机电一体化技术(第2版)课件：传感器技术

传感器技术

传感器技术15.1概述25.3位移测量传感器35.2位置测量传感器4

5.5力、力矩测量传感器55.4速度测量传感器大脑感觉器官肌肉关节视觉嗅觉听觉味觉触觉神经神经四肢控制器驱动器执行机构传感器接口/通信接口/通信

传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节，接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电一体化有效地发挥作用，必须首先借助传感器获取外部环境和系统内部各种各样的信息。

机电一体化与人5.1概述

传感器传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路组成。

敏感元件

传感元件

测量转换电路非电量非电量电参量电量（被测量）5.1概述

电桥

放大

显示弹性敏感元件电阻应变片信号处理电路被测压力FRU

在弹性敏感元件上粘贴有一种称电阻应变片的传感元件，该传感元件能将变形量转换为电阻值（电参量）的变化。应变片电阻值的变化由电桥电路转换成电压输出，电桥电路即为测量转换电路。因为在转换过程中，压力、变形量、电阻值及电压均成线性关系，因此，最终压力与电压成线性对应关系。压力转换成电压后，经过放大等一系列处理，由手持式显示器显示出压力变化值。5.1概述机械量测量传感器

机械量通常包括各种几何量和力学量，如长度、位移、厚度、转矩、转速、振动和力等。本章主要讨论机电一体化技术中常用的位置、位移、速度、力、力矩等机械量的测量方法及测量仪表。

5.1概述5.2位置测量传感器

位置检测在航空航天技术、机床以及其他过程工业生产中都有广泛的应用。当前实现位置检测主要是使用各种各样的接近开关。在日常生活中、测量技术中、控制技术中和安全防盗方面，接近开关来实现位置检测都有应用。常见的接近开关有以下几种：涡流式接近开关、电容式接近开关、霍尔接近开关、光电式接近开关、热释电式接近开关等其它型式的接近开关。5.2.1位置传感器的技术指标检测距离：被测物体按一定方式移动时，从基准位置(传感器的感应表面)到传感器动作时测得的位置的空间距离。复位距离：被测物体按一定方式移动时，从基准位置(传感器的感应表面)到传感器最远可动作时测得的位置的空间距离。差动距离：复位距离与检测距离之差。响应时间：从物体进入可检测区间到传感器有信号输出之间的时间差T1，或从物体推出可检测区间到传感器输出信号消失之间的时间差T2。5.2.1位置传感器的技术指标图5-2位置传感器技术指标5.2.1位置传感器的技术指标图5-2位置传感器技术指标

涡流式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的关断或者导通。

(1)涡流式接近开关的测量原理

5.2.2常用位置传感器检测材质：金属涡流式接近开关5.2.2常用位置传感器5.2.2常用位置传感器涡流式接近开关的工作流程

工作流程方框图

利用涡流式接近开关来检测传送带上的工件，当有工件接近时，接近开关上的触点动作，常开触点闭合，常闭触点断开。

图5-5接近开关应用—统计工件数5.2.2常用位置传感器

涡流式接近开关在实际的制造工业流水线上，涡流式接近开关有着较为广泛的应用。涡流式接近开关不与被测物体接触，依靠电磁场变化来检测，大大提高了检测的可靠性，也保证了电感式接近开关的使用寿命。所以，该类型的接近开关在制造工业中，比如机床、汽车制造等行业使用频繁。5.2.2常用位置传感器2．电容式接近开关

电容式传感器的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，两者构成一个电容器，该电容接入后级RC振荡器中；当被测物体靠近电容式传感器时，该电容器的容量增加，使振荡器开始振荡，通过后级电路的处理，将停振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。检测材质：金属，塑料，尼龙，纸，水，油等5.2.2常用位置传感器电容式接近开关工作流程图5.2.2常用位置传感器电容式接近开关应用5.2.2常用位置传感器（3）霍尔接近开关

霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。检测材质：磁性物体。外型图形符号5.2.2常用位置传感器5.2.2常用位置传感器

霍尔开关传感器具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行计数检测。下图所示为利用霍尔开关传感器来统计钢球在绝缘板上通过磁铁的次数。图5-9霍尔计数装置工作示意图5.2.2常用位置传感器1.遮断式光电开关

遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。Receiver被检测物体光发射器光接收器（4）光电式接近开关5.2.2常用位置传感器2.定区域反射式光电开关

定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。检测距离检测距离5.2.2常用位置传感器

反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射镜被测物体偏振光发射光3.反射镜反射型光电开关5.2.2常用位置传感器

漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。漫反射光线反射光线光发射器和光接受器发射光线额定距离4.被测物漫反射型光电开关被检测物体5.2.2常用位置传感器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向（罐装高度检测）储料仓5.光电开关在流水线上的应用5.2.2常用位置传感器6.遮断型光电开关用于产品质量控制5.2.2常用位置传感器

两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。接收器7.

光幕5.2.2常用位置传感器2025/1/4

光幕应用

当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。光线被遮断（报警）5.2.2常用位置传感器

木材外形截面积检测5.2.2常用位置传感器

产品三维尺寸测量5.2.2常用位置传感器

孔列检查5.2.2常用位置传感器带材在卷曲过程中的纠偏5.2.2常用位置传感器2025/1/4自动收费系统的车辆检测5.2.2常用位置传感器8.反射镜反射型光电开关的应用

塑料瓶的反射光不是偏振光，不会引起报警。反射镜5.2.2常用位置传感器9.反射型光电开关的应用集成电路方向检测集成电路管脚排列检测5.2.2常用位置传感器10.漫反射型光电开关的应用5.2.2常用位置传感器5.2.2常用位置传感器（5）光纤位置传感器数字式光纤传感器是一种利用光纤进行数据传输的新型测量传感器。它的工作原理是：首先，当传感器头所测量的物质的参数的改变时，可以影响光纤中的光脉冲的强度，从而改变光纤内的信号。根据不同光纤结构，光纤传感器可以分为漫反射普通光纤、对射普通光纤、同轴光纤、矩形光纤、侧视光纤、槽型光纤、窗口光纤等类型。1.漫反射普通光纤2.对射普通光纤可用于检测料带的标记，通过不同颜色反光率不同进行区分可检测流水线上的不透明物体或半透明物体的有无5.2.2常用位置传感器3.同轴光纤可用于芯片脚数量确认4.矩形光纤落料检测、标记检测、纠偏检测、大小物体区分5.2.2常用位置传感器6.直角光纤5.侧视光纤侧面出光检测型，适合狭窄空间使用直角型光纤管，用于检测IC针脚5.2.2常用位置传感器7.槽型光纤可检测单双张透明薄膜和深色物体缝隙8.窗口光纤用于产品计数、检测和落料检测5.2.2常用位置传感器43热释电传感器

（5）热释电式接近开关

用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。5.2.2常用位置传感器44

热释电传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，就有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到20世纪60年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。

热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感、热辐射探测器等。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。例如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；人靠近时自动开启监视器或自动门铃；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动；……

5.2.2常用位置传感器45热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭5.2.2常用位置传感器46吸顶式热释电报警器5.2.2常用位置传感器47应用：①人体感应灯②防盗报警感应范围5.2.2常用位置传感器48人体感应灯热释电传感器5.2.2常用位置传感器49人体感应灯5.2.2常用位置传感器50智能空调智能空调能探测出室内是否有人及人是静止还是活动，据此自动控制开关机、制冷（热）量及室温，以达到节能和人性化的目的。热释电传感器的菲涅尔透镜做成球状，能探测出室内一定空间角范围内是否有人以及人是静止还是活动。上下范围左右范围5.2.3位置传感器接线方式5.3位移测量传感器

测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器，而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。53电感式传感器是基于电磁感应原理，将输入量转换成电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量位移、压力、振动等物理参数。5.3.1电感式位移传感器54自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。W——线圈匝数，μ0——空气磁导率。（1）可变磁阻式电感传感器5.3.1电感式位移传感器55变气隙式、变面积式和螺线管式电感传感器分类:5.3.1电感式位移传感器56其中：ρ

金属电导率，μ金属磁导率，r线圈与被测物体的尺寸因子，f

激磁电流频率，x

线圈与导体间的距离基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流I1

时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2，称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。（2）

电涡流式传感器5.3.1电感式位移传感器57应用：x——位移、厚度、振幅；

ρ——表面温度、电解质浓度、材质判别等；

μ，ρ——无损探伤等。特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高涡流分布在导体表面5.3.1电感式位移传感器58

电涡流式传感器的特点：非接触测量，不易受油液介质影响；结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米；频率响应范围宽（0~10kHz），适合动态测量。5.3.1电感式位移传感器59电涡流传感器应用1.位移测量

图5-20电涡流位移测量方法5.3.1电感式位移传感器602.振动测量5.3.1电感式位移传感器61无损探伤其它应用5.3.1电感式位移传感器62测转速测厚度计数测裂纹5.3.1电感式位移传感器63厚度测量金属板厚度测量高频反射式电涡流测厚仪

5.3.1电感式位移传感器检测原理：被测非电量转换为电容量的变化5.3.2电容式位移传感器

A——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；ε0——真空介电常数；εr——相对介电常数；ε—电容极板间介质的介电常数。5.3.2电容式位移传感器5.3.2电容式位移传感器灵敏度：（1）极距变化型电容传感器5.3.2电容式位移传感器（1）极距变化型电容传感器5.3.2电容式位移传感器5.3.2电容式位移传感器输入输出特性：灵敏度：

面积变化型电容传感器的优点是：输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。（2）面积变化型电容传感器5.3.2电容式位移传感器

介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。图中，厚度为δ2的介质（ε2为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改变。（3）介质变化型电容传感器5.3.2电容式位移传感器非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。非接触检测塑料管道内溶液液位5.3.2电容式位移传感器带电粒子在磁场中的运动会受到洛伦兹力FL的作用洛伦兹力FL的方向由左手定则决定洛伦兹力的作用结果，使带电粒子偏向c，d电极在垂直于B和I的方向上产生一感应电动势VH

该现象称为霍尔效应，所产生的电动势VH称为霍尔电势厚度为d的N型半导体薄片上垂直作用了磁感应强度为B的磁场若在一个方向上通以电流IN型半导体中多数载流子为电子

——它沿与电流的相反方向运动5.3.3霍尔位移传感器1、霍尔位移传感器简介霍尔电势VH的大小

由下式决定：式中KH——霍尔常数，表示单位磁感应强度和单位控制电流下所得的开路霍尔电势，取决于材质、元件尺寸，并受温度变化影响；

α——电流方向与磁场方向夹角，如两者垂直，则sinα＝1。纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应微弱，无实用价值半导体是霍尔元件的常用材料材料的厚度d愈小，则KH就愈大、灵敏度愈高5.3.3霍尔位移传感器霍尔元件置于两相反方向的磁场中在a、b两端通入控制电流i左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势VH2方向相反c，d两端输出电压是VH1-VH2，若使初始位置时VH1=VH2，则输出电压为零。当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且ΔVH数值正比于位移量Δx，正负方向取决于位移Δx的方向霍尔元件传感器既能测量位移的大小，又能鉴别位移的方向2、霍尔位移传感器的工作原理5.3.3霍尔位移传感器

光栅传感器是一种非接触式光电测量传感器，它利用光衍射产生干涉条纹的原理制成。它的突出特点是精度非常高，响应快，量程大，所以广泛应用于精密加工，光学加工，大规模集成电路的设计、检测，机床直线位移或角位移的精密测量等方面。5.3.4光栅位移传感器（大位移）

光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。下图所示的是一块黑白型长光栅，平行等距的刻线称为栅线。设其中不透光的缝隙宽度为a，透光的缝隙宽度为b，一般情况下，a＝b。图中w＝a+b称为光栅栅距(或光栅节距、光栅常数)，它是光栅的一个重要参数。5.3.4光栅位移传感器1、光栅结构图5-29光栅结构放大图

如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。

莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成。如图5-30中d－d线区所示。，f－f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。5.3.4光栅位移传感器2、光栅的测量原理图5-30莫尔条纹5.3.4光栅位移传感器5.3.4光栅位移传感器

莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点：

(1)位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为

θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。5.3.4光栅位移传感器（2）莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。5.3.4光栅位移传感器3、光栅位移传感器的组成

如图5-31所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。

主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。

用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。5.3.4光栅位移传感器图5-31光栅位移传感器原理图a)透射式光路b)反射式光路1、11—光源2—准直透镜3—主光栅4、7—指示光栅5—光敏元件6—反射主光栅

8—场镜9—反射镜10—聚光镜12—物镜13—光电池5.3.4光栅位移传感器5.3.4光栅位移传感器◆输入信号：接近开关、光电开关、旋转编码器等传感器，也可接电平开关量信号等5.3.4光栅位移传感器图：光栅表数字显示仪图5-32封闭式直线光栅尺结构图5.3.4光栅位移传感器4、光栅位移传感器的应用光栅位移传感器的特点：测量精度高（分辨率为0.1μm），动态测量范围广（0～1000mm），

可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化。

在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。5.3.4光栅位移传感器89长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形5.3.5磁栅位移传感器901－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫圆磁栅传感器几种常见磁栅的结构

5.3.5磁栅位移传感器91l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头5.3.5磁栅位移传感器5.3.5磁栅位移传感器93

磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将一定波长的电信号(正弦波或矩形波)用录磁（即用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的形式保留在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号）的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。

装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。

磁栅式传感器的工作原理:5.3.5磁栅位移传感器94磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头信号处理电路固定孔5.3.5磁栅位移传感器95磁尺磁栅外观图磁头5.3.5磁栅位移传感器大尺寸磁栅尺外形图5.3.5磁栅位移传感器德国SIKO

磁栅尺5.3.5磁栅位移传感器98磁尺是用非导磁性材料做尺基，在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，经过录磁（即用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的形式保留在磁尺上，这样磁尺上录上一定波长的磁信号），磁尺的磁化图形排成SN、NS状态。（一）磁栅5.3.5磁栅位移传感器99磁信号的波长（周期）又称节距，用λ表示。磁信号的极性是首尾相接，在N、N重叠处为正的最强，在S、S重叠处为负的最强。磁尺的的断面和磁化图形如下图所示。5.3.5磁栅位移传感器100（二）磁头

磁栅上的磁信号先由录磁头录好，再由读取磁头读出，按读取信号方式的不同，磁头可分为：静态磁头动态磁头5.3.5磁栅位移传感器101动态磁头动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，只有一个绕组，当磁头沿磁栅作相对运动时才有信号输出。输出为正弦波，在N、N重迭处输出正信号最强，在S、S重迭处负信号最强。（录音机上的磁头就是速度响应式磁头，只有在磁头和磁带有相对运动时才能检测出磁信号）1—磁头；2—磁栅；3—输出波形

动态磁头的工作原理

静止时就没有信号输出。因此它只能用于动态测量。

102静态磁头静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。——该磁头有两个绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组。励磁绕组——绕在磁路截面尺寸较小的横臂上输出绕组——绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上——它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。——当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化，输出感应电动势。103静态磁头静态磁头的工作原理

1—磁头；2—磁栅；3—输出波形

N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入高频的励磁电流，一般频率为5kHz或25kHz，

幅值约为200mA。104工作原理（静态磁头）励磁绕组起磁路开关作用当励磁绕组N1不通电流时，磁路处于不饱和状态，磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。如果在励磁绕组中通入交变电流i=i0sinωt，当交变电流i的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁心材料饱和，这时磁阻很大，而使磁路“断开”，磁栅上的磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变电流i的瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料不饱和，这时磁阻也降低得很小，磁路被“接通”，则磁栅上的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。105工作原理（静态磁头）磁感应强度决定于磁头与磁栅的相对位置。

随着激励交变电流的变化，可饱和铁心这一磁路开关不断地“通”和“断”，进入磁头的剩磁通就时有时无。这样，在磁头铁心的绕组N2中就产生感应电势，主要与磁头在磁栅上所处的位置有关，而与磁头和磁栅之间的相对速度关系不大。磁栅式传感器特点磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系统精度达

0.01mm/m分辨力为1～5

m但磁信号的均匀性和稳定性对磁栅式位移测量的精度影响较大。5.3.5磁栅位移传感器

增量式编码器提供了一种对连续位移量离散化、增量化以及位移变化（速度）的传感方法。增量式编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，它能够产生与位移增量等值的脉冲信号。增量式编码器测量的是相对于某个基准点的相对位置增量，而不能够直接检测出绝对位置信息。一、

增量式光电编码器5.4编码器5.4编码器一般来说，增量式光电编码器输出

A、B

两相相位差为

90°的脉冲信号（即所谓的两相正交输出信号），根据

A、B

两相的先后位置关系，可以方便地判断出编码器的旋转方向。另外，码盘一般还提供用作参考零位的

N

相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，会发出一个零位标志信号。光栅信号A,B有以下关系。

当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B、90度，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化；00—10—11—01—00，这样如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，一个周期内可实现4次加计数，从而实现正转状态的4倍频计数。

当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后B、90度，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化；00—01—11—10—00，这样如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数，一个周期内可实现4次减计数，从而实现反转状态的4倍频计数。

绝对式编码器的原理及组成部件与增量式编码器基本相同，与增量式编码器不同的是，绝对式编码器用不同的数码来指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。二、绝对式编码器5.4编码器

根据编码方式的不同，绝对式编码器的两种类型码盘（二进制码盘和格雷码码盘）。

绝对式编码器的特点是不需要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码，即直接读出角度坐标的绝对值。另外，相对于增量式编码器，绝对式编码器不存在累积误差，并且当电源切除后位置信息也不会丢失5.4编码器工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应结构简单，使用方便弹性敏感元件力、压力电阻应变片电桥电路RU易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；5.5力、力矩测量传感器5.5.1电阻应变式力传感器金属丝式应变片金属箔式应变片1、电阻应变片的工作原理

金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。5.5.1电阻应变式力传感器2、应变片的选择a)应变片类型的选择

根据应变测量的目的，被测试件的材料和应力状态、测量精度选择应变片的形式。对于测试点主应力方向已知的一维应力测量，选用单轴丝式或箔式应变片；对于平面应变场主应力方向已知的二维应变测量，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致5.5.1电阻应变式力传感器如果应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花对于应变式传感器，应变片的形式主要取决于弹性元件。对柱式、梁式、环式等弹性元件，它们工作时受拉/压应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片；对于轮辐式等利用剪应力测量的弹性元件，一般使用双轴45°应变片。5.5.1电阻应变式力传感器5.5.1电阻应变式力传感器3、电阻应变片的应用场合各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆5.5.1电阻应变式力传感器应变式力传感器

FFFF5.5.1电阻应变式力传感器应变片用于各种电子衡器

磅秤电子天平5.5.1电阻应变式力传感器材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

5.5.1电阻应变式力传感器

a)去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。4、应变片的使用方法5.5.1电阻应变式力传感器

b)贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。5.5力、力矩测量传感器c)测量：

从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。5.5.1电阻应变式力传感器d)焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

5.5.1电阻应变式力传感器e)固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。5.5.1电阻应变式力传感器某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电效应：压电效应演示5.5.2压电式测力传感器压电式金属加工切削力的测量

5.5.2压电式测力传感器131

在测量力矩的诸多方法中，最常用的是通过弹性轴在传递力矩时产生的变形、应变、应力来测量力矩。电阻应变式扭矩仪在扭矩测量中应用较广泛。5.5.3电阻应变式力矩传感器当测量小转矩时，考虑到抗弯曲强度、临界转速、应变片尺寸及粘贴工艺等因素，多采用空心轴：大量程转矩测量时一般采用实心方形截面弹性轴。

5.5.3电阻应变式力矩传感器133应变式扭矩仪工作原理图

一般在扭转轴上按与轴线成规定的方向粘贴4片电阻应变片，组成应变电桥，如图5-43所示。当扭转轴受转矩而产生扭转变形时，各应变片的阻值即随之发生变化，电桥输出的不平衡电压与转矩成比例。图5-43应变式扭矩仪工作原理图5.5.3电阻应变式力矩传感器电刷—滑环集流装置

端面电刷—滑环集流装置1-套筒；2绝缘环；11-滑环；4-电刷；5-簧片；6-外壳；7-轴承5.5.3电阻应变式力矩传感器5.5.4相位差式转矩测量仪表

转轴受扭矩作用产生扭转变形后，轴上两横截面的相对扭转角与扭矩成正比，若用磁电式传感器提取信号，则信号相位差与扭转角成正比，从而实现扭矩测量。5.6工业机器视觉简介5.6.1机器视觉基础1.

机器视觉概述

机器视觉作为一项新兴技术，近年来已经逐步被行业用户所接受。其高效、高速、高可靠性等技术优势，使其逐渐成为自动化检测行业的新宠。2.工业机器视觉的应用领域①识别图5-55机器视觉的识别应用案例5.6.1机器视觉基础工业机器视觉主要有以下4个应用领域：利⽤机器视觉对图像进⾏处理、分析和理解，以识别各种不同模式的⽬标和对象。可以达到数据的追溯和采集，在汽车零部件、⾷品、药品等应⽤较多。如颜⾊识别、字符有⽆识别等。

检测⽣产线上产品有⽆质量问题，该环节也是取代⼈⼯最多的环节。如电⼦⾏业中，电感电容的外观检测，包括有有⽆

检测、裂纹、崩缺、污点、变形等不良缺陷检测。图5-56机器视觉的检测应用案例5.6.1机器视觉基础②检测③测量尺寸和容量检测预设标记的测量，如孔位到孔位的距离图5-57机器视觉的测量应用案例5.6.1机器视觉基础视觉定位要求机器视觉系统能够快速准确地找到被测零件并确认其位置，上下料使⽤机器视觉来定位，引导机械⼿臂准

确抓取。图5-58机器视觉的机器人引导应用