的金屬起作用只對導電良好接近開關的特點接近開關與被測物不接觸、不會產生機械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應快、無觸點、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負載能力強、體積小、安裝、調整方便。

缺點是觸點容量較小、輸出短路時易燒毀。接近開關的特點接近開關與被測物不接觸、不會產生3.3.4差動變壓器線圈和磁芯—完全線性—便宜—耐用—有“中心位置”用于執(zhí)行器—通常嵌入使用—低非線性—大位移3.3.4差動變壓器線圈和磁芯LVDT結構示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可變差動變壓器(LinearVariable DifferentialTransformer)。LVDT位移傳感器的工作原理簡單地說是鐵芯

可動變壓器。次級線圈1初級線圈次級線圈2鐵芯（有色金屬棒）兩個次級線圈間的輸出電壓輸入初級線圈的恒定交流電壓從中心位置移動LVDT結構示意圖和電原理圖LVDTLVDT是線性可1.結構簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復性好，性能價格比高。2.精度：最高精度可達0.05%，一般為0.25%、0.5%。3.絕對誤差：最高可達0.1μm。4.重復性：好，最高可達0.1μm。5.靈敏度：高，一般每mm位移輸出為數(shù)百mv,最高可達幾伏。6.分辨率：高，一般為0.1μm，最高可達10--4μm。7.測量范圍：寬，±0.1mm～±500mm甚至更大。8.工作溫度范圍：大，一般為-55℃～+150℃可擴展到+300℃，傳感器或變送器分為三級：

商業(yè)級：0℃～+70℃

工業(yè)級：-40℃～+85℃

軍級：-55℃～+125℃

9.時間常數(shù)小，動態(tài)特性好，頻帶寬一般為200HZ（5ms）最高可

500HZ（2ms）。LVDT特點1.結構簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復性好，性能價格5.體積小，價格低，性能價格比高。1.動態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，進行自動測量，自

動控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內，只

能用于靜態(tài)測量。LVDT特點LVDT與光柵、磁柵等高精度測長儀器相比有以下幾個優(yōu)點：3.可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，

耐輻射全密封在水下工作。4.可靠性非常好，能承受沖擊1000g/11ms，振動：頻率

2000HZ，加速度20g。2.LVDT可在強磁場，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使

用。5.體積小，價格低，性能價格比高。1.動態(tài)特性好，編碼器是將直線運動和轉角運動變換為數(shù)字信號進行測量的一種傳感器。它通過光電原理或電磁原理將一個機械的幾何位移量轉換為電子信號（電子脈沖信號或者數(shù)據串）。這種電子信號通常需要連接到控制系統(tǒng)(e.g.PLC、高速計數(shù)模塊、變頻器等),控制系統(tǒng)經過計算便可以得到測量的數(shù)據，以便進行下一步工作。編碼器一般應用于機械角度、速度、位置的測量。3.3.5編碼器Coder編碼器是將直線運動和轉角運動變換為數(shù)字信號進行測量的一種傳感編碼器的分類（工作原理）

增量編碼器絕對值編碼器一般用來測試速度與方向也可以用角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息丟失傳送在一轉中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時一般用于角度測量、往復運動編碼器的分類（工作原理）增量編碼器絕對值編碼器一般用來測編碼器的一般特性編碼器的一般特性編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉換成旋轉運動。編碼器外形拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運（1）信號性質00000000122.50010451111337.5

輸出n位二進制編碼，每一個編碼對應唯一的角度。絕對式測量（ABS）（1）信號性質00000111（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件（2）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏元件

輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應一個分辨角，對脈沖進行計數(shù)N，就是對的累加，即，角位移＝N。

如：

＝0.352，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352增量式測量（INC）（1）信號性質輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應一個分辨角，（2）增量式光電編碼器的結構碼盤光欄板LED零位標志（一轉脈沖）光敏元件＝360°／條紋數(shù)＝360°／1024＝0.352°透光條紋（2）增量式光電編碼器的結構碼盤光欄板LED光敏元件＝（3）辨向90ABAB

光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90相位，用于辨向。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。（3）辨向90ABAB光敏元件所產生的信號A、B彼此相（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B90°，反向（4）辨向信號ABABA超前于B90°，正向A滯后于B（5）倍頻（細分）/4細分前4細分后

在現(xiàn)有編碼器的條件下，通過細分技術能提高編碼器的分辨力。細分前，編碼器的分辨力只有一個分辨角的大小。采用4細分技術后，計數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測量分辨角是原來的1/4，提高了測量精度。（5）倍頻（細分）/4細分前4細分后在現(xiàn)有編碼器的條（6）零標志（一轉脈沖）

一轉（360）CC

在碼盤里圈，還有一條狹縫C，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。（6）零標志（一轉脈沖）一轉（360）CC在碼盤里圈（7）零標志在回參考點中的作用Z軸參考點X軸參考點Y軸參考點回參考點方式SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)工作方式開關（7）零標志在回參考點中的作用Z軸參考點X軸參考點Y軸（8）回參考點減速開關限位開關參考點減速開關滑塊（8）回參考點減速開關限位開關參考點減速開關滑塊（9）回參考點示意圖減速尋找零標志零標志找到參考點位置速度慢速快速行程碰到參考點減速開關播放（9）回參考點示意圖減速尋找零標志零標志找到參考點位置速度慢3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移傳感器3.3.6光柵式傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移光柵位移傳感器的結構原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。光源：鎢絲燈泡；半導體發(fā)光器件光電元件：光電池；光敏二極管光柵位移傳感器的結構光柵位移傳感器的結構原理圖由主光柵、指示光柵、光源和光電器如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖中d－d線區(qū)所示。圖中f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵莫爾條紋播放動畫

莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動方向垂直。（2）莫爾條紋有位移的放大作用。莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動(1)莫爾條紋的移動方向：當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動。查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。(2)位移的放大作用：當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當兩個等距光柵的柵間夾角θ較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：莫爾條紋測位移具有三個特點(1)莫爾條紋的移動方向：當指示光柵不動，主光柵左右平移時條紋間距與柵距的關系為：

當θ角較小時，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當大。

這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移。從而實現(xiàn)高靈敏的位移測量。(3)誤差的平均效應：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。條紋間距與柵距的關系為：當θ角較小時，例如θ動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm）光柵位移傳感器的應用測量精度高（分辨率為0.1μm）在機械工業(yè)中得到了廣泛的應用，特別是在量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控制、工作母機的坐標測量等方面。容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化可進行無接觸測量動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm）光柵位移傳感器的應用測量精3.3.7磁柵式傳感器價格低于光柵、制作簡單、復制方便；測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；易安裝和調整、抗干擾能力強。磁柵優(yōu)點磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測電路組成。3.3.7磁柵式傳感器價格低于光柵、制作簡單、復制方便；磁尺磁柵外觀圖磁頭磁尺磁柵外觀圖磁頭德國SIKO

磁柵尺德國SIKO磁柵尺磁柵式傳感器示意圖磁柵式傳感器示意圖磁柵式傳感器的應用1．磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺數(shù)顯磁柵式傳感器的應用1．磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺數(shù)顯3.3.8壓電式傳感器電壓和力力和電壓瞬態(tài)測量模型—電源—并聯(lián)電阻—并聯(lián)電容料斗無紅外輻射電荷平衡有紅外線電極兩端有剩余電荷3.3.8壓電式傳感器電壓和力料斗無紅外輻射電