1、第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,引言,工程背景 人類認(rèn)識(shí)世界的需要 人類感知系統(tǒng)的延伸 在機(jī)電一體化設(shè)備中，傳感器就是用來(lái)代替人的五官和皮膚來(lái)感知外界的信息并進(jìn)行變換的裝置。,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,引言,人體五官與傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,引言,工程實(shí)例-送料檢測(cè)機(jī)構(gòu),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,引言,選用思維-需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題：,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,要選用何種類型的傳感器？ 傳感器的量程是多少？ 是否是接觸式的？ 價(jià)格如何？ 輸出信號(hào)采用什么形式？ 靈敏度有何要求？ 以及穩(wěn)定性、準(zhǔn)

2、確度如何等,傳感器技術(shù)的發(fā)展,機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,本 章 主 要 內(nèi) 容,3.1傳感器的基本概念,傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,廣義定義,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T76651987,傳感器是一種能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件或裝置,傳感器的組成和分類,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,敏感元件：指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的元件，如能將力轉(zhuǎn)化成位移或應(yīng)變輸出的彈性敏感元件； 轉(zhuǎn)換元件：指將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變、速度或光強(qiáng)等）轉(zhuǎn)換成

3、適合傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的元件； 接口電路：把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示和控制的可用電信號(hào)。,3.1.1傳感器的組成和分類,并不是所有傳感器都包含上述三大部分。因?yàn)橛械拿舾性苯虞敵鲭娏?，就不需要轉(zhuǎn)換元件；而有的轉(zhuǎn)換元件能直接感受被測(cè)量，并輸出與之成一定關(guān)系的電量，這時(shí)就可以省略敏感元件。 舉例：壓電晶體，熱電偶、熱電阻及光耦等傳感器。,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.1.1傳感器的組成和分類,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.1.1傳感器的組成和分類,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.1.1傳感器的組成和分類,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中

4、常用傳感器及其選用,按能量變換關(guān)系,3.1.1傳感器的組成和分類,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,按能量變換關(guān)系,3.1.1傳感器的組成和分類,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,靜態(tài)(穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)) ：輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化(或變化比較緩慢),動(dòng)態(tài)(周期變化或瞬態(tài)) ：輸入信號(hào)則隨時(shí)間變化而變化,一方面，傳感器的作用就是要使輸出盡量準(zhǔn)確地反映輸入物理量的狀態(tài)，因此傳感器在不同輸入情況下所表現(xiàn)出來(lái)的輸出-輸入特性也就不同，即存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。,另一方面，不同的傳感器具有不同的內(nèi)部參數(shù)，它們

5、因而表現(xiàn)出不同的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)測(cè)量結(jié)果也產(chǎn)生不同的影響。,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,結(jié)論,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的靜態(tài)特性,定義：傳感器靜態(tài)特性是指被測(cè)量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出-輸入關(guān)系,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,分辨率：傳感器能檢測(cè)到的最小的輸入增量，稱為分辨率。在輸入零點(diǎn)附近的分辨率稱為閾值。,1,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,線性度：

6、被測(cè)量的數(shù)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差。如下圖所示。,線性傳感器的靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)是一 個(gè)常量； 與之相對(duì)應(yīng)的非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)變量。 此時(shí)非線性傳感器的靈敏度用公式 3-2表示。從該公式可以看出其靈 敏度隨輸入量的變化而變化。,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,靈敏度：傳感器的輸出變化量y與引起此變化的輸入量的變化量x之比，稱為靈敏度K。其值越大表示該傳感器越靈敏。,其公式為3-1：,K=,（3-1）,（3-2）,注釋：,任何傳感器都很難保證輸入量與輸

7、出量在任意范圍內(nèi)都維持線性關(guān)系，因此線性范圍寬，表明其工作量程大。傳感器工作在線性區(qū)域是保證測(cè)量精度的基本條件。,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,線性范圍：輸入量與輸出量之間維持線性比例關(guān)系的測(cè)量范圍。,注釋：,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,精確度 ：簡(jiǎn)稱精度，它表示傳感器的輸出量與被測(cè)量的實(shí)際值之間的符合程度，包括傳感器的測(cè)量值精度和重復(fù)精度。,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,遲滯 ：傳感器在隨著輸入量的增大，輸出量變化的正行程與

8、隨著輸入量減少，輸出變化的反行程中，兩條輸出輸入特性曲線的不重合程度，稱為遲滯，如下圖所示。,6,O,Y,y,x,Hmax,傳感器的遲滯特性,（3-3）,為正反行程間輸出的最大差值。,3-3式中，,動(dòng)態(tài)特性：是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。此時(shí)，要求傳感器能夠隨時(shí)間精確地跟蹤輸入，其輸出能夠按照輸入的變化規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的變化，這個(gè)過(guò)程叫響應(yīng)。響應(yīng)是描述動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,下圖為某傳感器的幅頻特性曲線 。,0,output,1,2,3,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中

9、常用傳感器及其選用,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的可靠性,絕緣電阻,工作壽命,平均無(wú)故障時(shí)間,保險(xiǎn)期,疲勞性能,耐壓,抗飛弧性能,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的使用條件，如供電方式(直流、交流、頻率、波形等)、電壓幅度與穩(wěn)定度、功耗、各項(xiàng)分布參數(shù)等都直接影響傳感器的工作質(zhì)量。 此外，傳感器的外形尺寸、重量、外殼、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安裝方式、饋線、電纜等方面也需要注意。,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),第3章 機(jī)電一體

10、化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,實(shí)際工程中，器件的性價(jià)比對(duì)器件的選用起著至關(guān)重要的作用。盡可能的考慮到各方面的因素，選取適合自己工程的傳感器。各類傳感器制造工藝的特性比較如下表所示：,3.1.2各類傳感器的主要性能指標(biāo)及特點(diǎn),(1) 高精度、高靈敏度、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高； (2) 安全可靠、壽命長(zhǎng)； (3) 對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng)； (4) 不易受被測(cè)對(duì)象(如電阻、磁導(dǎo)率)影響、不影響外部環(huán)境； (5) 便于與計(jì)算機(jī)連接； (6) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，使用維護(hù)方便，功耗低、對(duì)整機(jī)的適應(yīng)性好； (7) 低成本。,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用

11、傳感器及其選用,(1) 量程的大??； (2) 被測(cè)位置對(duì)傳感器的要求； (3) 測(cè)量方式（接觸式或非接觸式）； (4) 信號(hào)的輸出方式； (5) 傳感器的價(jià)格。,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,步驟一：首先考慮采用何種類型的傳感器,一般情況下，根據(jù)被測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)及傳感器的使用條件，以下幾個(gè)方面需要優(yōu)先考慮：,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,1)靈敏度 一般意義上認(rèn)為，傳感器的靈敏度越高就意味著傳感器所能感知的變化量越小,即只要被測(cè)量有微小的變化，傳感器就會(huì)有較大的輸出。 但是，在確定傳感器靈敏度指標(biāo)時(shí)，仍需要考慮其它一些問(wèn)題.,機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用

12、,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,步驟二：考慮傳感器的具體性能指標(biāo),傳感器的具體性能指標(biāo)有靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度等。,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,(1)傳感器的靈敏度越高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲將更容易被系統(tǒng)放大，從而影響測(cè)量精度。 (2)當(dāng)被測(cè)量為一個(gè)單向量時(shí)，要求傳感器的單相靈敏度盡可能的高，而橫向靈敏度要求盡可能小。當(dāng)被測(cè)量為二維或多維向量時(shí)，則要求傳感器的交叉靈敏度盡可能小。 (3)在傳感器線性工作范圍確定的情況下，靈敏度與干擾噪聲成正比，傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)的工作可靠性可能難以保證。也就是說(shuō)，過(guò)高的靈敏度會(huì)影響傳感器的測(cè)量范圍。,3

13、.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，在允許的頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。 任何傳感器都有一定的響應(yīng)延時(shí)。傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測(cè)信號(hào)頻率范圍就越寬。 動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)該考慮信號(hào)的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等響應(yīng)特點(diǎn)，避免產(chǎn)生較大的誤差。,2)頻率響應(yīng)特性,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的線性范圍越寬，傳感器的量程就越大，并且能確保測(cè)量精度。但是對(duì)于任何傳感器都不能確保其完全工作在線性范圍內(nèi)。可以取其近似線性區(qū)域，而且要考慮被測(cè)量的變化

14、范圍，使其非線性誤差保持在一定的范圍內(nèi)。,3)線性范圍,傳感器的線性范圍是指輸入與輸出成正比的區(qū)間。在線性范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度保持不變。,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅鏖L(zhǎng)期使用時(shí)，其性能保持不變的能力。 除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)因素以外，主要取決于傳感器工作的環(huán)境。因此要求所選用的傳感器必須有較好的適應(yīng)環(huán)境能力。,4)穩(wěn)定性,a. 首先要對(duì)傳感器工作的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查分析，然后據(jù)調(diào)查分析結(jié)果進(jìn)行傳感器的選型。 b. 盡量改善工作環(huán)境，減少環(huán)境因素對(duì)傳感器的影響。 c. 在傳感器超期使用的情況下，要對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)

15、定，檢測(cè)傳感器的性能是否發(fā)生變化。對(duì)于在需要長(zhǎng)期使用且不能輕易更換或標(biāo)定的環(huán)境下工作的傳感器，其選用的要求要更加嚴(yán)格。,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，但是在實(shí)際應(yīng)用中，并非要求傳感器的精確度愈高愈好，同時(shí)要考慮測(cè)量目的、成本等因素。應(yīng)該在達(dá)到測(cè)量要求和價(jià)格允許的情況下盡可能選擇精度高的傳感器。,5)精度,傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量?jī)烧叩膶?duì)應(yīng)程度。它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,步驟

16、三：若無(wú)法選到合適的傳感器，可以考慮自制,對(duì)于一些特殊的使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則可以考慮自制傳感器，但要確保自制傳感器達(dá)到應(yīng)用的要求。,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,傳感器選用的一般流程,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,1) 重視對(duì)傳感器的選型 2) 所選擇傳感器的精度要高于機(jī)電一體化系統(tǒng)的總體精度 3)不選用達(dá)不到靜、動(dòng)態(tài)特性的傳感器 4)不選用過(guò)時(shí)、淘汰的傳感器,3.1.3機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器主要性能的要求和選用,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電

17、一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,機(jī)電一體化系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最多的是位置傳感器，作用是檢測(cè)控制對(duì)象是否到達(dá)某一坐標(biāo)位置，可以用開關(guān)量（通/斷）來(lái)表示，分為接觸式和非接觸式兩種。,3.2.1常用位置傳感器,1.接觸式位置傳感器,圖3-8接觸式微動(dòng)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖,接觸式位置傳感器的本質(zhì)是高精度的開關(guān)，可以測(cè)量出微小的位移量。結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。,特點(diǎn):就是非接觸檢測(cè),例如，光電開關(guān),3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.1常用位置傳感器,2.非接觸式傳感器,光電開關(guān)利用LED光源、光敏二極管和光敏晶體管等光敏元件，相隔一定距離而形成透光式開關(guān)。當(dāng)遮光

18、片通過(guò)光源和光敏元件之間的縫隙時(shí)，光射不到光敏元件上，從而起到開關(guān)的作用。光敏元件輸出TTL電平，其精度可以達(dá)到0.5mm左右.,圖3-9非接觸式光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.1常用位置傳感器,光電位置傳感器的選用,(1) 光電位置傳感器在實(shí)際工作中經(jīng)常受到環(huán)境因素的影響。 在多塵環(huán)境中使用時(shí)，透光型傳感器比反射型傳感器運(yùn)行效果要好，這是因?yàn)樗鼈兯派涞墓庥煽椎劳ㄟ^(guò)反射物體并不變?nèi)酢?(2) 光電傳感器工作范圍較大，通常情況下，傳感距離大于1英寸時(shí)，需要選用光電位置傳感器。 (3) 反射型傳感器安裝簡(jiǎn)單，但是距離因素限

19、制了它的使用。 (4) 透光型光電距離傳感器既可用于檢測(cè)較長(zhǎng)的距離，也適于檢測(cè)短距離的微小物體，特別是在對(duì)環(huán)境干擾有抑制要求的場(chǎng)合。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,(1) 位移是物體移動(dòng)過(guò)程中位置變化的相關(guān)物理量。 (2) 常用的位移傳感器有電容式位移傳感器、光電式位移傳感器、超聲波式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。 (3) 通常情況下，小位移的測(cè)量通常采用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器、霍爾傳感器等方法。大位移的測(cè)量通常用到同步器、光柵、容柵、磁柵等技術(shù)。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中

20、常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,差動(dòng)變壓器的原邊設(shè)置一個(gè)繞組，變壓器的副邊設(shè)置了兩個(gè)開口變壓器，其按差動(dòng)方式連接。差動(dòng)變壓器的鐵芯可以活動(dòng)，當(dāng)鐵芯發(fā)生位移變化時(shí)，磁路就發(fā)生改變，從而使差動(dòng)電壓也隨之發(fā)生變化。,1.差動(dòng)變壓器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,旋轉(zhuǎn)變壓器又被稱作分解器，是一種通過(guò)某種函數(shù)關(guān)系將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成電信號(hào)的測(cè)量裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓也隨之發(fā)生變化。按照這種變化關(guān)系，可以將旋轉(zhuǎn)變壓器分為正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器和比例式旋轉(zhuǎn)變壓器。,2.旋轉(zhuǎn)變壓器,3

21、.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,(1)編碼器根據(jù)刻度的形狀分為測(cè)量直線位移的編碼器和測(cè)量旋轉(zhuǎn)位移的旋轉(zhuǎn)編碼器。 (2)將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的傳感器稱為旋轉(zhuǎn)編碼器。 (3)根據(jù)檢測(cè)原理可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式、電容式等。 (4)根據(jù)信號(hào)的輸出類型可以分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器對(duì)應(yīng)每個(gè)直線位移或每個(gè)單位角位移輸出一個(gè)脈沖；絕對(duì)編式碼器則是根據(jù)讀出碼盤上的編碼檢測(cè)絕對(duì)位置。,3編碼器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器

22、結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。,3編碼器,圖3-10光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu),3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,光柵位移傳感器通常作為高精度數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)元件，將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋給數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。如圖312所示。,4.光柵位移傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,光柵按照原理可以分為物理光柵和計(jì)量光柵： （1）物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象測(cè)量長(zhǎng)度和角度等物理量。 （2）計(jì)量光柵利用莫爾條紋現(xiàn)象測(cè)量長(zhǎng)度和角度等物理量。,光柵分類

23、,光柵按其投射形式可以分為透射式光柵和反射式光柵： （1）透射式光柵采用玻璃材料 。 （2）反射式光柵采用金屬材料 。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,按照光柵用途可以分為長(zhǎng)光柵和圓光柵 ： （1）長(zhǎng)光柵又稱為光柵尺，用于測(cè)量長(zhǎng)度或線位移。 （2）圓光柵又稱為盤柵，用于測(cè)量角度和角位移。,光柵分類,光柵按表面結(jié)構(gòu)可以分為幅值光柵和相位光柵 ： （1）幅值光柵采用照相復(fù)制工藝制造而成 ，光柵表面的柵線與縫隙呈黑白相間 。 （2）相位光柵則采用刻畫工藝制造而成，其橫斷面呈鋸齒狀 。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第

24、3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,光柵的組成和工作原理,光柵是由很多等間距透光柵縫和不透光的刻度線均勻排列構(gòu)成的光電器件。其由光源、聚光鏡、主光柵、指示光柵、光敏元件等部分組成。當(dāng)指示光柵相對(duì)于主光柵移動(dòng)時(shí)，形成的橫向莫爾條紋交替變化，利用光敏元件將莫爾條紋變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成為點(diǎn)脈沖信號(hào)，從而測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)距離。光柵工作原理如圖3-13所示。,圖3-13光柵工作原理圖,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,直線光柵的組成：,直線光柵：包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或主光柵

25、，一般固定在機(jī)床固定部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床移動(dòng)部件上。兩尺上刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.05-0.1mm的間隙。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,刻在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵 ：,圓光柵：用來(lái)測(cè)量角度或角位移。根據(jù)刻線的方向，圓光柵又可以分為兩種：徑向光柵和切向光柵。切向光柵適用于精度要求比較高的場(chǎng)合。還有一種環(huán)形光柵，由一簇等距的同心圓刻線組成。,3.2 機(jī)電一體化系

26、統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.2常用位移傳感器,數(shù)控機(jī)床中光柵尺的選用 ：,（1） 以精確度指標(biāo)來(lái)選擇光柵尺時(shí)，要分別考慮光柵尺的分辨率和精確度，兩者相輔相成才能保證光柵尺的高精度。 （2）以效率指標(biāo)選擇光柵尺時(shí)，盡量選用絕對(duì)式光柵尺，因?yàn)樗婚_機(jī)就可以確定參考點(diǎn)的位置，而增量式光柵尺在開機(jī)后需要先移動(dòng)到刻有參考標(biāo)記的位置處，確定測(cè)量位置的起始參考點(diǎn)。 （3）以電氣接口指標(biāo)選擇光柵尺時(shí)，應(yīng)注意其接口與數(shù)控系統(tǒng)接口相匹配。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.3 常用速度、加速度傳感器,一、速度傳感器

27、：包括線速度和角速度，與之相對(duì)應(yīng)的就有線速度傳感器和角速度傳感器，我們統(tǒng)稱為速度傳感器。,1.測(cè)速發(fā)電機(jī) 將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，其原理與發(fā)電機(jī)原理相似，實(shí)際上它就是一臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。其分類如圖3-14所示,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.3 常用速度、加速度傳感器,機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)的要求為：,(1) 線性度好，即輸出電壓要嚴(yán)格與轉(zhuǎn)速成正比，并不受溫度等外界條件變化的影響。 (2) 靈敏度高，即在一定的轉(zhuǎn)速下，輸出電壓值要盡可能大。 (3) 不靈敏區(qū)小。 (4) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，以保證測(cè)速的快速性。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常

28、用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.3 常用速度、加速度傳感器,2. 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是將轉(zhuǎn)速的變化轉(zhuǎn)換成光通量的變化，再通過(guò)光電元件將光通量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，即利用光電管將光脈沖變成電脈沖，光電轉(zhuǎn)換元件的工作原理是光電效應(yīng)。,所謂光電效應(yīng)：是指光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。其可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3. 應(yīng)變片加速度傳感器 電阻應(yīng)變片加速度傳感器是一個(gè)由等強(qiáng)度梁構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)，等強(qiáng)度梁上下兩面分別貼兩個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)

29、變片受到振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過(guò)電橋電路的輸出電壓被檢測(cè)出來(lái)，其結(jié)構(gòu)如圖3-17所示。,3.2.3 常用速度、加速度傳感器,圖3-17 應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 1.為等強(qiáng)度梁，2.為質(zhì)量塊，3.為殼體，4.為電阻應(yīng)變片。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,力和力矩傳感器：用以檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部力或外界環(huán)境的相互作用力。 注：力不是直接可測(cè)量的物理量，要通過(guò)其它物理量間接測(cè)量。 力傳感器測(cè)量示意圖如圖3-18所示。,3.2.4常用力、力矩傳感器,圖3-18 力傳感器測(cè)量示意圖,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常

30、用傳感器及其選用,1. 電阻應(yīng)變式力傳感器（也叫稱重傳感器） 柱式力傳感器，分為實(shí)心（柱形）和空心（筒形），其結(jié)構(gòu)是在圓筒或圓柱上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓柱（筒）在外力F作用下產(chǎn)生形變。最后測(cè)量電路把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了傳感器的功能。,3.2.4常用力、力矩傳感器,圖3-19 柱式力傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,2. 壓電式傳感器 外力作用在壓電晶體（鈮酸鋰、石英晶體等）上時(shí)，使其表面產(chǎn)生電荷或電壓變化。根據(jù)這個(gè)原理制成的傳感器叫壓電傳感器，它一般是將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電壓值。其分類如下：,3.2.4常用力、力矩傳感器,3.2

31、機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3. 力矩傳感器 轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)傳動(dòng)軸的形變或扭曲角的測(cè)量而求得。 電阻應(yīng)變式測(cè)轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)軸上或直接在被測(cè)軸上，沿軸線的45或135方向?qū)?yīng)變片粘貼上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩M作用時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變量與轉(zhuǎn)矩M成線性關(guān)系。以空心圓柱形軸為例其應(yīng)變計(jì)算公式如下：,3.2.4常用力、力矩傳感器,(3-6),3-6式中：為應(yīng)變量，G為轉(zhuǎn)軸的彈性模量，d為內(nèi)圓直徑，D為外圓直徑。,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,電阻應(yīng)變式測(cè)轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,3.2.4常用力、力矩傳感器,3.2 機(jī)電一體化

32、系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,1. 紅外傳感器 紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按功能分五類： （1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量； （2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤； （3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像 （4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)； （5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。,3.2.5其他類型傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,1. 非接觸激光紅外測(cè)溫儀的原理框圖,3.2.5其他類型傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感

33、器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,2. 圖像傳感器 圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分，根據(jù)元件不同分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）。 CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，其優(yōu)點(diǎn)是制造成本和功耗較CCD低。,3.2.5其他類型傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3. 光纖傳感器 光纖傳感器的基本工作原理：是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖

34、送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。,3.2.5其他類型傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,3.2.5其他類型傳感器,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,第一類是功能型（傳感型）傳感器 是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),

35、從而得出被測(cè)信號(hào)，如圖3-25所示。,3.2.5其他類型傳感器,圖3-25 功能型光纖傳感器示意圖,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,非功能型（傳光型）傳感器 非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖，如圖3-26所示。,3.2.5其他類型傳感器,圖3-26 非功能型光纖傳感器示意圖,3.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光，如圖3-27所示。其典型例子有光纖激光多普勒速度計(jì)、輻

36、射式光纖溫度傳感器等。,3.2.5其他類型傳感器,圖3-27 拾光型光纖傳感器,3.3 傳感器技術(shù)的發(fā)展,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,基于利用傳感器材料物理特性的變化實(shí)現(xiàn)檢測(cè)轉(zhuǎn)換的傳感器為固態(tài)傳感器。 其中半導(dǎo)體傳感器的發(fā)展最引人注目。它不僅容易感受外界信息的作用并轉(zhuǎn)換為電量，而且靈敏度高、響應(yīng)速度快、尺寸小、重量輕、便于實(shí)現(xiàn)傳感器集成化與功能化。,3.3.1傳感器固態(tài)化,3.3 傳感器技術(shù)的發(fā)展,第3章 機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器及其選用,1）多功能化：意味著使傳感器具有多種參數(shù)檢測(cè)功能或者除檢測(cè)功能外還具有其他功能，如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。 2）集成化，就是將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元及電源等部分利用半導(dǎo)體集成技術(shù)制作在同一基片上，