1、第三章 傳感檢測(cè)系統(tǒng),機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),3.3 常見(jiàn)傳感器原理及應(yīng)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(dǎo)體式傳感器,熱電偶式傳感器,3.3.1 電阻式傳感器,Resistive transducer,將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。,位移、力、壓力、加速度、扭矩等,3.3.1.1 電位器式傳感器,Potentiometric transducer,利用加激勵(lì)的電阻體上可動(dòng)觸點(diǎn)位置的變化，將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。,由電阻元件、電刷、骨架等組成。,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

2、位器電刷移動(dòng)長(zhǎng)度，L為其總長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)于電刷移動(dòng)量x的阻值為Rx。,繞線式電位器的結(jié)構(gòu),線繞式電位器,電位器式傳感器的應(yīng)用,航空飛行高度傳感器,在測(cè)量比較小的位移時(shí)，可將線位移變換成角位移。,測(cè)小位移傳感器示意圖,電位器式傳感器的應(yīng)用,測(cè)小位移,電位器式傳感器的應(yīng)用,測(cè)加速度,慣性質(zhì)量塊在被測(cè)加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測(cè)加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動(dòng)，輸出一與加速度成比例的電壓信號(hào)。,電位器式加速度傳感器示意圖,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(cè)量。,3.3.1.2 應(yīng)變

3、式傳感器,電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。,任何非電量能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量,應(yīng)變片,當(dāng)受到外力時(shí)，導(dǎo)體變長(zhǎng)變細(xì)，電阻增加，R-R+R,應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路組成。,傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)量物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。,常見(jiàn)電阻 應(yīng)變片,（a）金屬線,（b）金屬箔,（c）半導(dǎo)體,電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測(cè)量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，常用的有絲式、箔式和半導(dǎo)

4、體式。,應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用,1. 應(yīng)變式力傳感器,F,F,應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用,電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一。,2. 電子天平,吊鉤秤,3.3.2 電容式傳感器,Capacitive transducer,將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)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(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。 可以應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等參數(shù)的測(cè)量中。,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(zhì)的介電常數(shù) 相對(duì)介電常數(shù) ,電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式,，真空的介電常數(shù)。,1變極距式電容傳感器,變極距式電容傳感器原理動(dòng)畫(huà)演示

5、,設(shè)和A不變，初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量為C0。若動(dòng)極板有位移，使極板間距離減小x，則電容則增大到 cx。,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(dòng)畫(huà)演示,電容傳感器的應(yīng)用,電容傳感器聲波測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示,1聲波測(cè)量,電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖,2壓力測(cè)量,高壓側(cè)進(jìn)氣口,低壓側(cè)進(jìn)氣口,電子線路位置,內(nèi)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(wú)損耗信號(hào)傳輸,利用單晶硅諧振傳感器，采用微電子表面加工技術(shù)，保證0.2%的測(cè)量精度，可實(shí)現(xiàn)抵制靜壓、溫飄對(duì)其影響。,電容傳感器加速度測(cè)量動(dòng)畫(huà)演示,4加速度測(cè)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

6、種重要的慣性傳感器，是慣性測(cè)量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一。它與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比具有重量輕,成本低,功耗小,體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。,5電容式指紋傳感器,3.3.3 接近開(kāi)關(guān),接近開(kāi)關(guān)又稱無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。,接近開(kāi)關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。,接近開(kāi)關(guān)外形,接近開(kāi)關(guān)外形（續(xù)）,接近開(kāi)關(guān)分類,只對(duì)導(dǎo)磁物體起作用,對(duì)接地的金屬起作用,只對(duì)導(dǎo)電良好的金屬起作用,對(duì)磁性物體起作用,接近開(kāi)關(guān)的特點(diǎn),接近開(kāi)關(guān)與被測(cè)物不接觸、不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)

7、、無(wú)火花、無(wú)噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號(hào)負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便。,缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀。,3.3.4 差動(dòng)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,LVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖,LVDT,LVDT 是線性可變差動(dòng)變壓器(Linear Variable Differential Transformer)。 LVDT 位移傳感器的工作原理簡(jiǎn)單地說(shuō)是鐵芯 可動(dòng)變壓器。,1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)，線性度好，重復(fù)性好，性能價(jià)格比高。 2.精度：最高精度可達(dá)0.05%，一般為0.25%、0.5%。 3

8、.絕對(duì)誤差：最高可達(dá)0.1m。 4.重復(fù)性：好，最高可達(dá)0.1m。 5.靈敏度：高，一般每mm位移輸出為數(shù)百mv, 最高可達(dá)幾伏。 6.分辨率：高，一般為0.1m，最高可達(dá)10-4m。 7.測(cè)量范圍：寬，0.1mm500mm甚至更大。 8.工作溫度范圍：大，一般為-55+150可擴(kuò)展到+300，傳感器或變送器分為三級(jí)： 商業(yè)級(jí)：0+70 工業(yè)級(jí)：-40+85 軍 級(jí)：-55+125 9.時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)特性好，頻帶寬一般為200HZ（5ms）最高可 500HZ（2ms）。,LVDT特點(diǎn),5. 體積小，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。,1. 動(dòng)態(tài)特性好，可用于高速在線檢測(cè)，進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，自 動(dòng)控制。光柵、

9、磁柵等測(cè)量速度一般為1.5m/s以內(nèi)，只 能用于靜態(tài)測(cè)量。,LVDT特點(diǎn),LVDT與光柵、磁柵等高精度測(cè)長(zhǎng)儀器相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：,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(dòng)：頻率 2000HZ，加速度20g。,2. LVDT可在強(qiáng)磁場(chǎng)，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使 用。,編碼器是將直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)變換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的一種傳感器。 它通過(guò)光電原理或電磁原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)（電子脈沖信號(hào)或者數(shù)據(jù)串）。 這種電子信號(hào)通常需要連接到控制系統(tǒng)(e.g. PLC、高速計(jì)數(shù)模塊、

10、變頻器等),控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算便可以得到測(cè)量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。 編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度、速度、位置的測(cè)量。,3.3.5 編碼器,Coder,編碼器的分類（工作原理）,增量編碼器,絕對(duì)值編碼器,一般用來(lái)測(cè)試速度與方向 也可以用角度測(cè)量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位置信息丟失,傳送在一轉(zhuǎn)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(shí) 一般用于角度測(cè)量、往復(fù)運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,（1）信號(hào)性質(zhì),0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 ,1 1 1 1 337.5 ,輸出n位

11、二進(jìn)制編碼，每一個(gè)編碼對(duì)應(yīng)唯一的角度。,絕對(duì)式測(cè)量（ABS）,（2）絕對(duì)式光電碼盤(pán)基本原理,LED,光敏元件,輸出信號(hào)為一串脈沖，每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)分辨角，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)N，就是對(duì) 的累加，即，角位移 N。 如： 0.352，脈沖N1000，則： 0.3521000 352,增量式測(cè)量（INC）,（1）信號(hào)性質(zhì),（2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu),碼盤(pán),光欄板,LED,零位標(biāo)志 （一轉(zhuǎn)脈沖）,光敏元件,360條紋數(shù),36010240.352,透光條紋,（3）辨向,光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90相位，用于辨向。 當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90；當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90。,（4）辨

12、向信號(hào),A,B,A,B,A 超前于B 90，正向,A 滯后于B 90，反向,（5）倍頻（細(xì)分）,/4,細(xì)分前,4細(xì)分后,在現(xiàn)有編碼器的條件下，通過(guò)細(xì)分技術(shù)能提高編碼器的分辨力。細(xì)分前，編碼器的分辨力只有一個(gè)分辨角的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測(cè)量分辨角是原來(lái)的1/4，提高了測(cè)量精度。,（6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）,一轉(zhuǎn)（360）,C,C,在碼盤(pán)里圈，還有一條狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。,（7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用,Z 軸參考點(diǎn),X 軸參考點(diǎn),Y 軸參考點(diǎn),回參考點(diǎn)方式,SINU

13、MERIK數(shù)控系統(tǒng)工作方式開(kāi)關(guān),（8）回參考點(diǎn)減速開(kāi)關(guān),限位開(kāi)關(guān),參考點(diǎn)減速開(kāi)關(guān),滑塊,（9）回參考點(diǎn)示意圖,減速尋找零標(biāo)志,零標(biāo)志找到,參考點(diǎn)位置,速度,慢速,快速,行程,碰到參考點(diǎn)減速開(kāi)關(guān),播放,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,光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu),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時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)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(guò)而形成的亮

14、帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖中dd線區(qū)所示。 圖中ff線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。,長(zhǎng)光柵莫爾條紋,播放動(dòng)畫(huà),莫爾條紋,亮帶,暗帶,（1）莫爾條紋移動(dòng)方向與兩光柵相對(duì)移動(dòng)方向垂直。 （2）莫爾條紋有位移的放大作用。,(1) 莫爾條紋的移動(dòng)方向：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)。查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。 (2) 位移的放大作用：當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè) 柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：,莫爾條紋測(cè)位移具有

15、三個(gè)特點(diǎn),條紋間距與柵距的關(guān)系為 ：,當(dāng)角較小時(shí)，例如=30，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。 這樣，可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵的位移。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。,(3) 誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。,動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（01000mm）,光柵位移傳感器的應(yīng)用,測(cè)量精度高（分辨率為0.1m）,在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù) 控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測(cè)量等方面。,容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化,可進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量,3.3.7 磁柵式傳感器,價(jià)格低于光柵、制作簡(jiǎn)單、復(fù)制方便； 測(cè)量范圍寬（

16、從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長(zhǎng)； 易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。,磁柵優(yōu)點(diǎn),磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測(cè)電路組成。,磁尺,磁柵外觀圖,磁頭,德國(guó)SIKO 磁柵尺,磁柵式傳感器示意圖,磁柵式傳感器的應(yīng)用,1磁柵測(cè)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(cè)量 模型 電源 并聯(lián)電阻 并聯(lián)電容,料斗,壓電傳感器的工作原理,壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。,壓電式傳感器主要用途：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)（例如重量）的測(cè)量。,當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。 逆壓電效應(yīng)（電致