机电一体化技术 -课件 项目四

机电一体化技术主编

张奇良

鲁佳

王红锦PARTONE项目四传感与检测目录/CONTENTS任务一传感器的组成与分类任务二常用传感器与传感元件任务三接近开关行业PPT模板/hangye/PARTONE任务一传感器的组成与分类一、传感器的组成

传感器一般由敏感元件、能量转换元件及基本转换电路3部分组成,如图4-1所示。

其中,敏感元件可以直接感知被测量,然后按照一定关系输出同种或其他种类的物理量;

能量转换元件能将敏感元件输出的非电量(如位移、力、温度等)转换成基本电路参数(如电容、电阻、电感、电压等)

由于能量转换元件输出的电路参数一般较为微弱,难以被接下来的环节直接测量利用,因此,需要利用基本转换电路将基本电路参数转换成易于测量的电量(如电压、电流等)。转换元件和基本转换电路有时还需要辅助电源供电。(2)(4)按传感器工作原理分类,可分为机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器、磁学式传感器、半导体式传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。按信号变换特征分类,可分为物性型传感器和结构型传感器。二、传感器的分类(1)(3)按被测物理量分类,可分为力传感器、位移传感器、速度和加速度传感器、温度传感器和湿度传感器等。按被输出信号分类,可分为模拟式传感器和数字式传感器。(5)

根据敏感元件与被测对象之间的能量关系,可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。PARTTWO任务二常用传感器与传感元件一、位移传感器

机电一体化系统中经常需要测量位移量,位移传感器主要用于检测线位移和角位移等物理量。对于线位移的测量,常见的有电感式位移传感器、电容式位移传感器及光栅传感器等;对于角位移的测量,主要有光电编码器。1.电感式位移传感器

电感式位移传感器是基于电磁感应原理将位移转换为电感量变化的传感器。电感式位移传感器按照变换方式的不同可分为自感型(包括可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器式)两种。

(1)自感型

①可变磁阻式传感器。可变磁阻式传感器的结构原理如图4-2所示。它由线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有气隙。

②涡流式传感器。涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。

涡流式传感器原理图如图4-3所示(2)互感型。互感现象电路图如图4-4所示,差动变压器式电感传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象。

互感型传感器利用这一原理,将被测位移量转换成线圈互感的变化。实际上,互感型传感器的本质就是一个变压器,将初级线圈接入稳定交流电源,则在次级线圈处可感应出输出电压。由于经常采用两个次级线圈组成差动式,故也称差动变压器式电感传感器。2.电容式位移传感器电容式位移传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。由两个平行极板组成的电容器其电容量为(1)极距变化型。根据式(4-7),如果两极板间互相覆盖面积及极板间介质不变,则电容量C与极距δ呈非线性关系,电容量与极距的关系如图4-5所示。当极距δ有一微小变化量dδ时,引起电容的变化量dC为(2)面积变化型。面积变化型电容式位移传感器原理图如图4-6所示,一般常用的有角位移型和线位移型两种。平面线位移型电容式位移传感器如图4-6(a)所示,当动板沿x方向移动时,动板和定板的重合面积发生变化,电容量也随之变化。其电容量C为3.光栅传感器

光栅传感器是基于光电转化原理而制成的位移检测元件,它的测量精度很高,分辨力可以达到1μm甚至更高,响应速度很快,量程很大。光栅的组成结构图如图4-7所示,它由光栅尺、指示光栅、光电二极管和光源构成,光栅尺长度一般远超指示光栅,但光栅尺与指示光栅的光刻密度相同,一般为25条/mm、50条/mm、100条/mm、250条/mm。

使用时,一般将光栅尺安装在相对固定的基体上,而指示光栅安装在移动被测物体上,指示光栅平行于光栅尺,两者的刻线相互倾斜一个很小的角度,这时在指示光栅上就出现了几条较粗的明暗条纹,称为莫尔条纹,光栅莫尔条纹原理图如图4-8所示4.光电编码器

光电编码器与光栅传感器类似,同样是基于光电转化原理的。两者的区别在于,光电编码器可以将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号。根据刻度方法及信号输出形式,光电编码器可以分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。

(1)增量式光电编码器。增量式光电编码器采用圆光栅,通过光电转换器件,将旋转角位移转换成电脉冲信号,经过电路处理后,将输入的机械量转换成相应的数字量。增量式光电编码器由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙的编码圆盘、指示标度盘和光电器件组成,其光学原理图如图4-9所示。(2)绝对式光电编码器。

绝对式光电编码器的基本构成与增量式光电编码器类似,两者的主要区别在于编码盘不同。绝对式光电编码器的编码盘结构如图4-10所示,由透明区和不透明区组成,这些透明区和不透明区按一定编码构成,编码盘上码道的条数就是数码的位数,码盘含有4个码道,图4-10(a)为4位自然二进制编码器的编码盘,图4-10(b)所示为4位格雷码编码盘。二、位置传感器1.接触式极限开关(微动开关)

接触式极限开关主要用于极限位置的检测,当机械挡块撞击到极限开关滚轮上时,极限开关动作。极限开关的外观和内部结构如图4-11所示。这种极限开关具有以下特点。①能够实现大容量(10A、250VAC)的开闭。②寿命长。机械寿命2000万次以上,电气寿命50万次以上(10A、250VAC)。③具有优良的动作位置精度。动作位置精度可达±0.4mm。④取得各国安全标准认证(UL、CSA、SEMKO)。2.接近传感器

接近传感器是一种非接触式位置传感器,能够感知物体的靠近,利用位置传感器对接近物体所具有的敏感特性,达到识别物体靠近,并输出开关信号的目的。它具有速度快、频率高等特点。其代表舌簧传感器结构图如图4-12所示。舌簧传感器由两个舌簧片组成,在常态下处于断开状态,当与磁块接近时,舌簧片被磁化结合,转为接通状态,发出信号表明物体的靠近,当用于自动生产线时,可用于检测物体的有无。其位置控制方法如图4-13所示。3.光电传感器光电传感器是能够将可见光转换成某种电信号的传感器,也称光电开关。光电二极管是最常见的光电传感器。光电传感器一般由发光元件(发光二极管,即LED)和受光元件(光敏三极管)组合构成,其位置控制方法如图4-14所示。其中,发光元件将电信号变换成光信号,而受光元件将光信号重新变换为电信号。三、速度和加速度传感器1.测速发电机测速发电机是利用发电机的原理,测量机械旋转速度的传感器。以如图4-15所示的直流测速发电机为例,当位于永久磁场中的转子线圈随机械设备以转速n旋转时,因切割磁力线,在线圈两端将产生空载感应电动势E0,根据法拉第定律可知2.光电式转速传感器光电式转速传感器是一种角位移传感器,由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成,其结构图如图4-16所示。3.加速度传感器

作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式,它们的工作原理都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,进一步转化成电量,间接度量被测加速度的。最常用的有应变式、电磁感应式、压电式等。

应变式加速度传感器测试原理如图4-17所示,它通过测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算出力的关系。

(1)压电式加速度传感器结构及特性。压电式加速度传感器以电荷或两极间的电势作为输出信号。

压电式加速度传感器一般由两片或多片压电晶体黏合而成,由于压电晶体有电荷极性,因此,接法上分成并联和串联两种,其示意图如图4-18所示。(2)压电式加速度传感器应用。压电式加速度传感器可以用于压力和加速度检测、振动检测、超声波探测等,还可以应用在拾音器、助听器、点火器等产品中。压电式加速度传感器的结构图如图4-19所示。四、图像传感器

根据元件的不同,图像传感器通常可分为CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦合元件)和CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor,金属氧化物半导体元件)两大类。

(1)CCD图像传感器。CCD图像传感器分为线阵型和面阵型两类,线阵型CCD常应用于扫描仪、传真机等设备。CCD摄影机、照相机就是通过透镜把外界的景象投射到CMOS电容器面阵上,产生MOS电容器面阵的光电转换和记忆。

CCD图像传感器的工作原理是:当CCD工作时,在设定的积分时间内,光电元件对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光电元的电荷量。取样结束后,各光电元的电荷在转移栅信号驱动下,转移到CCD内部移位寄存器的相应单元中。

移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图像显示器或其他信号存储、处理设备中,对信号进行再现或存储处理。

(2)CMOS图像传感器。CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器,其优点是功耗小、成本低、速度快;缺点是分辨率低、动态范围小、光照灵敏度弱、图像质量差。常用CMOS图像传感器通常由光电单元阵列(像元阵列)、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、片上模拟信号处理器等部分组成,如图4-20所示。

CMOS图像传感器的工作原理是:先将光电二极管的PN结反向偏置到某一固定电压,然后断开,存储在光电二极管电容上电荷的衰减速度与入射光照度成比例。经过一定的积分时间后,读出二极管两端的电压。读出电压后,再通过开关使二极管两端恢复到原来的电压。CMOS图像传感器的工作流程如图4-21所示。五、传感元件1.磁阻式传感元件

磁阻式传感元件的工作原理主要是基于半导体材料的磁阻效应。磁阻效应与霍尔效应的区别在于,霍尔效应是产生电流方向垂直的电压,而磁阻效应是沿电流方向电阻的阻值产生变化。

磁阻效应位移传感器如图4-22所示。2.霍尔元件

霍尔元件是一种利用霍尔效应的传感元件,霍尔元件具有灵敏度高、线性好、稳定性高、体积小、耐高温等一系列优点,并得到了广泛应用。霍尔元件的原理图如图4-23所示。3.光电转换元件

光电转换元件是利用物质的光电效应,将光信号转换为电信号的一种器件。在应用这种元件检测物理量时,通常先将被测物理量转换为光信号,再通过光电转换元件转换为电信号。光栅组成元件的光敏管就是一种典型的光电编码器。光敏晶体管是利用受光照时载流子增加的半导体光电元件,光敏二极管具有一个PN结,光敏三极管具有两个PN结,光敏三极管及其伏安特性曲线如图4-24所示。PARTTHREE任务三接近开关一、接近开关的种类及检测原理

1.电感式接近开关

电感式接近开关是利用高频电磁感应原理设计的检测开关。电感式接近开关的原理图如图4-25所示,开关内部集成有电子