机电一体化课件

第一章機電一體化技術概論一、引言新技術革命：以資訊技術為中心，提高工作效率為目標。資訊技術三大支柱，即：測量與控制技術、電腦技術、通信技術。在這種新技術革命的影響和衝擊下，使機電工業發生了極大變化。定義：機械技術與微電子技術、資訊技術相結合，通稱"機電一體化"。例：機床，純機械時，其加工精度、加工能力較低，數控機床後，使其功能增強、性能提高，而且成為可以代替人工操作的自動化機床。微電子技術與資訊技術的引入，將使機械工業煥發青春機械向機電一體化方向發展，不但是機械本身的需要，而且是現代化生產裝備向大型化、高效化方向發展的客觀需要。機電一體化技術是保證科學操作和科學管理的有效工具。

二、發展史六十年代，日本通產省為擴大機械功能，在機械上採用電氣和電子技術，曾結合數控機床做過不少實驗，但末能獲得成功。七十年代，微電子技術成熟，微機商品化，大規模積體電路問世，構成微機的基本單元CPU、ROM、RAM和介面電路已經模組化，自己"製造"電腦成為可能。機電一體化得以現實。71年，日刊工業新聞社發行《機電一體化入門》和《機電一體化》月刊，專門刊載機電一體化的新產品。76年，機電一體化正式名字"メカトロニケス"(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics後半部縮合而成)，我國現譯為"機電一體化"。71到78年日本政府頒發"機電法"和"機信法"，對機電一體化的發展起到積極推動作用，這個時期稱之為萌芽時期。八十年代，在"機信法"指導下，機電一體化的產品如雨後春筍不斷湧現，這個時期可稱之為成長時期。九十年代，集成度提高，價格下降，機電一體化技術在世界範圍內得到迅猛發展，機電一體化技術遍及社會各個領域。全盛時期開始。三、現狀我國，目前"機電一體化"技術還相當落後，機械系統有５萬個品種，約有２萬個品種需要實現程度不同的機電一體化。但是從目前生產的機電產品來看，實現機電一體化的還比較少。例如：國內數控機床在機床中總擁有量較少，國外數控機床已占機床總擁有量的30~80％；國內柔性製造系統、工業機器人等還處於研製階段。3.1國內情況國外大型電站大都已實現電腦控制，汽車工業已大量應用微機點火控制、安全報警、制動控制等，在這些方面我國還有較大差距，甚至近於空白。其他如家用電器、電子醫療機械、電氣傳動調速系統、低壓電器、印刷機械、照相機械等，國外已普遍實現了機電一體化，我國大多還處於起步階段。國此在我國機電產品中實現機電一體化，大力推廣機電一體化技術，是我國四化建設中的一個重要課題，是振興我國機電工業的一項戰略決策。3.2產品範圍在新技術革命的浪潮中，自動化技術已深入到社會的各個方面，有人稱之為"全盤自動化"。在這些自動化的系統中，主要是由很多種機電一體化產品所構成。從我國將要發展的機械工業產品來分析主要由以下產品需要實現程度不同的機電一體化。具體地說，包括:1._大型成套設備2._數控機床3._儀器儀錶電子化4._自動化管理系統5._電子化量具量儀6._工業機器人7._電子化家用電器8._電子化電機傳動與調整系統9._電子化電站自動裝置與開關板10._電子醫療器械11._電子化低壓電器12._微電腦控制加熱爐13._電子控制汽車或內燃機14._微電腦控制印刷機械15._微電腦控制食品機械或包裝機械16._微電腦控制辦公機械17._電子式照相機18._電子控制農業機械19._電子控制塑膠加工機械20._電子控制電焊機21._電腦輔助設計系統(CAD)22._電腦輔助製造系統(CAM)23._電腦集成製造系統(CIM)四、幾個技術問題機械與電子的溶合方式機械電子的技術構成機電一體化的效果1、機械與電子的溶合方式在機械本體上採用電子控制設備實現高性能和多功能。如數控機床用電子技術部分地代替原來由機械組成的控制部分，機械技術與電子技術最佳結合。如電子照相機以電子技術幾乎全部代替機械式的資訊處理機構，例如：電子錶、按扭式電話機。機械部分比較簡單，以電子部分開發為主的電子與機械共存的產品，使機械結構大為簡化。如影印機械等。2、機械電子的技術構成機電一體化系統的構成可以由右圖形象地表示出來。廣義構成：硬體與軟體硬體：機械本體、感測器、資訊處理單元和驅動單元感測器執行機構動力人機交互設備電腦A、機械本體為了發揮機電一體化的特長，機械本體必須改善性能、減輕重量和提高精度。(1)減輕重量(2)提高剛性(3)實現組件化、標準化和系列化(4)提高系統整體的可靠性B、感測器分類：檢測自身內部資訊感測器、檢測對象的外部資訊感測器。模擬系統、數字系統（包括混合系統）等。組成：由檢測、轉換、指示、資訊處理、記錄等部分組成。傳感資訊方式有：光、電、流體、機械等。評價指標有：功能、範圍、靈敏度、解析度、耐環境性、抗干擾性、可靠性等。感測器的問題：集中在提高可靠性，靈敏度和精確性方面。提高可靠性與抗干擾有直接關係。

① 為了避免干擾，目前有採用光纖電纜傳感的趨勢。

② 對外部資訊感測器來說，目前發展非接觸型檢測技術。感測器向高級方向發展，主要實現功能元件化和智能化。

① 所謂功能元件化，就是用一片積體電路功能元件，實現傳感與資訊處理一體化。

② 智能化就是發展具有自修功能的感測器。C、資訊處理技術資訊處理設備：包括電腦主機或可編程控制器及其配套輸入輸出設備、顯示器和外部記憶體。存在問題：重量、處理速度、可靠性、抗干擾及標準化。D、驅動技術動力源：液壓、氣動、電動三種前兩種驅動系統比較複雜。包括：泵、閥、油缸（氣缸）、篩檢程式、管路等。目前存在著功能、可靠性、標準化以及減輕重量、減小體積等問題。電動機作為驅動機構已被廣泛採用，但目前在快速回應和效率等方面還存在一些問題，不能滿足要求。今後有待於研製內裝編碼器的電動機以及控制專用組件、感測器、電動機三為一體的伺服驅動單元。E、介面技術定義：將機電一體化產品各組成部分連接起來的元件就是介面。介面標準化：不僅給資訊傳送和維修上帶來方便，而且可以簡化設計。今後方向：研製成本低、高速串行介面，解決信號電纜非接觸化，光導纖維以及光耦合器的大容量化、小型化、標準化等問題，積極引進光信號傳輸技術。F、軟體與綜合技術軟體與硬體如同一輛車子的兩個輪子，必須協調一致地發展，如果失去平衡車子就無法前進。軟體標準化：減少研製成本，提高維修效率。包括：副程式標準化、程式模組化、軟體程式的固化等。應予以關注的的問題：資料庫的建立，作業描述語言的開發，語言理解、文字理解軟體等。機電一體化產品是一個系統，存在著許多綜合技術問題。例如：由機械傳動零件間隙造成的精度問題；機械零部件與電子元件相比回應速度慢的問題；連接電纜與接線柱的可靠性問題；零件標準化、互換性、相容性以及檢測自動化等問題。3、機電一體化的效果機電一體化的效果：功能增多，體積減少，重量減輕，可靠性提高，性能價格比大大改善。A、性能提高、功能增強①例如，過去精密機床採用的是機械校正，只能校正機床的系統誤差，現在數控機床，可克服隨機誤差和系統誤差，從而可以達到前所未有的高精度。②調整切削阻尼，減少顫振，保證很高的生產率與很高的加工表面光潔度。③粗加工與精加工工序集成，深刻地改變了傳統機床的結構佈局，衝破了傳統的機床按類別的劃分。B、結構簡化因採用微處理機、積體電路、新型傳動技術，代替電氣控制櫃和傳動裝置，使產品體積小，零部件數量減小，結構簡化。例如：傳統的電機控制靠用戶，而實現機電一體化後出現了無換向器電機，提高了電機壽命，縮小了體積。“電腦”電動機用單片機控制電機的功率因素，根據負荷情況調節施加的電壓，從而解決了不少電氣傳動中的“大馬拉小車”問題，在空載提高效率30~40％，滿載提高10％。3.向量控制非同步電動機，採用微型電腦對交流非同步電動機實現向量控制，使非同步電機既具有直流電機一樣的調節特性，而且還具有結構簡單、可靠、電機容量不受限制、機械慣性小、體積小、效率高等優點。C、可靠性提高性在電子元件品質可靠性高的前提下，機電一體化可以改善耐久性，減少故障。機電一體化產品具有自動監視診斷、安全聯鎖控制、過負荷及失控保護、停電對策等，提高了安全可靠性

D、節約能源機電一體化的產品，可以節約材料、節約能源。例如：我國目前各類電風扇的調整器為電磁機械式，如果用電子式調整器每年全國可節約電600萬度；汽油機電子點火；液壓挖掘機電子節能。E、改善操作機電一體化產品採用電腦控制，具有數字顯示，減少了操作按扭及手柄，具有程式控制等功能，因而可以改善設備操作性能，減少訓練操作人員時間。F、提高靈活性（柔性）機電一體化產品具有更大的靈活性，可以適應用戶多樣化的要求，是當代新技術革命的一大趨向。例如，柔性製造系統，和工業機器人對於多品種小批量生產特別能發揮它的優越性。五、先進械電系統舉例觀看錄相片：救火機器人系統（PAL，5分鐘）機器人足球（NTSC，45分鐘）具有臨場感提示的遠距離操縱工程機器人系統（NTSC，15分鐘）思考題什麼是"機電一體化"？以打夯機為例，內含機械與電氣，問這是不是機電一體化產品？機電一體化產品由哪五部分構成？機電一體化的技術構成是什麼？機電一體化技術中，機與電有幾種溶合方式？產品實現機電一體化後，可以取得哪些成效？第二章感測器及測量系統(1)2.1感測器及測量系統概述

在機電一體化產品中，感測器及測量系統是一個十分重要的環節是獲取資訊與處理資訊的手段只有在獲得既準確又可靠的資訊基礎上，才能實現自動化，節省能源和原材料，提高機器效率。資訊採集與處理：模擬量←→數字量。A/D轉換器、D/A轉換器。*2.1感測器及測量系統概述*發展趨勢：(1)集成化：集成（感測器、放大器、運算器、補償器等）；組合（不同功能的感測器）；排列（成矩陣）。(2)多功能化：如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長度等多功能感測器。(3)智能化：不但能對外界信號進行轉換與測量，同時還具有記憶存儲、運算及數據處理等功能。(4)數位化：數字顯示與微處理機的應用，使感測器應用更為方便，可提高穩定性及精度，簡化結構。*2.1感測器及測量系統概述*2.2模擬量感測器及測量電路感測器及測量電路：物理量、化學性能→電信號∝F（U，I，f）模擬量傳感：(1)直接感測器；(2)差動感測器（信號相加，干擾相減）；(3)補償感測器（抗干擾）。模擬量感測器性能指標：精確度、穩定性、輸入/輸出特性。圖2-2-1模擬量感測器及其測量電路結構*2.2模擬量感測器及測量電路*2.3模擬量感測器性能指標2.3.1精確度精確度指標：共有三個：精密度、准確度、精度。在工程上常用精度等級來表示感測器的精度（相對誤差）。感測器的精度等級一般分為：0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,…,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。*2.3模擬量感測器性能指標*2.3.2穩定性感測器的穩定性有兩個方面：(1)穩定度： 感測器的輸出在所有條件恒定的情況下，於規定的時間內，維持其值不變的能力。如：3.454mV/h。(2)影響量： 感測器的輸出在外界條件變化的情況下而引起輸出的變化量。例0.002mV/℃。*2.3模擬量感測器性能指標*2.3.3輸入／輸出特性分類：靜特性、動特性。1、靜特性定義：靜特性是指輸入量不隨時間而變化，只考慮它們之間的靜態關係靜特性的主要指標：線性度、靈敏度與滯環。(1)線性度：是指感測器輸入/輸出特性曲線用一條直線來近似代替時其準確程度。感測器輸入與輸出的典型特性曲線如圖2-3-1所示。*2.3模擬量感測器性能指標*(2)靈敏度：感測器輸出量增量與輸入量增量之比，即感測器輸入／輸出特性曲線上各點的斜率。(3)滯環:感測器輸入/輸出靜特性在輸入量上升時和下降時輸出特性的不一致性。圖2-3-1感測器輸入/輸出的曲型特性曲線*2.3模擬量感測器性能指標*

滯環誤差和滯環率為:

滯環是由於感測器吸收能量所產生，所以滯環效應常伴著死區效應。圖2-3-2滯環與滯環誤差圖2-3-3一階動力學系統*2.3模擬量感測器性能指標*2、動特性定義：當輸入量隨時間變化很快時，輸入量與輸出量之間的動態關係。感測器輸入／輸出的動態特性是含有時間變數的微分方程。運算式為：bny(n)+bn-1y(n-1)+…+b1y(1)+b0y=bx(t)式中：b0、b1、…、bn——對線性系統來說是常數y、y(1)、…、y(n)——輸出信號的各階導數輸入信號x(t)與輸出信號y(t)具有相同的量綱。*2.3模擬量感測器性能指標*(1)一階系統的動態回應一階動力學系統可由剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼係數為ｃ的阻尼器並聯組成，見圖2-3-3(a)；也可由品質為ｍ的物體和粘性阻尼係數為ｃ的阻尼器串聯組成，見圖2-3-3(b)，動力學方程分別為：

cy(1)+ky=kx(t)和my(2)+cy(1)=cx(1)(t)

可以寫成同一個一階慣性公式: T1y(1)+y=x(t)*2.3模擬量感測器性能指標*正弦信號激勵下其幅頻及相頻回應為:單位階躍函數輸入一階系統時,通過拉氏變換方法可以求得其回應為：(2)二階系統的動態回應二階動力學系統可由品質為ｍ的物體、剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼係數為ｃ的阻尼器串聯組成：其動力學方程為： my(2)+cy(1)+ky=kx(t)*2.3模擬量感測器性能指標*

圖2-3-4動力學系統在正弦輸入信號時的回應曲線*2.3模擬量感測器性能指標*圖2-3-5對單位階躍輸入信號的回應圖2-3-6二階動力學系統*2.3模擬量感測器性能指標*正弦信號的激勵下其幅頻回應及相頻回應為:單位階躍函數輸入二階系統時,通過拉氏變換方法可以求得其回應為:*2.3模擬量感測器性能指標*2.4數字量感測器及其測量電路數字量感測器有兩種：直接數字量感測器——可直接得到數字量輸出的感測器，如角度數字編碼器。間接數字量感測器——通過A/D轉換器得到數字量輸出的感測器如光柵和感應同步器。按結構可分為三種類型：1、直接式數字量感測器——其解析度決定於數字量感測器的位數。被測物理量→數字編碼器→資訊提取裝置→數字量輸出*2.4數字量感測器及其測量電路*2、週期計數式數字量感測器數字量感測器的結構方框圖如圖2-4-2所示。其解析度決定於週期信號發生器的性質。可採用電子細分來提高感測器的精度且具有辨向功能。

圖2-4-2週期計數式數字量感測器的結構方框圖*2.4數字量感測器及其測量電路*2.4.3頻率式數字量感測器結構：如圖2-4-3所示。 分類：帶晶體振盪器、不帶晶體振盪器 其敏感元件可以是直接的和差動的，為了提高頻率式數字量感測器的解析度，一般採用倍頻措施。圖2-4-3頻率式數字量感測器的結構方框圖

*2.4數字量感測器及其測量電路*2.5數字量感測器性能指標(1)解析度(Q)——改變一個測量計數所對應的被測量的變化值。式中xmax，xmin——數字量感測器的測量上限與下限N——數字量感測器的輸出值Q越小，說明數字量測量裝置的精度越高。*2.5數字量感測器性能指標*(2)精度(ε)——測量誤差值與實際測量值之比。數字量感測器測量裝置的精度為：

式中△n——測量值與實際值之差。(3)檢測時間——對被測參數進行兩次採樣之間的時間間隔。(4)計數器字長——根據檢測裝置的最大測量值xmax及解析度(Q)可以確定計數器的最大計數值:*2.5數字量感測器性能指標*2.6數字檢測方法2.6.1M法數字檢測定義：在一定時間T內，測取數字量感測器測量電路發出脈衝的個數來計算被測參數的方法。例如，圖2-6-2中測量轉速時，脈衝發生器每旋轉一周輸出P個脈衝，則轉速n為:

式中m——在檢測時間T內所得的脈衝數

T——在設定的檢測週期，單位s*2.6數字檢測方法*測速裝置的解析度為:測量裝置的解析度在不同的區段是不同的。在低段的解析度低(精度低)，而在高段的解析度高(精度高)。圖2-6-1M法測量原理圖圖2-6-2轉速測量脈衝發生器*2.6數字檢測方法*2.6.2Ｔ法數字檢測定義：通過測量脈衝發生器發出的相鄰兩脈衝之間的間隔時間來計算被測參數的方法為T法例如，圖2-6-2中測量轉速時，脈衝發生器每旋轉一周輸出P個脈衝數。若採用頻率為ｆc的時鐘脈衝進行計數，則轉速n為:

式中m——在檢測時間內所測得的脈衝數。解析度為：*2.6數字檢測方法*測量裝置的解析度在不同的區段是不同的，在低段的解析度高，而在高段的解析度低。時鐘脈衝頻率fc越高，則檢測裝置的解析度越靈敏。但這樣會增加檢測裝置計數器字長，時鐘脈衝頻率fc由下式確定:式中nmin——測量的最低轉速。圖2-6-3Ｔ法測量原理圖圖2-6-4Ｍ/Ｔ法測量原理圖*2.6數字檢測方法*2.6.3M/T法數字檢測定義：在固定的時間間隔內，由一個計數器對脈衝發生器的輸出計數，得脈衝數m1，同時用另一計數器在同樣的時間間隔內同步地對時鐘脈衝進行計數，得另一脈衝數m2。計算公式：設脈衝發生器每轉一周輸出Ｐ個脈衝數，若採用頻率為fc的時鐘進行計數，則轉速n為:式中m1——在檢測時間TC內所測得的信號脈衝數

m2——在檢測時間TC內所測得的時鐘脈衝數

*2.6數字檢測方法*解析度為:測量裝置的解析度是一個常數，與轉速的高低無關。

思考題1.簡述機電一體化技術中感測器的發展趨勢？2.什麼是模擬量感測器，什麼是數字量感測器，二者有什麼區別？3.模擬量感測器的性能指標包括哪些內容？為什麼要研究模擬量感測器的動特性？4.數字量傳感具有哪三種類型？它們有什麼區別？5.數字量感測器的性能指標包括哪些內容？6.數字檢測方法有哪三種？三者有什麼區別？*2.6數字檢測方法*第二章感測器及測量系統（2）2.7光電感測器在車輛自動控制過程中充當著重要的角色分類：光束感測器、反射感測器、散射感測器原理：通過發射器發出可見、不可見或紅外光，被接收器所接收，並轉換成電信號。特點：(1)無接觸檢測，減少了被測物及探頭的磨損，確保產品的使用壽命與安全操作。(2)被測物的材料不受限制，可測玻璃、塑膠、木質及液體等各種的被測材料。(3)長距離檢測，反射感測器的檢測距離可達１０ｍ。(4)反應速度快，其反應能力在50μs之內。*2.7光電感測器*(5)可分辨顏色。高精度檢測，利用奇特的視覺系統和精確的電子線路可以實現對物體的精確測量。光電感測器分為亮通型與暗通型兩類。2.7.1光電器件分類：光電發射器、光電探測器2.7.1.1光電發射器件

(1)熱輻射光源：如白熾燈。光譜連續、價格便宜

(2)氣體放電光源：如氙燈光源等。氣體超高壓放電發光。特點：效率高，發熱少。

(3)電致發光器：PN結發光（發光二極體）。特點：功率低，驅動電壓低，效率高，可直接調製，小型化等。*2.7光電感測器*(4)雷射器：a.氦氖雷射器：特點：輸出連續，頻率穩定，相干性與方向性極強，居各類鐳射之首。但效率低體積大，電源複雜。b.半導體雷射器：特點：效率相當高，容易調製，體積小，結構簡單，抗振性能好，但方向性差，PN結摻雜影響大。2.7.1.1光電探測器件原理：光電探測器件是利用物體的光電效應。分類：光電導效應，光伏效應和光電子發射效應三種。*2.7光電感測器*1.光電導器件(光敏電阻)注意：光敏電阻必須在適當的波長光照射下，電阻才會改變。圖2-7-1光敏電阻的原理圖2-7-2CdS、CdSe光譜回應曲線

*2.7光電感測器*2.光伏效應器件(光電二極體與光敏三極管)原理：利用光照在半導體器件上產生伏特效應而製成的器件，應用極廣。

(1)光電二極體原理：在光的照射下，光電二極體產生光電流。注意：光電流向光電二極體的反方向流動。伏安特性：見圖2-7-3（a）。等效電路：電流源與二極體的並聯，如圖2-7-3(b)所示光譜特性：如圖2-7-4。*2.7光電感測器*(2)光電三極管工作原理：①光電轉換，其功能同光電二極體；②光電流放大，將光電流放大幾十部至幾百倍。分類：無基極引線、有極基引線兩種。a)無基極引線光電管——靠光的注入代替基極的信號輸入，並將集電結產生的光電流放大。圖2-7-3光電二極體伏安特性圖2-7-4光電二極體光譜回應曲線*2.7光電感測器*b)有基極引線光電管——設置基極的主要目的是為了預置一個基極電流優點： ①減小了光電三極管發射極的電阻，可以改善弱光下的回應時間；②使光電三極管的交流放大係數進入線性區，這對調制光的檢測特別有利。(3)光電池分類：矽光電池（最受歡迎）、硒光電池、硫化鎘光電池、氧化亞銅光電池、砷化鉀光電池等。矽光電池：性能穩定，光譜範圍寬；頻率特性好；換能效率高；能耐高能輻射等。*2.7光電感測器*圖2-7-5光電三極管輸出特性圖2-7-6矽光電池光照特性曲線*2.7光電感測器*2.7.2光束感測器特點：發射器與接收器分開。圖2-7-7光束傳感的電氣結構圖

*2.7光電感測器*2.7.3反射感測器特點：發射器與接收器放於同一個外殼內。常規反射感測器：不能檢測反光體，易產生誤動作。帶偏振片的反射感測器：無論是否反射體在遮住光通路後就一定能被檢出。與常規反射感測器的區別：(1)在發射器與接收器的光通道上分別安裝互成直角的偏振片；(2)採用三角反射鏡，經它反射的偏振光其振盪面旋轉90°。圖2-7-8帶偏振片的反射感測器工作原理及電氣結構

*2.7光電感測器*2.7.4散射感測器，結構：發射器與接收器也置於同一個外殼內，發出的光照在被測物體上，並被反射回來，被接收器接收。特點：對傳感區域內發光與不發光的物體只要在感測器的靈敏度範圍內，都可被檢測。圖2-7-9散射感測器的工作原理

*2.7光電感測器*2.7.5紅外感測器圖2-7-10曲型紅外感測器的電氣結構構成：光電管、前置放大器、比較整形及輸出級構成用途：紅外感測器用於高溫物體遠距離、非接觸檢測*2.7光電感測器*2.8光纖感測器2.8.1光纖感測器概述起步：光纖感測器技術是70年代末發展起來的一項新型傳感技術。技術構成：光纖傳感技術是傳統的光檢測技術和纖維光學應用的結合應用範圍：位移、振動、轉速、溫度、壓力、電場、流量、濃度、PH值等70多項參數的檢測。適用：普通光電感測器所不能適應的條件，例如有限空間、高溫、或危險地區，因而具有廣泛的應用潛力。測量原理：外界待測信號→調製→光參數→光纖→光電探測器。*2.8光纖感測器*調製參數：光可以看成簡諧振蕩的電磁波，其電場分量運算式為：E=E0sin(ωt+φ)因此光可以被調製的參數有四個，即光強度、相位、偏振角及頻率。按調製形式分類：強度調製型、相位調製型、偏振調製型、頻率調製型。大部分感測器屬於前三類。按光纖光纖作用分類：非功能型傳感、功能傳感兩種。（1）非功能型感測器：利用外加的敏感元件對光進行調製而光纖僅僅作為傳光之用。（2）能型光纖感測器：光纖不僅有用作傳光，本身也是敏感元件。功能型光纖感測器的調製原理：溫度、壓力、振動→光纖→光纖的長度、形狀、折射率等發生變化→光纖中傳輸光的強度、相位、偏振態等發生變化*2.8光纖感測器*特點：(1)檢則精度與靈敏度高。強度調製型光纖感測器的靈敏度與一般感測器不相上下，而相位調製型光纖感測器的靈敏度比普通感測器高出幾個數量級，具有較大的動態範圍。(2)回應速度高，頻響寬，可實現非接觸高速檢測。(3)環境適應性強，由於光纖具有可撓曲、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾，本質安全防暴，因而光纖感測器適用於一切場合。(4)體積小、重量輕，因而具有可集成的替力。隨著集成光學的發展，將有可能出現將敏感元件、光學元件、光纖等集成一體的光纖感測器。*2.8光纖感測器*圖2-8-1強度調製型光纖感測器的幾種基本形式及工作原理

*2.8光纖感測器*2.8.2光纖感測器工作原理

(1)強度調製型光纖感測器特點：結構簡單、可靠性高、對光纖要求不高，信號檢測簡單等。

(2)相位調製型光纖感測器原理：外界待測信號作用於光纖時，引起光纖中傳輸的光的相位必生變化。測量：光相位變化難以直接檢測出來，通常用光的干涉效應將光相位的變化轉換為干涉強度的變化來檢測。相位調製型光纖感測器又稱為干涉型光纖感測器。相位調製型光纖感測器一般具有極高的靈敏度和動態範圍。光纖干涉儀可以檢測出小於10-6rad的相位變化。*2.8光纖感測器*[例]溫度變化1℃→1m長的光纖中光相位變化100rad→解析度達到10-8℃圖2-8-2相位調製型光纖感測器的干涉系統及基本結構

*2.8光纖感測器*(3)偏振調製型光纖感測器原理：法拉弟旋光效應（檢測磁場與電場）；泡克爾效應（檢則電場與電壓）；光彈效應（測量應力）光彈效應原理：透明晶體在受到應力時，其內部對光的折射率發生變化。圖2-8-3偏振調製原理*2.8光纖感測器*2.8.2光導纖維光傳輸的載體，應用很廣。結構：一種透明的圓柱形細絲，中間是折射率極高的透明介質，外面一層是折射率較低的透明介質，再外層一般塗上環氧樹脂和矽膠保護層，並在最外層加上套管。特點：可以彎曲，但彎曲後將對子午線光的傳輸產生一定的影響，但引起的損耗是很小的。圖2-8-4光導纖維的結構及其損耗與波長的關係*2.8光纖感測器*第二章感測器及測量系統（3）2.9線位移感測器

2.9.1線位移感測器概述

用途：測量距離，高度、寬度等種類：接觸型與非接觸型。常用類型：電阻式、電容式、電感式、光電式，霍爾效應式等。重點介紹：半導體鐳射位移感測器、電蝸流位移感測器，屬非接觸型位移感測器2.9.2半導體鐳射位移感測器

圖2-9-1半導體鐳射位移感測器圖2-9-2電蝸流位移感測器2.9.2半導體鐳射位移感測器結構：包括一個發光元件（發光二極體、雷射器）、一個位置敏感檢測器原理：採用三角測量。通過檢測聚焦到位置敏感檢測器上的光柱點的運動即可確定工作物體的位移量。特點：

(1)具有高解析度，可對各種不同的材料進行精確測量。(2)測量範圍寬，可對高溫快速移動的物體進行測量。(3)具有先進的鐳射安全性，不會對被測物體或人造成傷害。(4)在任何安裝位置均可實現精確0V設定。(5)易於安裝。2.9.3電蝸流位移感測器

基本結構：由探頭（線圈、骨架、殼體、射頻電纜和射頻插頭）、與前置器構成。測量原理：前置放大器→高頻信號激勵→線圈→產生高頻磁場→金屬表面會感應出渦流→渦流損耗→線圈磁感應強度變化→經前置器轉換成電壓信號∝距離（線性關係）2.9.3電蝸流位移感測器特點：①非接觸式測量②線性範圍寬，0～80mm③動態回應好，0-10kHz④長期連續可靠工作，抗干擾能力強⑤在水、油等惡劣環境條件下工作⑥可長線傳輸⑦直接與A、D介面相連配電腦使用2.10光柵感測器

2.10.1光柵感測器概述用途：精密直線位移、角位移測量，應用甚廣舉例：如高精度數控機床、三座標輪廓儀、直徑測量儀器。精度：直線位移測量精度可達0.5μm，轉角位移測量精度可分度±1"(1、3600度)。組成：一塊測量柵，一塊指示光柵。結構原理：兩柵均有相間條紋，間距相等，兩光柵相對移動一個柵距，莫爾條紋也移動一個條紋間距。 用光電元件接收透過兩塊光柵的光能量，根據計數器累計的信號數，就可測得移動長度或移過轉角。2.10光柵感測器圖2-10-1長光柵模爾條紋圖2-11-1感應同步器的結構與工作原理

2.11感應同步器特點：是一種數字感測器，分類：直線式與旋轉式兩種，前者用來檢測直線位移，後者用來檢測旋轉角位移。結構：旋轉式（定子、轉子），直線式（定尺、滑尺）。滑尺上繞阻接成S組(正弦繞組)與C組(余弦繞阻)。安裝：定尺安裝於固定部分，滑尺安裝在運動部分，二者作間隙很小的非接觸移動。原理：正弦電壓→S組或C組→定尺上產生幅值按正弦或余弦變化的感應電勢輸出信號可用幅值與相位來描述，通過鑒幅或鑒相系統可以檢測出位移信號並進行數值顯示。2.12接近感測器2.12.1接近感測器概述用途：屬無觸點接近開關，用於導電、導磁金屬材料的限位置、固體料位和液體液位檢測等常用的接近感測器：感應式接近感測器，電容式接近感測器，及電磁式接近感測器高精度的接近感測器，還能檢測金屬薄板及渡層的厚度。優點：不直接接觸被測物體，開關及被測物均沒有機械磨損，使壽命很長，可適用於高速檢測。原理：但當被測物體進入接近開關的靈敏區時，就會發出一個脈衝信號。靈敏區形狀：探頭附近的一個近似半球區域。2.12.2感應式接近感測器

適用：空間有限情況的金屬的非接觸接近測量探頭結構分類：有遮罩的、無遮罩的兩種。後者測量距離較前者為大。結構：振盪器、感應線圈、斯密特電路及輸出電路組成。工作原理：振盪器在探頭端部產生磁場作用區，當金屬進入該作用區時，引起振盪器停振。2.12.2感應式接近感測器圖2-12-1感應式接近感測器的工作原理

2.12.3電容式接近感測器適用：非接觸、空間有限。如各種管道內流體的測量、料位測量及對金屬物品測量。結構：由振盪器、斯密特電路及輸出電路組成，電容器的一個電極是傳感電極，另一個電極是大地。原理：加電後，兩極間產生電場，當與大地連接的金屬物體靠近電容器時引起振盪器停振。2.12.3電容式接近感測器圖2-12-2電容式接近感測器的電路結構及工作原理

2.12.4電磁式接近感測器適用：非接觸式導磁材料測量結構：內部有4個磁鐵和一個常開觸點的幹簧繼電器。原理：導磁材料外界物體→靠近電磁式接近開關誘導面→磁場失去平衡→幹簧繼電器的觸點閉合2.13流量感測器用途：對流動的介質——液體或氣體的流量進行檢測的感測器。按工作原理分類：電子流量感測器、電磁流量感測器、超聲波流量感測器、渦流流量感測器等。重點介紹：電子流量感測器與電磁流量感測器。2.13.1電子流量感測器工作原理：基於熱傳導理論。兩個精確溫度電阻放置介質中，一個只受介質溫度的影響，另一個被熱源加熱，介質流動時該電阻被冷卻，比較兩個電阻值，可得到傳感信號，經二次儀錶轉化為介質的流量值。實際的流量感測器將兩個電阻裝於同一個感測器殼體內。2.13.1電子流量感測器圖2-13-1電子流量感器原理圖2-13-2電磁流量感器原理

2.13.2電磁流量感測器測量原理：基於法拉弟電磁感應定律。 交流驅動→感測器內磁芯產生交變磁場→被測介質為（水、或酸、堿、鹽等導電液體）流動時相當於導體切害磁力線→兩個電極上產生感應電動勢→引出檢測感應電動勢→確定流速→確定流量構成：電磁流量感測器、電磁流量轉換器。2.14溫度感測器分類： 高溫感測器（熱電偶、鉑電阻以及紅外輻射測溫計）；常溫感測器（熱敏電阻、銅電阻等）；低溫感測器（銅電阻等）。2.14.1熱敏電阻說明：熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導體元件。特點：體積小，靈敏度高，價格崐低，所以應用最為廣泛。分類：一類電阻值隨溫度升高而增加（正的溫度係數），一類隨溫度升高而降低（負的溫度係數，常用）。特性：熱電特性、伏安特性。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性定義：電阻值隨溫度變化的關係，以座標圖表示它是一條指數曲線： 式中： RT——溫度為T時的電阻值；

T——絕對溫度，K；

A、B——由材料及製造工藝決定的係數熱敏電阻材料：鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等氧化物做成。改變這些混合物的成分，就可以改變熱敏電阻的測量範圍、阻值及A、B值。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性圖2-14-1熱敏電阻的熱電特性圖圖2-14-2熱敏電阻的伏安特性圖2.14.1.2熱敏電阻伏安特性說明：熱敏電阻的伏安特性是指通過熱敏電阻的電流與其兩端電壓之間的關係。原理： 當熱敏電阻的電流很小時，熱敏電阻的伏安特性遵循歐姆定律；但當電流大到一定程度時，流過熱敏電阻的電流使其自身溫度升高，因而其阻值減小。因此在使用熱敏電阻伏安特性時應防止電流過大。2.14.2熱電偶溫度感測器說明：是較早的一種接觸式溫度感測器，測量可從室溫至1800℃。所以至今仍是應用最廣的溫度感測器。發展趨勢：標準化（我國已8個品種）、小型化（最小的鎧裝熱電偶直徑為2～4mm）。測溫原理：熱電效應。將不同的導體或半導體A、B組成閉合回路，使兩個接點處於不同的溫度，回路中就產生電動勢。2.14.2熱電偶溫度感測器輸出電動勢：與兩種材料的性質及兩接點的溫度差有關，與導體的大小，接觸面積及連接方式無關。其輸出電勢為：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)如果使熱電偶的一個接點溫度t0保持不變，設fAB(t0)=C，則上式可寫成：

EAB(t，t0)=fAB(t)-C2.14.2熱電偶溫度感測器表明：產生的熱電勢EAB(t，t0)只與溫度t有關，成為溫度的單值函數。實際：使t端與工作介質接觸，進行測溫，稱為工作端，t0端稱為熱電偶自由端或參考端或冷端。冰點槽裝置：用於在工作中將自由端保持0℃恒溫，然後將工作端的溫度與電勢關係列成表格，供測量人員使用。2.14.2熱電偶溫度感測器圖2-14-3熱電偶效應圖2-14-4冰點槽裝置

2.15轉速及角位移感測器編碼器就是近年來出現的一種新型的高精度、數位化、大尺寸測量元件，用作旋轉軸和線性軸的回饋裝置。用途：用於數控機床、木工機械、機器人和裝卸設備、紡織機械、繪圖儀和仿形裝置，測量和測試設備。特點：(1)能借助於微電子技術，達到足夠高的精度，沒有人為的讀數誤差；(2)易於實現系統的快速、自動和數字化；(3)測量系統量程大，長度可以達數米甚至更長，角度可以在360°範圍內進行測量；(4)體積小，重量輕，結構緊湊，測量系統安全方便，使用和維護簡單，工作可靠。2.15轉速及角位移感測器2.15.1絕對式旋轉編碼器可直接從分度盤的編碼圖案中得出角度位置，然後轉換成編碼信號。即使電源有瞬間掉電，只要主軸轉速在允許範圍內，都能通過控制器或電腦編譯成編碼信號。2.15.2增量式旋轉編碼器以脈衝形式輸出，被測物體每走過一個當量距離，編碼器就輸出一個脈衝。2.16圖像感測器在機電控制、機器人的領域中起著重要的作