机电一体化技术及应用 课件 4 传感检测技术

第五节测距传感器第四节力、扭矩传感器第三节速度、加速度传感器第二节位移、位置传感器第一节传感检测系统的作用及组成第四章传感检测技术第六节视觉传感器第七节智能传感器第八节微传感器4.1.1传感检测在机电一体化中的作用获取系统运行过程中所需的内部和外部的各种参数及状态，将这些非电量转化成与被测物理量有确定对应关系的电信号，并通过适当处理（如变换、放大、滤波）后，将其传输到后续装置中进行显示记录或数据处理成产生相应的控制信息。4.1.2传感检测系统的组成1.传感器将机电一体化系统中被测对象的非电物理变化量转换成对应电量，从而为有效地控制机电一体化系统的动作提供信息。2.中间变换装置将传感器输出的电量信号（如电阻、电容、电感等）转换成更易于测量和处理的电压或电流信号，并进行适当处理（阻抗变换、放大、滤波等），包括电桥、放大器、滤波器、调制解调器等。3.输出接口将信号传送至显示记录装置、信息处理装置和控制器等。4.2位移、位置传感器位移测量—测量某一段距离的变化量；位置测量—确定被测物体是否到达或接近某一位置直线位移传感器—电感式传感器、电容式传感器、差动变压器式传感器、感应同步器、光栅、磁栅等角位移传感器—光电编码器、旋转变压器按检测时被测对象与测量元件是否接触分为接触式（限位开关）和非接触式（接近开关和光电开关）4.2.1光电开关主要部件为发光元件（如发光二极管）和受光元件（如光电元件）根据其结构形式的不同，分为对射式、镜反射式、漫反射式、槽式和光纤式等类型特点：体积小、可靠性高、响应速度快、检测精度高1.对射式光电开关又称透射式或透光式，发光元件和受光元件相互分离且光轴相对放置。发光元件发出的光线直接进入受光元件，当被检测物体经过发光元件和受光元件之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。适用于不透明物体检测。发光元件受光元件物体2.镜反射式光电开关集发光元件和受光元件于一体，发光元件发出的光线经过反射镜反射回受光元件，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。专用反射镜光电元件物体3.漫反射式光电开关集发光元件和受光元件于一体，当有被检测物体经过时，物体将发光元件所发射的足够量的光线反射到受光元件，于是光电开关产生了开关信号。适用于表面光亮或反光率极高物体的检测。光电元件物体4.槽式光电开关发光元件和受光元件分别位于U型槽的两边，形成一光轴。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关产生开关量信号。适合检测高速运动的物体，并且能分辨透明与半透明物体。物体发光元件受光元件4.2.2光电编码器光学式角度—数字检测元件。利用光电转换原理将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量特点：体积小、精度高、工作可靠、接口数字化组成：码盘、光电检测装置及测量电路分类：根据信号输出形式不同分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式编码器对应每个单位角位移输出一个电脉冲，通过对脉冲计数即可实现角位移测量；绝对式编码器则直接输出码盘上的编码，从而检测出绝对位置。

1.增量式光电编码器

玻璃码盘上沿圆周方向均布着n条狭缝，来自光源（发光二极管）的光线可以通过狭缝照射到光电元件（光敏二极管）上。当码盘绕其轴线回转时，每转过一条狭缝，光电元件所接收到的光信号就明暗变化一次，输出的电信号也就强弱变化一次，经测量电路放大、整形后，输出一个矩形脉冲。

2.绝对式光电编码器把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码，故可直接输出数字量。有光电式、接触式和电磁式三种，光电式码盘是目前应用较多的一种。玻璃码盘上刻的按二进制规则排列的一系列透光区（白色区域，用1表示）和不透光区（黑色区域，用0表示），并均布在一些圆周（码道）上。由内向外有多个码道，每一个码道表示二进制的一位：内侧码道为高位，外侧码道为低位。于是，由内至外构成一个二进制偏码。4.2.3光栅1.光栅的种类与构造（1）根据制造方法和光学原理不同—透射光栅、反射光栅透射光栅——以透光的玻璃为载体，利用光的透射现象进行检测反射光栅——以不透光的金属（一般为不锈钢）为载体，利用光的反射现象进行检测（2）据光栅的外形—长光栅（直线光栅，光栅尺）、圆光栅

4.2.3光栅1—主光栅；2—指示光栅；3—光电元件；4—光源主光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移主光栅和指示光栅的栅距相同，一般为4线/mm、10线/mm、25线/mm、50线/mm、100线/mm、200线/mm、250线/mm

2.光栅的工作原理主光栅和指示光栅平行安装，并使二者倾斜一个较小的角度θ时，光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹（莫尔条纹）。当主光栅随执行机构左右移动时，莫尔条纹相应地上下移动。利用光电元件检测莫尔条纹的明暗变化，输出二进制代码。莫尔条纹的移动方向和主光栅移动方向有确切的对应关系，故便于辨别方向。

4.3速度、加速度传感器实际上是一台微型直流发电机。分类：根据定子磁极激磁方式的不同分为永磁式（用永久磁性材料做定子，并产生恒定磁场）和电磁式（利用绕在定子槽中的励磁绕组来产生磁场）。原理：当转子在恒定磁场中旋转时，电枢绕组中产生交变的电动势，再经过换向器和电刷转换为与转子转速成正比的直流电动势。

4.3.1直流测速发电机4.3.2光电式速度传感器光电脉冲测速：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，形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔△t，则可测得速度为光电式转速传感器：由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示盘上的缝隙间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件便输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲。根据测量时间t内的脉冲数N，就可测得被测轴转速为1—光源；2—透镜；3—带缝隙圆盘；4—指示缝隙盘；5—光电器件4.4力、扭矩传感器电阻应变式力传感器基于电阻应变效应工作。当粘贴有应变片的弹性元件在受到力的作用时产生变形，应变片将该应变转换为电阻值的变化，再经过转换电路（电桥）最终输出相应的电压或电流信号。弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐式等。

4.4.1力传感器4.4.2扭矩传感器1—驱动源；2—集流环；3—电桥；4—负载1.应变式扭矩传感器在扭矩作用下，转轴表面产生主应变（与所受到的扭矩成正比）。应变式扭矩传感器利用电阻应变片来检测主应变，并通过电桥转换输出。

2.压磁式扭矩传感器

利用由具有压磁效应的铁磁材料制成的转轴在受到扭矩作用后应力变化导致磁阻变化的现象来实现扭矩测量。绕有线圈的U型铁芯A-A沿轴线方向、B-B沿垂直于轴线方向布置，其开口端与被测转轴表面之间有1~2mm的空隙。A-A线圈中通以交流电流，形成穿过转轴的交变磁场。在无扭矩时，交变磁场的磁力线与B-B线圈不交链，无感应电势产生，电桥仍处于平衡状态，Uy=0。当有扭矩作用在转轴上时，部分磁力线与B-B线圈交链，并产生感应电势，电桥失去平衡，输出电压信号Uy（在一定范围内与扭矩呈线性）。3.磁电感应式扭矩传感器传动轴的两端分别安装有磁分度圆盘A和A’，其旁边各安装一个磁头B和B’，用于检测两圆盘之间的转角差。当无扭矩时，两分度盘的转角差为零；当有扭矩作用在传动轴上时，两个磁头分别检测出驱动侧圆盘和负载侧圆盘的转角差。利用转角差与扭矩M成正比例的关系，即可测量出扭矩的大小。4.光电式扭矩传感器利用转轴的扭转变形来测量扭矩。转轴上固定两个光栅圆盘。在转轴未承受扭矩时，两光栅盘的明暗区正好互相遮挡，无光线通过光栅照射到光电元件上，也无输出。当有扭矩作用后，转轴产生扭转变形，两光栅相对转过一个角度，部分光线透过光栅照射到光电元件上，并输出信号，该输出信号随扭矩增大而增大，故可测得扭矩。1—光源；2—光电元件；3—光栅盘；4—转轴4.5测距传感器1.超声波及其检测原理超声波——频率高于20kHz的高频振动波，人耳无法听见传播需要气体、液体或固体等媒介方向性好，具有良好的穿透性在介质中传播时遵循几何光学的基本规律，具有反射和折射等特性超声波检测原理——在掌握了某些非声量的物理量（如密度、流量等）与描述超声波介质声学特性的超声量（声速、衰减、声阻抗）之间存在的直接或间接关系的基础上，通过超声量的测定来测得被测物理量

4.5.1超声波距离测量核心器件——超声波发射器+超声波接收器（超声波探头），均压电材料的逆压电效应或铁磁材料的磁致伸缩效应，分别将电能转变为机械能以及将机械能转变为电能。

检测方式——脉冲法和多普勒频移法。脉冲法更常用；当发射器和反射器之间有相对移动时采用多普勒频移法。

超声波传感器2.超声波测距控制电路产生一定频率的脉冲信号并送给发射电路，经放大后激励超声探头而发射超声波脉冲。该脉冲遇到被测物体，超声波发生反射，反射回波则被另一个或同一个超声探头接收。假设超声波在介质中的传播速度为v，在介质界面的入射角为θ，同时测定超声波从发射到接收的时间间隔为t，则被测距离d为

3.超声波测距应用——倒车雷达

4.5.2激光测量距离1.激光特征高方向性激光可以集中在狭窄的范围内向特定的方向发射，即使在几公里的距离其扩展范围不到几厘米。高单色性激光的频率宽度比普通光的频率宽度小10倍以上，因此激光是最好的单色光源。高亮度源于激光的定向发光。人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高（与太阳光的亮度不相上下），而红宝石激光器的激光亮度超过氙灯几百亿倍。

2.激光测距原理激光的测距原理与超声波测距相同，向被测目标发射激光后，由光电元件接收目标反射的激光，同时测量激光在被测距离上往返一次所需要的时间t，即可求出距离d为3.激光测距方法脉冲式：利用脉冲光波，当发射的光脉冲被目标物体反射回来后，通过一个时间测量装置直接测出激光往返的时间，进而利用上式求出距离。相位式：用连续光波通过调制器使激光强度按调制信号随时间而变化，测出该光波在时间t内的相位变化，从而间接地计算出时间。4.6视觉传感器定义：利用光电转换原理，将被测物体的光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏单元上按空间分布的光强信号转换为按时序串行输出的电信号。特点：体积小，析像度高，功耗小，广泛应用于机器视觉、图像处理、非接触测量零件尺寸、形状和损伤、瑕疵识别等领域类型：CCD视觉传感器和CMOS视觉传感器

1.CCD视觉传感器CCD—利用内光电效应，由光敏单元集成的一种光电传感器，集电荷产生、存储、转移和输出为一体。CCD光敏单元的核心—MOS电容

4.6.1CCD和CMOS视觉传感器工作过程：首先由光学系统将被测物体成像在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多像素点，这些像素点将投射到它的光强转换成电荷信号并进行存储；然后在时钟脉冲信号的控制下，读取反映光强的被存储电荷信号并顺序输出，从而完成了从光图像到电信号的转换过程。特点：体积小，轻便，响应快，灵敏度高，稳定性好，以光为媒介对任何地点的图像进行识别和检测，数字化输出

CCD视觉传感器2.CMOS视觉传感器CMOS—将光敏二极管、MOS场效应管、MOS放大器和MOS开关电路集成在同一芯片上而成CMOS特点：集成度高，功耗低，体积小，生产成本低，抗干扰能力强，只需单一电源，容易与其他芯片整合，广泛应用于民用领域（高速摄影、医疗、消费品）

CMOS视觉传感器：由一个像素光电二极管和数种MOS晶体管构成

4.6.2视觉传感器的应用1.工件尺寸测量通过透镜将被测工件放大成像于CCD传感器的光敏阵列上，由视频处理器将CCD输出信号进行存储和数字处理，并将测得结果进行显示或判断，从而实现对工件形状和尺寸的非接触测量。4.6.2视觉传感器的应用2.热轧板材宽度测量1—激光器；2—CCD线阵传感器；3—光源；4—板材；5—轧辊两个CCD线阵传感器布置于热轧板材的上方，板端的一小部分处于传感器的视场内，依据几何光学的方法可以分别测出宽度l1、l2，在两个传感器视场宽度lm已知的情况下，可以根据传感器的输出计算出板材的宽度l。图中最右侧的CCD传感器是用来摄取激光器在板材上的反射光像，其输出信号用于补偿因板厚变化而造成的测量误差。4.7智能传感器1.智能传感器的概念目前尚无统一的定义。早期只是简单地强调在工艺上将传统的传感器与微处理器紧密结合，认为将传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上即构成智能传感器。随着传感技术的不断发展，逐渐认识到传感器与微处理器的结合如果没有赋予智能，只能是微机化的传感器，而非真正意义上的智能传感器。

4.7.1智能传感器的定义与特点智能传感器是一种带有微处理器的传感器，是传感器和微处理器赋予智能的结合，兼具信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断等功能，是传感器、计算机和通信技术结合的产物。4.7.2智能传感器的基本组成与基本功能1.智能传感器的基本组成主要由传感器、微处理器（或微型计算机）及相关电路组成。其中，微处理器是智能传感器的核心，它充分发挥各种软件的功能，赋予传感器以智能，使传感器的性能大大提高。传感器将被测对象的非电量信号转换成相应的电信号，经信号调理电路进行放大、滤波、阻抗变换以及输入接口的A/D转换后，送到微处理器对接收信号进行计算、存储以及数据处理。微处理器一方面通过反馈回路对传感器和信号调理电路进行调节，以实现对测量过程的调节和控制；另一方面将处理结果传送到输出接口，经接口电路处理后按需要的格式输出。2.智能传感器的基本功能（1）在自我完善能力方面，具有自校正、自校零、自校准功能，以改善传感器的静态性能，提高传感器的静态测量精度；具有智能化频率自补偿功能，以提高传感器响应速度，改善其动态特性；具有多信息融合功能，从而抑制交叉敏感，提高系统稳定性。（2）在自我管理和自适应能力方面，具有自检验、自诊断、自寻故障、自恢复功能；具有判断、决策、自动切换量程功能。

（3）在自我辨识和运算处理能力方面，具有从噪声中辨识微弱信号及消噪功能；具有多维空间的图像辨识与模式识别功能；具有数据的自动采集、存储、记忆与信息处理功能。（4）在交互信息能力方面，具有双向通信、标准化数字输出以及人—机对话等功能。

4.7.3智能传感器的分类与基本形式1.智能传感器的分类（1）模块式智能传感器将微处理器、信号处理电路、输入/输出电路、显示电路和传感器做成互相独立的模块，并装配在同一壳体内。集成度不高、体积较大，但是较为实用。（2）混合式智能传感器将各组成部分以不同的组合方式集成在几个芯片上，然后装配在同一壳体内。是目前智能传感器的主要类型。（3）集成式智能传感器利用集成电路工艺和微机械技术将传感器敏感元件与功能强大的电子线路集成在同一芯片上（或二次集成在同一外壳内），集成度高、体积小、成本低、功耗低、速度快、可靠性好、测量精度高、功能强。是当前研究热点和主要发展方向。

2.智能传感器的基本形式（1）初级形式在组成环节中没有微处理器，仅仅包含敏感元件、补偿电路（如温度补偿、线性补偿等）、校正电路和信号调理电路。最早期形式，智能含量还较低，而且智能化功能的实现依靠硬件电路来完成。（2）中级形式在组成环节中必须包含微处理器。功能大大增强，性能显著提高。智能化主要由强大的软件来实现。（3）高级形式集成度进一步提高，敏感单元实现多维阵列化，同时配备有更强大的信息处理软件，具有更高级的智能化功能。是真正意义上的智能传感器。4.8微传感器采用微电子机械加工技术制作的、芯片特征尺寸为微米级的各类传感器的总称。利用微细加工技术，将电子、机械、光学等部件集成在微小空间内，形成具有一定智能的优化复杂系统。特点：（1）微型化和轻量化利用微机电系统技术，敏感元件尺寸大多为微米级甚至亚微米级，使传感器整体尺寸大大减小（可达亚微米级），尺寸精度可达纳米级，体积只有常规传感器的几十分之一乃至百分之一，重量一般在几十克乃至几克。

4.8.1微传感器及其特点（2）集成化和多功能化

利用半导体工艺实现集成化包括：将传感器与后级电路（如运算放大电路、温度补偿电路等）及微执行器等集成在一起，实现一体化；将同类传感器集成于同一芯片上，构成阵列式传感器；将不同的微传感器集成在一起而构成新的传感器。结构的集成化势必带来功能的多样化。如将应变片和温度敏感元件以及处理电路集成在同一个硅片上，可同时测量压力和温度并实现温度补偿。

（3）高精度和高寿命微传感器封装后可摆脱热膨胀、挠曲和噪声等因素的不利影响，可在恶劣环境下稳定工作。大量智能材料和智能结构的使用大大提高系统的测量精度、抗干扰能力、可靠性及使用寿命。（4）低成本和低功耗批量化生产使得单件传感器的制造成本显著降低。在完成相同的工作时，微机械所消耗的能量仅为传统机械的十几分之一或几十分之一，功耗可达毫瓦级乃至更低的水平。

4.8.2微传感器和传统传感器的区别

1.设计和加工方法不同传统传感器—先提出设计方案和装配图，再逐步分解，设计并加工每个零件，最后将制作好的各个零件组装调试，完成整机装配。微传感器—由于尺寸微小，零部件加工和装配都很困难，传统的设计、加工和装配方法会使得批量生产变得十分困难，导致成本大幅度提高，难以实现商品化。某些情况对传统传感器来说很简单，而对于微传感器就很困难，如引线设计和制作（传感器需要布设电流线和信号线，而常规的最细引线也可能与微传感器的尺寸相似）。2.控制方法和工作方式不同传统传感器—手动操作和人工分析（器件的电源启动、数据的显示控制和分析提取等）。微传感器—通过遥感或自动模式工作，而且一般不与外部环境直接耦合，以电、磁、光、声等信号作为输出。3.应用环境不同传统传感器—尺寸较大，对环境温度、湿度、灰尘等的变化较不敏感。微传感器—工作空间极小，且易受到环境影响（10μm的灰尘就可能阻挡微光学传感器的光源，从而影响传感器的正常使用）。4.力学性能和物理特性不同微传感器的微小尺度会使其表现出与宏观传感器迥异的现象。尺寸微小化对材料的力学性能（强度、刚度、弹性等）会产生很大影响（美国伯克利大学20um的多晶硅螺旋弹簧，弹性超过普通硅片，甚至优于金属弹簧）。尺寸微小化所引起的力尺度效应也会使系统的物理特性发生变化。当