机电一体化讲义-3

1、2.7光电传感器l 在车辆自动控制过程中充当着重要的角色l 分类：光束传感器、反射传感器、散射传感器l 原理：通过发射器发出可见、不可见或红外光，被接收器所接收，并转换成电信号。l 特点：(1) 无接触检测，减少了被测物及探头的磨损，确保产品的使用寿命与安全操作。(2) 被测物的材料不受限制，可测玻璃、塑料、木质及液体等各种的被测材料。(3) 长距离检测，反射传感器的检测距离可达。(4) 反应速度快，其反应能力在50s之内。(5) 可分辨颜色。(6) 高精度检测，利用奇特的视觉系统和精确的电子线路可以实现对物体的精确测量。l 光电传感器分为亮通型与暗通型两类。2.7.1光电器件l 分类：光电发

2、射器、光电探测器2.7.1.1 光电发射器件 (1)热辐射光源：如白炽灯。光谱连续、价格便宜 (2)气体放电光源：如氙灯光源等。气体超高压放电发光。特点：效率高，发热少。 (3)电致发光器：PN结发光（发光二极管）。特点：功率低，驱动电压低，效率高，可直接调制，小型化等。 (4)激光器：a. 氦氖激光器：l 特点：输出连续，频率稳定，相干性与方向性极强，居各类激光之首。但效率低体积大，电源复杂。b.半导体激光器：l 特点：效率相当高，容易调制，体积小，结构简单，抗振性能好，但方向性差，PN结掺杂影响大。2.7.1.1 光电探测器件l 原理：光电探测器件是利用物体的光电效应。l 分类：光电导效应

3、，光伏效应和光电子发射效应三种。1.光电导器件(光敏电阻)l 注意：光敏电阻必须在适当的波长光照射下，电阻才会改变。图2-7-1光敏电阻的原理图 2-7-2 CdS、CdSe光谱响应曲线2.光伏效应器件(光电二极管与光敏三极管)l 原理：利用光照在半导体器件上产生伏特效应而制成的器件，应用极广。图2-7-3光电二极管伏安特性 图2-7-4光电二极管光谱响应曲线(1)光电二极管l 原理：在光的照射下，光电二极管产生光电流。注意：光电流向光电二极管的反方向流动。l 伏安特性：见图2-7-3（a）。l 等效电路：电流源与二极管的并联，如图2-7-3(b)所示l 光谱特性：如图2-7-4。(2)光电三

4、极管l 工作原理：光电转换，其功能同光电二极管；光电流放大，将光电流放大几十部至几百倍。l 分类：无基极引线、有极基引线两种。a)无基极引线光电管靠光的注入代替基极的信号输入，并将集电结产生的光电流放大。b)有基极引线光电管设置基极的主要目的是为了预置一个基极电流l 优点： 减小了光电三极管发射极的电阻，可以改善弱光下的响应时间； 使光电三极管的交流放大系数进入线性区，这对调制光的检测特别有利。(3)光电池l 分类：硅光电池（最受欢迎）、硒光电池、硫化镉光电池、氧化亚铜光电池、砷化钾光电池等。l 硅光电池：性能稳定，光谱范围宽；频率特性好；换能效率高；能耐高能辐射等。图2-7-5光电三极管输出

5、特性图 2-7-6硅光电池光照特性曲线2.7.2光束传感器l 特点：发射器与接收器分开。图2-7-7光束传感的电气结构图2.7.3反射传感器l 特点：发射器与接收器放于同一个外壳内。图2-7-8带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构l 常规反射传感器：不能检测反光体，易产生误动作。l 带偏振片的反射传感器：无论是否反射体在遮住光通路后就一定能被检出。与常规反射传感器的区别：（1） 在发射器与接收器的光通道上分别安装了互成直角的偏振片；（2） 采用三角反射镜，经它反射的偏振光其振荡面旋转90°。2.7.4散射传感器，l 结构：发射器与接收器也置于同一个外壳内，发出的光照在被测物体上，并

6、被反射回来，被接收器接收。l 特点：对传感区域内发光与不发光的物体只要在传感器的灵敏度范围内，都可被检测。图2-7-9散射传感器的工作原理2.7.5红外传感器图2-7-10曲型红外传感器的电气结构l 用途：红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测。l 构成：光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成。2.8光纤传感器2.8.1光纤传感器概述l 起步：光纤传感器技术是70年代末发展起来的一项新型传感技术。l 技术构成：光纤传感技术是传统的光检测技术和纤维光学应用的结合l 应用范围：位移、振动、转速、温度、压力、电场、流量、浓度、PH值等70多项参数的检测。l 适用：普通光电传感器所不能适应的条件，

7、例如有限空间、高温、或危险地区，因而具有广泛的应用潜力。l 测量原理：外界待测信号调制光参数光纤光电探测器。l 调制参数：光可以看成简谐振荡的电磁波，其电场分量表达式为：E=E0sin(t+)因此光可以被调制的参数有四个，即光强度、相位、偏振角及频率。l 按调制形式分类：强度调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调制型。大部分传感器属于前三类。l 按光纤光纤作用分类：非功能型传感、功能传感两种。（1） 非功能型传感器：利用外加的敏感元件对光进行调制而光纤仅仅作为传光之用。（2） 功能型光纤传感器：光纤不仅有用作传光，本身也是敏感元件。l 功能型光纤传感器的调制原理： 温度、压力、振动 光纤 光纤

8、的长度、形状、折射率等发生变化 l 特点： 光纤中传输光的强度、相位、偏振态等发生变化(1)检则精度与灵敏度高。强度调制型光纤传感器的灵敏度与一般传感器不相上下，而相位调制型光纤传感器的灵敏度比普通传感器高出几个数量级，具有较大的动态范围。(2)响应速度高，频响宽，可实现非接触高速检测。(3)环境适应性强，由于光纤具有可挠曲、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰，本质安全防暴，因而光纤传感器适用于一切场合。(4)体积小、重量轻，因而具有可集成的替力。随着集成光学的发展，将有可能出现将敏感元件、光学元件、光纤等集成一体的光纤传感器。2.8.2光纤传感器工作原理(1)强度调制型光纤传感器l 特点：结构简单、

9、可靠性高、对光纤要求不高，信号检测简单等。图2-8-1强度调制型光纤传感器的几种基本形式及工作原理(2)相位调制型光纤传感器l 原理：外界待测信号作用于光纤时，引起光纤中传输的光的相位必生变化。l 测量：光相位变化难以直接检测出来，通常用光的干涉效应将光相位的变化转换为干涉强度的变化来检测。l 相位调制型光纤传感器又称为干涉型光纤传感器。l 相位调制型光纤传感器一般具有极高的灵敏度和动态范围。光纤干涉仪可以检测出小于10-6rad的相位变化。 例 温度变化11m长的光纤中光相位变化100rad分辨率达到10-8图2-8-2相位调制型光纤传感器的干涉系统及基本结构 (3)偏振调制型光纤传感器图2

10、-8-3偏振调制原理l 原理：法拉弟旋光效应（检测磁场与电场）；泡克尔效应（检则电场与电压）；光弹效应（测量应力）l 光弹效应原理：透明晶体在受到应力时，其内部对光的折射率发生变化。2.8.2光导纤维l 光传输的载体，应用很广。l 结构：一种透明的圆柱形细丝，中间是折射率极高的透明介质，外面一层是折射率较低的透明介质，再外层一般涂上环氧树脂和硅胶保护层，并在最外层加上套管。l 特点：可以弯曲，但弯曲后将对子午线光的传输产生一定的影响，但引起的损耗是很小的。图2-8-4光导纤维的结构及其损耗与波长的关系2.9线位移传感器2.9.1线位移传感器概述l 用途：测量距离，高度、宽度等l 种类：接触型与

11、非接触型。l 常用类型：电阻式、电容式、电感式、光电式，霍尔效应式等。l 重点介绍：半导体激光位移传感器、电蜗流位移传感器，属非接触型位移传感器。2.9.2半导体激光位移传感器图2-9-1半导体激光位移传感器 图2-9-2电蜗流位移传感器l 结构：包括一个发光元件（发光二极管、激光器）、一个位置敏感检测器l 原理：采用三角测量。通过检测聚焦到位置敏感检测器上的光柱点的运动即可确定工作物体的位移量。l 特点：(1)具有高分辨率，可对各种不同的材料进行精确测量。(2)测量范围宽，可对高温快速移动的物体进行测量。(3)具有先进的激光安全性，不会对被测物体或人造成伤害。(4)在任何安装位置均可实现精确

12、0V设定。(5)易于安装。2.9.3电蜗流位移传感器l 基本结构：由探头（线圈、骨架、壳体、射频电缆和射频插头）、与前置器构成。l 测量原理： 前置放大器 高频信号激励 线圈 产生高频磁场 金属表面会感应出涡流 涡流损耗 线圈磁感应强度变化 经前置器转换成电压信号 距离（线性关系）l 特点：20 非接触式测量 线性范围宽，080mm 动态响应好，0-10kHz 长期连续可靠工作，抗干扰能力强 在水、油等恶劣环境条件下工作 可长线传输 直接与A、D接口相连配计算机使用2.10光栅传感器2.10.1光栅传感器概述l 用途：精密直线位移、角位移测量，应用甚广l 举例：如高精度数控机床、三坐标轮廓仪、

13、直径测量仪器。l 精度：直线位移测量精度可达0.5m，转角位移测量精度可分度±1"(1、3600度)。l 组成：一块测量栅，一块指示光栅。l 结构原理：两栅均有相间条纹，间距相等，两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹也移动一个条纹间距。用光电元件接收透过两块光栅的光能量，根据计数器累计的信号数，就可测得移动长度或移过转角。图2-10-1长光栅模尔条纹 图2-11-1感应同步器的结构与工作原理2.11感应同步器l 特点：是一种数字传感器，l 分类：直线式与旋转式两种，前者用来检测直线位移，后者用来检测旋转角位移。l 结构：旋转式（定子、转子），直线式（定尺、滑尺）。滑尺上绕阻接成

14、S组(正弦绕组)与C组(余弦绕阻)。l 安装：定尺安装于固定部分，滑尺安装在运动部分，二者作间隙很小的非接触移动。l 原理： 正弦电压 S组 或C组 定尺上产生幅值按正弦或余弦变化的感应电势 输出信号可用幅值与相位来描述，通过鉴幅或鉴相系统可以检测出位移信号并进行数值显示。2.12接近传感器2.12.1接近传感器概述l 用途：属无触点接近开关，用于导电、导磁金属材料的限位置、固体料位和液体液位检测等l 常用的接近传感器：感应式接近传感器，电容式接近传感器，及电磁式接近传感器l 高精度的接近传感器，还能检测金属薄板及渡层的厚度。l 优点：不直接接触被测物体，开关及被测物均没有机械磨损，使寿命很长

15、，可适用于高速检测。l 原理：但当被测物体进入接近开关的灵敏区时，就会发出一个脉冲信号。l 灵敏区形状：探头附近的一个近似半球区域。2.12.2感应式接近传感器图2-12-1感应式接近传感器的工作原理l 适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量l 探头结构分类：有屏蔽的、无屏蔽的两种。后者测量距离较前者为大。l 结构：振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路组成。l 工作原理：振荡器在探头端部产生磁场作用区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。2.12.3电容式接近传感器l 适用：非接触、空间有限。如各种管道内流体的测量、料位测量及对金属物品测量。l 结构：由振荡器、斯密特电路及输出电路组成，

16、电容器的一个电极是传感电极，另一个电极是大地。l 原理：加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。图2-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理2.12.4电磁式接近传感器l 适用：非接触式导磁材料测量l 结构：内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧继电器。l 原理：导磁材料外界物体 靠近电磁式接近开关诱导面 磁场失去平衡 干簧继电器的触点闭合2.13流量传感器l 用途：对流动的介质液体或气体的流量进行检测的传感器。l 按工作原理分类：电子流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器、涡流流量传感器等。l 重点介绍：电子流量传感器与电磁流量传感器。2.13.1电

17、子流量传感器l 工作原理：基于热传导理论。两个精确温度电阻放置介质中，一个只受介质温度的影响，另一个被热源加热，介质流动时该电阻被冷却，比较两个电阻值，可得到传感信号，经二次仪表转化为介质的流量值。l 实际的流量传感器将两个电阻装于同一个传感器壳体内。图2-13-1电子流量感器原理 图2-13-2电磁流量感器原理2.13.2电磁流量传感器l 测量原理：基于法拉弟电磁感应定律。交流驱动 传感器内磁芯产生交变磁场 被测介质为（水、或酸、碱、盐等导电液体）流动时相当于导体切害磁力线 两个电极上产生感应电动势 引出检测感应电动势 确定流速 确定流量l 构成：电磁流量传感器、电磁流量转换器。2.14温度

18、传感器l 分类：高温传感器（热电偶、铂电阻以及红外辐射测温计）；常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）；低温传感器（铜电阻等）。2.14.1热敏电阻l 说明：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体元件。l 特点：体积小，灵敏度高，价格崐低，所以应用最为广泛。l 分类：一类电阻值随温度升高而增加（正的温度系数），一类随温度升高而降低（负的温度系数，常用）。l 特性：热电特性、伏安特性。2.14.1.1热敏电阻的热电特性l 定义：电阻值随温度变化的关系，以坐标图表示它是一条指数曲线：式中：RT温度为T时的电阻值；T绝对温度，K；A、B由材料及制造工艺决定的系数。图2-14-1热敏电阻的热电特性图 图2-

19、14-2热敏电阻的伏安特性图l 热敏电阻材料：铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等氧化物做成。l 改变这些混合物的成分，就可以改变热敏电阻的测量范围、阻值及A、B值。2.14.1.2热敏电阻伏安特性l 说明：热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻的电流与其两端电压之间的关系。l 原理：当热敏电阻的电流很小时，热敏电阻的伏安特性遵循欧姆定律；但当电流大到一定程度时，流过热敏电阻的电流使其自身温度升高，因而其阻值减小。l 因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止电流过大。2.14.2热电偶温度传感器l 说明：是较早的一种接触式温度传感器，测量可从室温至1800。所以至今仍是应用最广的温度传感器。l 发展趋势：标准化

20、（我国已8个品种）、小型化（最小的铠装热电偶直径为24mm）。l 测温原理：热电效应。将不同的导体或半导体A、B组成闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。l 输出电动势：与两种材料的性质及两接点的温度差有关，与导体的大小，接触面积及连接方式无关。其输出电势为：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0) 如果使热电偶的一个接点温度t0保持不变，设fAB(t0)=C，则上式可写成：EAB(t，t0)=fAB(t)-Cl 表明：产生的热电势EAB(t，t0)只与温度t有关，成为温度的单值函数。l 实际：使t端与工作介质接触，进行测温，称为工作端，t0端称为热电偶自由端或参考端

21、或冷端。l 冰点槽装置：用于在工作中将自由端保持0恒温，然后将工作端的温度与电势关系列成表格，供测量人员使用。图2-14-3热电偶效应图 2-14-4冰点槽装置2.15转速及角位移传感器l 编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。l 用途：用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。l 特点：(1)能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差；(2)易于实现系统的快速、自动和数字化；(3)测量系统量程大，长度可以达数米甚至更长，角度可以在360°范围内进行测量；(4)体积小，重

22、量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，使用和维护简单，工作可靠。2.15.1绝对式旋转编码器l 可直接从分度盘的编码图案中得出角度位置，然后转换成编码信号。l 即使电源有瞬间掉电，只要主轴转速在允许范围内，都能通过控制器或计算机编译成编码信号。2.15.2增量式旋转编码器l 以脉冲形式输出，被测物体每走过一个当量距离，编码器就输出一个脉冲。2.16图像传感器l 在机电控制、机器人的领域中起着重要的作用，尤以CCD图像传感器和红外线图像传感器应用最为广泛。l CCD图像传感器：典型例，日本KEYENCE公司生产的VH系列图像显微检测仪。l 红外线图像传感器：典型例，AVIONICS公司生产的TVS-

23、2000系列热图像系统。2.16.1 CCD图像传感器l 命名：CCD(Charge couple Device)即电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路的简称。l 结构：由感光部和CCD移位寄存器组成。l 原理：成像在CCD上的景物 感光部电信号 电子图像 CCD移位寄存器 放大器 输出l 分类：中按结构和信号电荷传送方式，又可分为线阵(一维)和面阵两种。2.16.1.1线阵CCD图像传感器图2-16-2048位线阵CCD图像传感器结构l 中间是一列感光单元（光电二极管阵），两侧分别设置了CCD移位寄存器。l 感光单元按位置的奇偶性，分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器

24、传送，最后在输出部汇合输出。l 在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。l 移位寄存器停顿时，转移栅开放，光电二极管所积累的电荷可以送到两侧的CCD移位寄存器中。l 接着转移栅关闭，感光部的光电二极管开始进行下一次读出的电荷积累。l 线阵CCD图像传感器广泛应用于传真等场合。2.16.1.2面阵CCD图像传感器l 分类：按构成分为两种：帧传送方式和行间传送方式。l 在帧传送方式垂直消影期中，感光部所积累的信号电荷快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。l 在行间传送方式中积累的电荷一次转送到邻接的垂直移位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。l 400×500像素和800×500像素的CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。l