检测与传感器

1、 l 概概 述述l 线位移传感器线位移传感器l 角位移传感器角位移传感器l 速度传感器速度传感器l 加速度传感器加速度传感器l 测力传感器测力传感器l 压力传感器压力传感器l 光电传感器光电传感器l 光纤传感器光纤传感器l 磁感应式接近开关磁感应式接近开关l 温度传感器温度传感器l 传感器的准确选择和使用传感器的准确选择和使用l 传感器的信号采集与处理传感器的信号采集与处理检测与传感器检测与传感器 概概 述述 检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过活等各方面的有关信息通过检

2、查与测量检查与测量的方法赋予的方法赋予定性与定量定性与定量结果的过程。结果的过程。 大脑大脑感觉感觉器官器官肌肉肌肉关节关节视觉视觉嗅觉嗅觉听觉听觉味觉味觉触觉触觉神经神经神经神经四肢四肢控制器控制器驱动器驱动器执行执行机构机构传感器传感器接口接口/ /通信通信接口接口/ /通信通信l 机电一体化与人机电一体化与人 传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节，人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节，接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电一体化有效地发挥作用，必须首先借助

3、传感器获一体化有效地发挥作用，必须首先借助传感器获取外部环境和系统内部各种各样的信息。取外部环境和系统内部各种各样的信息。检测与传感器检测与传感器 概概 述述l 传感器传感器 传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路组成。换电路组成。 敏感元件敏

4、感元件 传感元件传感元件 测量转换电路测量转换电路非电量非电量非电量非电量电参量电参量电量电量（被测量）（被测量）检测与传感器检测与传感器 概概 述述 电 桥 放 大 显 示弹性敏感元件电阻应变片信号处理电路被测压力FRU 在弹性敏感元件上粘在弹性敏感元件上粘贴有一种称电阻应变片的贴有一种称电阻应变片的传感元件，该传感元件能传感元件，该传感元件能将变形量转换为电阻值将变形量转换为电阻值（电参量）的变化。应变（电参量）的变化。应变片电阻值的变化由电桥电片电阻值的变化由电桥电路转换成电压输出，电桥路转换成电压输出，电桥电路即为测量转换电路。电路即为测量转换电路。 因为在转换过程中，因为在转换过程中

5、，压力、变形量、电阻值及压力、变形量、电阻值及电压均成线性关系，因此，电压均成线性关系，因此，最终压力与电压成线性对最终压力与电压成线性对应关系。压力转换成电压应关系。压力转换成电压后，经过放大等一系列处后，经过放大等一系列处理，由手持式显示器显示理，由手持式显示器显示出压力变化值。出压力变化值。l 传感器分类传感器分类 （1）按被测量分类按被测量分类 位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。感器。 （2）按测量原理分类按测量原理分类 电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等电阻、电

6、容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。传感器。 很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合的，如电容式很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合的，如电容式加速度传感器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化加速度传感器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化值。值。检测与传感器检测与传感器 概概 述述检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器1-螺旋管式差动线圈螺旋管式差动线圈 2-铁心铁心 3-衔铁衔铁 4-测杆测杆 5-工件工件 测微是指测量几个微米（测微是指测量几个微米（ m）至几个毫米（至几个毫米（mm）位移

7、量的变化。）位移量的变化。 衔铁在线圈中伸入长度的变化衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺旋管线圈电感量的变化。将引起螺旋管线圈电感量的变化。当衔铁偏离中间位置时，两个线圈当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。成差动形式。 对于长螺旋管，衔铁工作在螺对于长螺旋管，衔铁工作在螺旋管中部一定区域时，线圈电感量旋管中部一定区域时，线圈电感量与衔铁移动的微小距离成线性关系。与衔铁移动的微小距离成线性关系。 差动式电感传感器对外界影响，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，

8、衔铁承受的基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。误差。1.电感式测微仪电感式测微仪电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置1-1-气缸气缸 2-2-活塞活塞 3-3-推杆推杆 4-4-被测滚柱被测滚柱 5-5-落料管落料管 6-6-电感测微器电感测微器 7-7-钨钢测头钨钢测头 8-8-限位挡板限位挡板 9-9-电磁翻板电磁翻板 10-10-容器（料斗）容器（料斗）检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器 线位移传感器线位移传感器检测与传感器检测与传感器 电位器式位移传感器是基电位器式位移传感器是基于电阻分压比原理来进行位

9、移于电阻分压比原理来进行位移测量的，用于直线位移的测量，测量的，用于直线位移的测量，最大行程可达最大行程可达500mm。 2电位器式位移传感器电位器式位移传感器 电位器式位移传感器的输出电压电位器式位移传感器的输出电压Uo与直线位移与直线位移x成正比，即成正比，即 Uo（x/L）Ui L为直线电阻长度为直线电阻长度。 由于滑动触点与导电塑料和引出轨道之间相互由于滑动触点与导电塑料和引出轨道之间相互接触，易磨损，所以电位器式位移传感器适用于位接触，易磨损，所以电位器式位移传感器适用于位移变化不是很频繁的场合。移变化不是很频繁的场合。LxVCCOUTGNDVCC（棕）（棕）OUT（黑）（黑）GND

10、（蓝）（蓝）检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器 电涡流位移传感器是一种输出为电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件。当金属物体接近模拟量的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化或振荡频率的变化，可计算出与变化或振荡频率的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。被检物体的距离、振动等参数。 电涡流位移传感器属于非接触测电涡流位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响，量，工作时不受

11、灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。可在各种恶劣条件下使用。3. 电涡流位移传感器电涡流位移传感器检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器4. 电涡流位移传感器应用（电涡流位移传感器应用（1）注塑机开合模间隙注塑机开合模间隙封口机工作间隙封口机工作间隙检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器4. 电涡流位移传感器应用（电涡流位移传感器应用（2）偏心和振动检测偏心和振动检测冷轧板厚度测量冷轧板厚度测量 线位移传感器线位移传感器检测与传感器检测与传感器 在透射式直线光栅中，把主光在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中

12、间留有很小的间隙，并使一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角两者的栅线保持很小的夹角 。在两。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，该由于相互挡光作用而形成暗带，该亮暗带称摩尔条纹。光栅水平方向亮暗带称摩尔条纹。光栅水平方向正反移动时，摩尔条纹上下移动。正反移动时，摩尔条纹上下移动。因为摩尔条纹对栅距的放大作用，因为摩尔条纹对栅距的放大作用，摩尔条纹距离为摩尔条纹距离为L（LW），光），光敏元件将摩尔条纹转换为脉冲信号。敏元件将摩尔条纹转换为脉冲信号。每移动

13、一个栅距，即产生一个脉冲每移动一个栅距，即产生一个脉冲信号。信号。光栅指标：线光栅指标：线/mm 如如 1 0 0 线线 / m m ， 则 栅 距， 则 栅 距W=0.01mm，若计数脉冲，若计数脉冲1000，则光，则光栅移动距离为栅移动距离为0.011000=10mml 原原 理理检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器5. 直线光栅直线光栅尺身尺身可移动电缆可移动电缆扫描头扫描头透射式光栅透射式光栅反射式光栅反射式光栅摩尔条纹摩尔条纹l 概概 述述 线位移传感器线位移传感器检测与传感器检测与传感器l 输出信号输出信号 线位移传感器线位移传感器检测与传感器检测与传感器 倍频技术能

14、在不增加光栅刻线数及倍频技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用大小。采用4 4倍频技术后，计数脉冲的倍频技术后，计数脉冲的频率提高了频率提高了4 4倍，相当于原光栅的分辨倍，相当于原光栅的分辨力提高了力提高了3 3倍，测量步距是原来的倍，测量步距是原来的1/41/4，较大地提高了测量精度。较大地提高了测量精度。 倍频前倍频前 倍频后倍频后l 倍倍 频频 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为，细分数为4细分，则：细分，则： 分辨力分辨力

15、=W /4 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，在不增加光栅刻采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提线数（成本）的情况下，将分辨力提高了高了3倍。倍。 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器1. 圆盘形电位器式角位移传感器圆盘形电位器式角位移传感器 电位器式角位移传感器是电位器式角位移传感器是基于电阻分压比原理来进行角基于电阻分压比原理来进行角度测量的。度测量的。 电位器式角位移传感器的输电位器式角位移传感器的输出电压出电压Uo与角位移与角位移，即，即 Uo（ /360）UiVCCGND OUT检测与传感器检测与传感器 角位移传感器角位

16、移传感器2. 编码器编码器 轴式轴式套式套式电信号电信号二进制编码二进制编码脉冲脉冲 l 外观外观 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器位置反馈位置反馈 x 通过测量滚珠丝通过测量滚珠丝杠的角位移杠的角位移 ，间接间接获得工作台的直线位获得工作台的直线位移移x x，构成，构成位置半闭位置半闭环环伺服系统。伺服系统。xt/360 螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距l 测量方式测量方式检测与传感器检测与传感器 角位移传感器角位移传感器1 1 1 1 337.5 输出输出n位二进制编码，每一个位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。编码对应唯一的角度。 0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5

17、 0 0 1 0 45 1 1 1 1 337.5 3. 绝对式测量绝对式测量（ABS）l 二进制编码二进制编码 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器4位二进制码盘位二进制码盘4个电刷个电刷 （导电为（导电为“1”1”，非导电为，非导电为“0”0”） 最小分辨角最小分辨角 3602n 当当n4， 3602422.5 l 分辨角分辨角 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器绝对式光电码盘绝对式光电码盘增量式光电码盘增量式光电码盘l 码盘码盘 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器 输出信号为一串脉冲，每一输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角个脉冲对应一个分

18、辨角 ，对脉，对脉冲进行计数冲进行计数N，就是对，就是对 的累加，的累加，即，角位移即，角位移 N。 如：如： 0.352 ，脉冲，脉冲N1000，则：，则： 0.352 1000 352 4. 增量式测量（增量式测量（INC）l 输出信号及分辨角输出信号及分辨角 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器码盘码盘光栏板光栏板LED零位标志（一转脉冲）零位标志（一转脉冲）光敏元件光敏元件 360条纹数条纹数 透光条纹透光条纹l 内部结构内部结构 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器90 ABAB 光 敏 元 件 所光 敏 元 件 所产生的信号产生的信号A、B彼此相差彼此相差9

19、0 相位，相位，用于辨向。当码用于辨向。当码盘正转时，盘正转时，A信号信号超前超前B信号信号90 ；当码盘反转时，当码盘反转时，B信号超前信号超前A信号信号90 。l 辨向辨向 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器ABABA 超前于超前于B 90，正向，正向A 滞后于滞后于B 90，反向，反向l 辨向脉冲信号辨向脉冲信号 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器 / /4细分前细分前4细分后细分后 在现有编码器的条件下，在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分码器的分辨力只有一个分辨

20、角的大小。采用辨角的大小。采用4细分技细分技术后，计数脉冲的频率提术后，计数脉冲的频率提高了高了4倍，相当于将原编码倍，相当于将原编码器的分辨力提高了器的分辨力提高了3倍，测倍，测量分辨角是原来的量分辨角是原来的1/4，提，提高了测量精度。高了测量精度。l 倍频倍频 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器 一转（360）CC 在码盘里圈，还有一条在码盘里圈，还有一条狭缝狭缝C，每转能产生一个脉，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称冲，该脉冲信号又称“一转一转信号信号”或零标志脉冲，作为或零标志脉冲，作为测量的起始基准。测量的起始基准。l 零标志零标志 角位移传感器角位移传感器检测与传感

21、器检测与传感器lM法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合） m1T 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在，在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，则转速（个脉冲，则转速（r/min)为为 ： n = 60 65536 /（1024 5）=768 r/min 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，在个脉冲，在T 时间时间段内有段内有 m1 个脉冲产个脉冲产生，则转速（生，则转速（r/min)为为: n = 60m1/（NT）5. 增量式编码器数字测速增量式编码器数字测速 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器lT法测速（适合

22、于低转速场合）法测速（适合于低转速场合） 编码器输编码器输 出脉冲出脉冲时钟脉冲时钟脉冲fc m2 编码器每转产编码器每转产生生 N 个脉冲，用已个脉冲，用已知频率知频率fc作为时钟，作为时钟，填充到编码器输出的填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的两个相邻脉冲之间的脉冲数为脉冲数为m2，则转速，则转速(r/min)为：为： n = 60fc / （Nm2 ） 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频，时钟频率率fc为为1MHz ，则转速（，则转速（r/min)为为 ：n = 60fc

23、 /（Nm2 ）=60106/（10243000）=19.53 r/min 对采用增量式位置检测装置的伺服系统（如增量式光电编码器或增量对采用增量式位置检测装置的伺服系统（如增量式光电编码器或增量式光栅等），因为输出信号是增量值（一串脉冲），失电后控制器就失去了式光栅等），因为输出信号是增量值（一串脉冲），失电后控制器就失去了对当前位置的记忆。因此，每次开机启动后要回到一个基准点，然后从这里对当前位置的记忆。因此，每次开机启动后要回到一个基准点，然后从这里算起，来记录增量值，这一过程称回参考点。算起，来记录增量值，这一过程称回参考点。限位开关限位开关移动部件移动部件限位开关限位开关回参考点回参

24、考点减速开关减速开关动作元件动作元件撞块式撞块式光电断续器光电断续器接近开关接近开关 回参考点方法回参考点方法检测与传感器检测与传感器栅格法回参考点栅格法回参考点 当随滑台一起运动的撞当随滑台一起运动的撞块压下减速开关，使其由块压下减速开关，使其由OFF转为转为ON后，滑台减速后，滑台减速并按参数设定的速度继续运并按参数设定的速度继续运动。动。 当移动了撞块行程后，当移动了撞块行程后，减速开关由减速开关由ON转为转为OFF状状态，控制器等待栅格信号的态，控制器等待栅格信号的出现。该信号一出现，滑台出现。该信号一出现，滑台立即停止运动，此时，滑台立即停止运动，此时，滑台到达的位置是电气原点。由到

25、达的位置是电气原点。由于调整时做不到电气原点和于调整时做不到电气原点和参考点位置完全重合，存在参考点位置完全重合，存在误差，通过测量这一误差值，误差，通过测量这一误差值，采用对参考点补偿的方法来采用对参考点补偿的方法来校正，即参考点偏移补偿。校正，即参考点偏移补偿。撞块行程撞块行程减速开减速开关信号关信号快进快进减速回参考点减速回参考点轴移动速度轴移动速度栅格信号栅格信号（一转信号）（一转信号）电气电气原点原点机床参机床参考点考点回参考点减速开关回参考点减速开关（行程开关）（行程开关）OFFOFFON回参考点方向回参考点方向开始找参开始找参考点信号考点信号参考点参考点到达应到达应答信号答信号控

26、制器信号控制器信号偏移补偿偏移补偿有有效效无无效效无无效效 回参考点方法回参考点方法检测与传感器检测与传感器6. 编码器编码器在数控车床主轴控制中的应用在数控车床主轴控制中的应用l 主轴编码器主轴编码器 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器l 主轴编码器用于主轴编码器用于C 轴控制轴控制自驱刀头自驱刀头CZn工件工件 角位移传感器角位移传感器检测与传感器检测与传感器卡盘卡盘主轴编码器主轴编码器主轴主轴回转刀盘回转刀盘ZCn检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器 通常是指转速传感器。有测速发电机模拟测速、光电编码器数字测速、电通常是指转速传感器。有测速发电机模拟测速、光电编码

27、器数字测速、电涡流测速及霍尔测速等。涡流测速及霍尔测速等。UnnUnn+Un maxUn max+nmaxnmax1. 测速发电机测速发电机检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器n鉴鉴 相相PAPBCP方向方向TTL2. 增量式增量式光电编码器数字测速光电编码器数字测速ff n M法测速、法测速、T法测速和法测速和M/T法法测速。详见光电编码器的内容。测速。详见光电编码器的内容。 方向方向TTL为高电平时，表示为高电平时，表示CP脉脉冲为正转计数脉冲；方向冲为正转计数脉冲；方向TTL为低电为低电平时，表示平时，表示CP脉冲为反转计数脉冲。脉冲为反转计数脉冲。PAPB90 检测与传感器检

28、测与传感器 速度传感器速度传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 若金属转轴表面有槽或齿，则可若金属转轴表面有槽或齿，则可在其旁边非接触地安装电涡流式传感在其旁边非接触地安装电涡流式传感器用于转轴的转速测量，当转轴转动器用于转轴的转速测量，当转轴转动时，传感器周期地改变着与转轴表面时，传感器周期地改变着与转轴表面之间的距离，于是传感器输出频率也之间的距离，于是传感器输出频率也周期性地发生变化，可以用频率计测周期性地发生变化，可以用频率计测量出变化的重复频率，从而测出转轴量出变化的重复频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开有的转速。若转轴上开有Z个槽（或个槽（或齿），频率计的读数为齿），频

29、率计的读数为f（Hz），则），则转轴的转速转轴的转速n（r/min）为）为 n=60f / Z 市售的电涡流式转速表俗称市售的电涡流式转速表俗称“电感转速表电感转速表”，其工作，其工作原理实质上原理实质上是电涡流效应。是电涡流效应。检测与传感器检测与传感器 电涡流传感器安装在齿轮端面。每转电涡流传感器安装在齿轮端面。每转过一个齿，传感器输出一个脉冲信号，在过一个齿，传感器输出一个脉冲信号，在设定的时间内对脉冲进行计数即可获得脉设定的时间内对脉冲进行计数即可获得脉冲频率，再根据齿轮齿数，就可获得齿轮冲频率，再根据齿轮齿数，就可获得齿轮的转速。之所以设置的转速。之所以设置A、B两个传感器，两个传感

30、器，是因为要获得齿轮是正传还是反转的信息。是因为要获得齿轮是正传还是反转的信息。A、B两个传感器的输出波形如图中所示，两个传感器的输出波形如图中所示，从中获得如下信息：一是，从中获得如下信息：一是，A、B两路脉两路脉冲不是对齐的，而是有先后，称为超前或冲不是对齐的，而是有先后，称为超前或滞后，如滞后，如A脉冲超前脉冲超前B脉冲，则表示齿轮脉冲，则表示齿轮正转，如正转，如B脉冲超前脉冲超前A脉冲，则表示齿轮脉冲，则表示齿轮反转；二是，脉冲频率与齿轮转速是相对反转；二是，脉冲频率与齿轮转速是相对应的，转速越快，频率越高。应的，转速越快，频率越高。4.电涡流转速传感器用于齿轮转速测量的工程实例电涡流

31、转速传感器用于齿轮转速测量的工程实例 速度传感器速度传感器ABAB检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关5. 电涡流式（电感式电涡流式（电感式 ）接近开关在位置限位中的应用）接近开关在位置限位中的应用 电涡流接近开关（电感接近开关）的电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理工作原理 电感接近开关由电感接近开关由LCLC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开接近辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物关振

32、荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。是导电性能良好的金属物体。检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（1）检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关动作（检测）距离动作（检测）距离 被测体按一定方被测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称值

33、。位置到检测面的空间距离的标称值。 设定距离设定距离 指整定距离，一般为额定指整定距离，一般为额定动作距离的动作距离的0.8倍，以保证工作可倍，以保证工作可靠。靠。 复位距离复位距离 接近开关动作后，又再次接近开关动作后，又再次复位时的与物的距离，它略大于动作复位时的与物的距离，它略大于动作距离。距离。回差值回差值 动作距离与复位距离之间的动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。越强。接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（2） 接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式（

34、又称埋入型）接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。定高度，否则将降低灵敏度。齐平式安装齐平式安装非齐平式安装非齐平式安装检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（3） 响应频率响应频率f 按规定，在按规定，在1秒的时间间隔内，秒的时间间隔内，

35、接近开关动作循环的最接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。 响应时间响应时间t 接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算：的时间之差。可用公式换算： t=1/ f检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（4 4） 输出状态：常开输出状态：常开/ /常闭型接近开关常闭型接近开关 当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的输出三极当无检测物体时，对常开型接近开关而言，由于接近开关内部的

36、输出三极管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管管截止，所接的负载不工作（失电）；当检测到物体时，内部的输出级三极管导通，负载得电工作。导通，负载得电工作。 对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，对常闭型接近开关而言，当未检测到物体时，三极管反而处于导通状态，负载得电工作；反之则负载失电。负载得电工作；反之则负载失电。 常用的输出形式有：常用的输出形式有： NPN二线、二线、 NPN三线三线、 NPN四线；四线； PNP二线、二线、 PNP三线、三线、 PNP四线；四线； DC二线、二线、AC二线、二线、 AC五线（带继电器）等几种，读者可

37、查阅以下有关资料。五线（带继电器）等几种，读者可查阅以下有关资料。检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关输出形式（输出形式（14）负载负载负载负载检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关输出形式（输出形式（58）负载负载负载负载负载负载检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器5. 霍尔式转速传感器原理霍尔式转速传感器原理 磁铁和开关型霍尔磁铁和开关型霍尔IC保持一定的间隙且固定不动，软铁分流翼片随转轴保持一定的间隙且固定不动，软铁分流翼片随转轴一起转动。当翼片转到磁铁与霍尔一起转动。当翼片转到磁铁与霍尔I

38、C之间时，磁场被屏蔽，霍尔之间时，磁场被屏蔽，霍尔IC输出高电输出高电平，反之为低电平。随着转轴的转动，霍尔平，反之为低电平。随着转轴的转动，霍尔IC输出一串脉冲，且转速越快，输出一串脉冲，且转速越快，脉冲频率脉冲频率f（Hz）越大。若翼片数为）越大。若翼片数为Z，则转轴的转速，则转轴的转速n（r/min）为：）为： n=60f / Z检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和

39、防止侧偏。6. 霍尔式转速传感器应用霍尔式转速传感器应用 检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象，这种现象称为称为霍尔效应霍尔效应。7. 霍尔效应霍尔效应 霍尔集成电路可分为线性霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。前者输出型和开关型两大类。前者输出电压在一定磁场强度范围内与电压在一定磁场强度范围内与磁场强度成线性关系；后者当磁场强度成

40、线性关系；后者当磁场强度超过规定的工作点磁场强度超过规定的工作点时，时，输出低电平，当磁场强度低于输出低电平，当磁场强度低于释放点时，输出高电平。开关释放点时，输出高电平。开关型集成电路是组成霍尔式转速型集成电路是组成霍尔式转速传感器的基础。传感器的基础。 检测与传感器检测与传感器 霍尔传感器多已集成化，霍尔传感器多已集成化，制成霍尔集成电路（又称霍尔制成霍尔集成电路（又称霍尔IC），具有体积小、灵敏度高），具有体积小、灵敏度高的特点。的特点。8. 霍尔集成电路霍尔集成电路 速度传感器速度传感器开关型三端霍尔集成电路开关型三端霍尔集成电路检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器10.光电

41、断续器测速光电断续器测速 光电断续器的工作原理与光电断续器的工作原理与光电开关光电开关相同，相同，但其发射、接收器做在体积很小的同一塑料但其发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，为安装使用提供了方便。光电断续壳体中，为安装使用提供了方便。光电断续器有遮断型和反射型两种类型。器有遮断型和反射型两种类型。光电开关详见光电传感器的内容光电开关详见光电传感器的内容 齿盘每转过一个齿盘每转过一个齿，光电断续器就输齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘计数，即可获得齿盘转速和角位移。转速和角位移。 光电断续器广泛应用于自动控制光电断

42、续器广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器办公设备和家用电器中。光电断续器的发光二极管可以用直流电驱动，亦的发光二极管可以用直流电驱动，亦可用可用40kHz尖脉冲电流驱动；红外尖脉冲电流驱动；红外LED的正向压降约为的正向压降约为1.11.3V，驱动，驱动电流控制在电流控制在20mA以内。以内。检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器逻辑逻辑电路电路6个功率管的个功率管的导通、关断导通、关断 在电动机尾部机座上固定着霍在电动机尾部机座上固定着霍尔开关组件，组件上有三个霍尔开尔开关组件，组件上有三个霍尔开关；转

43、子上有带磁性条的感应盘，关；转子上有带磁性条的感应盘，并随转子在霍尔开关槽内旋转。当并随转子在霍尔开关槽内旋转。当磁性条与霍尔开关对应时，霍尔开磁性条与霍尔开关对应时，霍尔开关便发出信号，该信号反映了转子关便发出信号，该信号反映了转子转过的角度，经控制电路处理后对转过的角度，经控制电路处理后对定子三相绕组进行换向控制，实现定子三相绕组进行换向控制，实现了电子换向器的功能。了电子换向器的功能。9. 直流无刷电机换相直流无刷电机换相控制控制 （BLDCM）霍尔开关霍尔开关3磁性环磁性环 加速度传感器加速度传感器检测与传感器检测与传感器1压电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器 压电式振动加速度

44、传感器是一种接触压电式振动加速度传感器是一种接触式测量的传感器。当传感器与被测振动加式测量的传感器。当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械速度的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，运动的振动加速度作用，压电晶片压电晶片受到质受到质量块惯性引起的压力，大小由量块惯性引起的压力，大小由Fma决定。决定。惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电惯性引起的压力作用在压电晶片上产生电荷，电荷由引出电极输出，由此将振动加荷，电荷由引出电极输出，由此将振动加速度转换成电参量。速度转换成电参量。 许多压电加速度传感器将电荷放大器许多压电加速度传感器将电荷放大器做在同一壳体中，传感

45、器输出信号是电压，做在同一壳体中，传感器输出信号是电压，同时用标准重力加速度同时用标准重力加速度g作为加速度的单位，作为加速度的单位，所以压电加速度传感器的灵敏度单位为所以压电加速度传感器的灵敏度单位为mV/g，通常为，通常为101000mV/g。 技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：4-4000Hz安装谐振点安装谐振点:15kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：40g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性：线性：1%检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器2压电晶片压电晶片 某些电介质在沿一定方向上受到外力作某

46、些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面会产生电荷，产生的电荷量与所受外其表面会产生电荷，产生的电荷量与所受外力的大小成正比；当外力去掉后又重新回到力的大小成正比；当外力去掉后又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。具不带电的状态，这种现象称为压电效应。具有压电效应的电介质有石英晶体、压电陶瓷有压电效应的电介质有石英晶体、压电陶瓷等。压电效应产生的电荷经电荷放大器放大等。压电效应产生的电荷经电荷放大器放大后转换成电压值。后转换成电压值。 在压电式动态力传感器中，被测力通过在压电式动态力传感器中，被测力通过传力上盖使

47、压电晶片受压力作用而产生电荷，传力上盖使压电晶片受压力作用而产生电荷，通过电极和引出插头将电荷输出。电荷量与通过电极和引出插头将电荷输出。电荷量与所受的动态力成正比，只要用电荷放大器测所受的动态力成正比，只要用电荷放大器测出电荷的变化量就可测量出动态力的变化量。出电荷的变化量就可测量出动态力的变化量。 当力的方向改变时，电当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。泄漏、消失。检测与传感器检测与传感器 加速度传感

48、器加速度传感器3振动的时域和频谱分析振动的时域和频谱分析 频谱图或频域图：它的横坐标为频率频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。时域波形时域波形频域波形频域波形检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器4频谱分析法进行故障诊断频谱分析法进行故障诊断 频谱频谱分析仪分析仪检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器5电容式加速度传感器电容式加速度传感器 电容式加速度传感器外观与普电容式加速度传感器

49、外观与普通集成电路相似。通过表面微加工通集成电路相似。通过表面微加工技术，在硅衬底上制造出三个多晶技术，在硅衬底上制造出三个多晶硅电极，组成差动电容。底层和顶硅电极，组成差动电容。底层和顶层多晶硅固定不动，中间层多晶硅层多晶硅固定不动，中间层多晶硅是一个可以上下振动的振动片。当是一个可以上下振动的振动片。当电容加速度传感器受到上下振动时，电容加速度传感器受到上下振动时，电容差动电容差动变化，与加速度测试单元变化，与加速度测试单元封装在一起的信号处理电路将电容封装在一起的信号处理电路将电容变化量抟换成电压输出。电容加速变化量抟换成电压输出。电容加速度传感器允许的撞击加速度可达度传感器允许的撞击加

50、速度可达100g以上。以上。 1加速度测试单元加速度测试单元 2信号处理电路信号处理电路 3衬底衬底 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5硅悬臂梁硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器6电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个加速度测量范围为数个g，可输出与，可输出与加速度成正

51、比的电压，也可输出占加速度成正比的电压，也可输出占空比正比于加速度的空比正比于加速度的PWM 脉冲。脉冲。 使用加速度传感器可以在汽车发生使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器7差动差动电容电容 电容的大小与极板的面积、电容的大小与极板的面积、极距和极板间的介质有关。极距和极板间的介质有关。 当极板面积和介质不变时，电当极板面积和介质不变时，电容大小与极距成反比。当动极板容大小与极距成反比。当动极板在两静极板中间时，电容在两静极板中间时，电容C1等于等于C2，总电容值，总电容值C等于

52、零（等于零（CC1C20），当动极板向上有微小移），当动极板向上有微小移动时，电客动时，电客C1增大增大C（C1C1C），电客），电客C2减小减小C（C2C2C），则总电容），则总电容CC1C22C，这就是差动的基本原理。，这就是差动的基本原理。C1C2 测力传感器测力传感器检测与传感器检测与传感器金属箔式应变片金属箔式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片1. 应变片应变片 导体或半导体材料在外界力的作用下会产生机械变形，其电导体或半导体材料在外界力的作用下会产生机械变形，其电阻值也将随之发生变化，这种现象称为应变效应。电阻丝或半导阻值也将随之发生变化，这种现象称为应变效应。电阻丝或半导体应变片

53、的电阻相对变化量体应变片的电阻相对变化量R/R与材料力学中的轴相应变与材料力学中的轴相应变x的关的关系在很大范围内是线性的。系在很大范围内是线性的。检测与传感器检测与传感器 测力传感器测力传感器电桥平衡条件电桥平衡条件 ： R1/R2=R4/R3 调 节调 节 R P ， 最 终 可 以 使， 最 终 可 以 使R1 /R2 =R4/R3（ R1 、R2 是是R1、R2并联并联RP后的等效电阻），电后的等效电阻），电桥趋于平衡，桥趋于平衡，Uo被预调到零位，被预调到零位，这一过程称为调零。图中的这一过程称为调零。图中的R5是是用于减小调节范围的限流电阻。用于减小调节范围的限流电阻。 2. 电桥

54、平衡电路电桥平衡电路检测与传感器检测与传感器 测力传感器测力传感器FF 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类： （1）将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构）将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。 （2）是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变）是将应变片贴于被测试件上

55、，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。仪上读取被测试件的应变量。固定端固定端F悬臂梁弹性元件悬臂梁弹性元件S型弹性元件型弹性元件3. 弹性敏感元件弹性敏感元件 测力传感器测力传感器检测与传感器检测与传感器F应变片应变片FF4. 应变式荷重传感器应变式荷重传感器 应变式荷重传感器主要用来测力和称重。应变式荷重传感器主要用来测力和称重。 应变片应变片粘贴在承重等截面钢制圆柱表面上，当等截面圆柱受粘贴在承重等截面钢制圆柱表面上，当等截面圆柱受外加力作用时外加力作用时,应变片随圆柱的变形而产生相应的变形，应变片随圆柱的变形而产生相应的变形，从而使应变片的电阻值发生变化，应变片组

56、成的电桥从而使应变片的电阻值发生变化，应变片组成的电桥电路将电阻的变化量转换成相应的电压输出，经后续电路将电阻的变化量转换成相应的电压输出，经后续电路处理显示出外加力的大小。电路处理显示出外加力的大小。 荷重传感器荷重传感器（共（共 3个，个，120度分布）度分布）底座底座检测与传感器检测与传感器 测力传感器测力传感器垫块垫块电缆电缆底座底座被测构件被测构件5. 荷重传感器称重荷重传感器称重 压力传感器压力传感器检测与传感器检测与传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上（俗称电阻处于同一硅片上（俗称“硅杯硅杯”），），工艺一致性好，灵敏度相等，

57、漂移抵消，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。迟滞、蠕变非常小，动态响应快。1. 压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 压力传感器压力传感器检测与传感器检测与传感器2. 压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器不锈钢隔离、承压膜片不锈钢隔离、承压膜片压力压力 p硅杯硅杯 隔离、承压膜片可隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片体与硅膜片 隔离开来。隔离开来。 压力传感器压力传感器 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口3. 小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器进气管进气

58、管 当硅杯两侧有压力差时，硅当硅杯两侧有压力差时，硅杯产生变形，杯产生变形，4个应变片阻值发个应变片阻值发生变化，经电桥电路输出与压差生变化，经电桥电路输出与压差成正比的电压。成正比的电压。 当进气口向大气敞开时，当进气口向大气敞开时，输出电压对应于输出电压对应于“表压表压”（相（相对于大气压的压力）；当进气对于大气压的压力）；当进气口封闭并抽真空时，输出电压口封闭并抽真空时，输出电压对应于对应于“绝对压力绝对压力”。表压压力传感器表压压力传感器 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器1. 遮断式光电开关遮断式光电开关 遮断式光电开关遮断式光电开关由相互由相

59、互分离且相对安装的光发射器和分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。红外线而产生开关信号。Receiver被检测物体被检测物体光发射器光发射器光接收器光接收器 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器2. 定区域反射式光电开关定区域反射式光电开关 定区域式光电开关有一个定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光该区域的被测物体不会引起光电开关

60、产生开关信号。电开关产生开关信号。检测距离检测距离检测距离 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器 反射镜使用偏光三角棱镜，反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射镜反射回来的偏振光。反射镜反射镜被测物体被测物体偏振光偏振光发射光发射光3. 反射镜反射型光电开关反射镜反射型光电开关 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器 漫反射型光电开关漫反射型光电开关集集