机电一体化的单元技术

1第二章机电一体化的单元技术

第二章机电一体化的单元技术

22.3传感检测技术一、传感器的组成

传感器：是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于处理和传输的信号测量装置。非电信号－－电信号传感与检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现检测功能。检测系统主要由传感器及相应的信号处理电路构成。第二章机电一体化的单元技术

3现代检测技术是利用传感器来代替人的感觉器官实现对外界被测量的检测（感觉）。第二章机电一体化的单元技术

4被测量（非电量）物理量电参量电量（R、L、C）（U、I、f）敏感元件：直接感受、获取被测量并输出与被测量有确定关系的某种物理量的元件。转换元件：一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出转换成电参量形式的输出元件。转换电路：把转换元件输出的电路参量转换成便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。第二章机电一体化的单元技术

5气体压力传感器原理膜盒2外部与大气压相通，它的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转换电路5。敏感元件：膜盒2

转换元件：可变电感3转换电路5第二章机电一体化的单元技术

6二、传感器的分类及特性（一）分类按被测量：物理量、化学量、生物量按信号变化特征：结构型、物性型按工作原理：压电式、光电式、热电式等按输出量：开关型、模拟型、数字型第二章机电一体化的单元技术

7传感器分类：按输出量第二章机电一体化的单元技术

8（二）特性

特性:

输出与输入之间的关系

(1)静态特性：被测量处于稳定状态时，传感器的输入值与输出值之间的关系。主要技术指标：量程线性度灵敏度精度分辨率迟滞性重复性第二章机电一体化的单元技术

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量程在允许误差限内传感器的适用测量范围。线性度在静态输入下，传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差与满

量程值之比。第二章机电一体化的单元技术

10灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比。精度传感器的测量值与实际被测量之间的接近程度。精度一般用标定的方法来确定。第二章机电一体化的单元技术

11分辨率传感器能检测到的最小输入增量称分辨率。

在输入零点附近的分辨率称为阈值。迟滞性传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出/输入特性曲线不重合的程度。第二章机电一体化的单元技术

12重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出/输入曲线的不一致程度。零漂传感器在零输入状态下输出值的变化。

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13(2)动态特性指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。动态特性参数如：最大超调量、上升时间、稳定时间、频率响应范围、临界频率、临界速度、阻尼比等。第二章机电一体化的单元技术

14(三)传感器的发展方向（1）新型传感器（2）传感器的集成化和多功能化（3）传感器的智能化第二章机电一体化的单元技术

15三、机电一体化中常用的传感器位移检测传感器：光栅、旋转变压器、光电编码器速度检测传感器：测速发电机、光电式、差动变压器式加速度检测传感器：应变式、压电式力、力矩检测传感器：电阻应变压力传感器、力矩传感器温度、湿度、光度检测传感器第二章机电一体化的单元技术

16（一）位移传感器

1）线位移传感器

1.光栅光栅是一种数字式位移检测元件，利用莫尔条纹现象将直线位移或角位移转换成数字脉冲。光栅的分类根据用途：光栅尺（测直线位移）和光栅盘（测角位移）按材料：玻璃光栅和金属光栅按光源照射法：透射光栅和反射光栅光栅尺的结构第二章机电一体化的单元技术

17由标尺光栅1、指示光栅2、光源4、光电元件3组成，其中2、3、4装在读数头中。使用时，标尺光栅（主光栅）安装在机床活动部件上，读数头安装在机床固定部件上。两者的刻线密度相同，而刻线之间的距离称为栅距W。光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，200，250条等。光栅尺的工作原理第二章机电一体化的单元技术

18把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，由于遮光效应，光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，即莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。夹角θ越小，莫尔条纹间距B越大。标尺光栅移动位移X：n－莫尔条纹间距数莫尔条纹的特点①运动对应关系移动大小：光栅尺相对移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B。移动方向：光栅尺沿栅线垂直方向左右移动，莫尔条纹沿栅线方向上下移动。第二章机电一体化的单元技术

19②位移放大作用莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角θ（rad）之间关系：放大倍数：③均化误差作用第二章机电一体化的单元技术

20光栅测量系统第二章机电一体化的单元技术

21通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号。其电压为：

如果仅放置1个光电元件，光栅尺每移动1个栅距W，光电元件输出信号变化1个周期，经放大、整形、微分后得到1个脉冲信号，再经辨向和可逆计数器则可计算位移量。辨向：如果仅放置1个光电元件，只能确定位移大小，要实现辨向则至少需要2个光电元件（相距B/4）。亮暗亮暗亮细分

提高测量分辨率第二章机电一体化的单元技术

224细分（倍频）原理:在光栅移动1个栅距的位移时，得到4个计数脉冲。sincos-sin-cossincos第二章机电一体化的单元技术

23（一）位移传感器

2）角位移传感器1.旋转变压器

旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。构造

从结构上看，旋转变压器与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成。

旋转变压器又有单极对和多极对之分。正余弦旋转变压器结构D1D2-激磁绕组D3D4-辅助绕组Z1Z2-余弦输出绕组Z3Z4-正弦输出绕组定子转子双极对第二章机电一体化的单元技术

241.旋转变压器工作原理从原理上看，旋转变压器相当于一台可以旋转的变压器。当以一定频率的激磁电压加于定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压与转子转角保持某种严格函数关系。正余弦旋转变压器：输出电压与转子转角成正、余弦函数关系线性旋转变压器：输出电压与转子转角在一定转角范围内与转角成正比关系第二章机电一体化的单元技术

251.旋转变压器测量方式（正余弦旋转变压器）当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90°的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即可见，转子输出电压的相位角和转子转角θ之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得转子转角θ，即可测得被测轴的角位移。实际使用时，把定子余弦绕组励磁电压U2的相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压的相位做比较，来确定转子转角θ的大小。鉴相式第二章机电一体化的单元技术

261.旋转变压器测量方式（线性旋转变压器）线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式。则在一定转角范围内，其输出电压和转子转角θ成线性关系。此时输出电压为：选定变压比k及允许的非线性度，则可推算出满足线性关系的转角范围。应用1）位置传感器2）解算元件3）移相器第二章机电一体化的单元技术

27伺服电机专用绕线式旋变混合动力车专用绕线式旋变第二章机电一体化的单元技术

28（一）位移传感器

2）角位移传感器2.光电编码器光电编码器是一种用于角度检测的数字式传感器，它将输入轴的角度，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式两种。第二章机电一体化的单元技术

291.增量式光电编码器增量式编码器是只输出脉冲的编码器它由主码盘、光栅板（鉴向盘）、光学系统、光敏元件组成。分辨角A、B

两相的作用:

角位移、转速、转向、

细分处理Z相的作用周向定位基准、圈数第二章机电一体化的单元技术

30常用的脉冲编码器每转输出的脉冲数有：2000，2500，3000p/r，高分辨率20000，25000，30000p/r。角位移测量第二章机电一体化的单元技术

31辨向第二章机电一体化的单元技术

32细分（倍频）第二章机电一体化的单元技术

332.绝对式编码器绝对式编码器输出代表被测轴角位移的数字量。分光电式、接触式、电磁式三种。光电式由旋转码盘、光源和光电元件组成，码盘的圆周上刻有同心光学码道图案。分辨角

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342.绝对式编码器由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，二进制编码的码盘会产生读数误差。为了消除非单值性误差，可采用循环码盘和带判位光电装置的二进制循环码盘来实现。a)二进制码b)循环码c)带判位装置第二章机电一体化的单元技术

36编码器在机床中的应用1）位移测量2）主轴控制3）转速测量第二章机电一体化的单元技术

37（二）速度、加速度传感器

1）速度传感器1.直流测速发电机测速发电机是一种速度检测元件，将机械转速转换为电压信号的微型发电机。分类按定子磁极的励磁方式：电磁式和永磁式按电枢结构形式：有槽电枢、无槽电枢、空心杯电枢、圆盘电枢近年来，因自动控制系统的需要，又出现了永磁式直线测速发电机第二章机电一体化的单元技术

38

直流测速发电机分类第二章机电一体化的单元技术

39结构（永磁式）第二章机电一体化的单元技术

40工作原理恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生感应电动势，经换向器和电刷转换成与转速成正比的直流电势。第二章机电一体化的单元技术

41测速发电机的输出电压U0与转速n关系：第二章机电一体化的单元技术

42当负载电阻RL→∞时，输出电压u0与转速n严格成正比。对于不同的负载电阻RL，测速发电机有不同斜率，并随着负载电阻的减小而减小。

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43特点

输出特性曲线斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，其构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。用途

在机电系统中常作测速元件，校正元件，解算元件和角加速度信号元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把测速机直接连接到电动机轴。有的电动机本身就安装了直流测速发电机。第二章机电一体化的单元技术

44（二）速度、加速度传感器

1）速度传感器2.光电式速度传感器光电式速度传感器将速度的变化转变成光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转变成电量的变化。光电转换元件的工作原理是光电效应。光电式速度传感器物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔△t，则可测得速度为第二章机电一体化的单元技术

45光电式转速传感器—光电增量编码器光电增量编码器装在被测轴，当编码盘随被测轴转动时，码盘每转一周，光电器件输出与码盘缝隙数相等的电脉冲Z，根据测量时间t(s)内脉冲数N，可测得转速为第二章机电一体化的单元技术

46脉冲频率法该方法测量精度与被测转速相关第二章机电一体化的单元技术

473.差动变压器式速度传感器差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度v（m/s）相对应的电压输出，即第二章机电一体化的单元技术

48（二）速度、加速度传感器

2）加速度传感器加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，并将加速度进一步转化成电量来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式、压电式和电容式。电阻应变式加速度计

它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，根据梁上固定的应变片的变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。第二章机电一体化的单元技术

49压电加速度传感器使用时传感器固定在被测物体上，利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。第二章机电一体化的单元技术

50第二章机电一体化的单元技术

51（三）力、压力、力矩传感器

按工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式。电阻应变式—电阻应变效应第二章机电一体化的单元技术

521）测力传感器柱式弹性元件柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。应力与应变的关系为：第二章机电一体化的单元技术

531）测力传感器悬臂梁式弹性元件结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01N到几KN的拉、压力。在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P，则应变与P的关系为：第二章机电一体化的单元技术

542）压力传感器膜式压力传感器它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称平膜板或膜片，其一表面承受被测分布压力，另一侧面粘有应变片或专用的箔式应变花，并组成电桥。膜片在被测压力p作用下发

生弹性变形，应变片在任意

半径r的径向应变和切向应

变分别为：第二章机电一体化的单元技术

552）压力传感器筒式压力传感器它的弹性元件为薄壁圆筒，筒的底部较厚。这种弹性元件的特点是，圆筒受到被测压力后表面各处的应变是相同的。因此应变片的粘贴位置对所测应变不影响。薄壁圆筒厚壁圆筒第二章机电一体化的单元技术

563）力矩传感器机器人手腕用力矩传感器无触点检测力矩第二章机电一体化的单元技术

574）力和力矩复合传感器机器人十字架式腕力传感器这是一种用来测量机械手与支座间的作用力，从而推算出机械手施加在工件上力的传感器。第二章机电一体化的单元技术

584）力和力矩复合传感器机器人腕力传感器应用腕力传感器，可以控制机械手进行孔轴装配、棱线跟踪、物体表面的平面区域的方向检测等作业。（四）位置传感器

位置传感器与位移传感器区别：用途

前者检测被测物是否达到某一位置；后者检测被测物位移的变化量输出信号形式

前者输出开关量；后者输出反映位移量变化的模拟量或数字量位置传感器分类：接触式：获取两个物体是否已接触非接触式：判别在某一范围内是否有某一物体第二章机电一体化的单元技术

59行程开关行程开关是一种接触式位置传感器。它由3部分组成：操作头、触头系统和外壳。操作头是开关的感测部分，它接受机械结构的动作信号，并将此信号传递到触头系统。触头系统是开关的执行部分，它将机械信号转换为电信号，输出到有关控制电路。一般行程开关备有一对常开、一对常闭触点。第二章机电一体化的单元技术

60接近开关一种非接触式、无触点位置检测元件。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。它能在一定距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。按工作原理分有高频振荡型、电容型、霍尔效应型等多种。第二章机电一体化的单元技术

61第二章机电一体化的单元技术

62接近开关1.高频振荡型（电感型）电感型接近开关所能检测的物体必须是金属物体。第二章机电一体化的单元技术

63检测距离：1～5mm被检测物：18x18x1mm铁

响应频率：150HZ

工作电压：5～50V直流

工作电流：小于10mA

体积：18x18x35mm2.电容型这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。第二章机电一体化的单元技术

64检测距离：1～10mm

被检测物：25x25x1mm

响应频率：50HZ

工作电压：10～36V直流

工作电流：小于10mA

直径：18mm，长度：70mm接近开关应用第二章机电一体化的单元技术

65光电开关光电开关是一种非接触式、无触点位置检测元件。它由光发射器（红外发光二极管）和光接受器（光敏三极管）组成。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。有透射型和反射型两种结构。物体不限于金属，所有能遮挡光线物体或可反光物体均可被检测。第二章机电一体化的单元技术

66光电开关1.透射型（遮断式）第二章机电一体化的单元技术

67光电开关2.反射型第二章机电一体化的单元技术

68漫反射式：当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器