《传感器与检测技术》课件-项目四 智能工厂共筑未来

项目四智能工厂，共筑未来1.智能工厂，共筑未来行食衣住谚语芊芊玉手织出锦绣，巧手织出幸福路白雪纷飞掩纤尘，青丝缠绵织素锦素手抽针冷，那堪把剪刀传统成衣制作生产制作流程智能订单智能裁剪智能流转智能分拣智能仓储系统智能制造绿色制造可视化管理标准化管理精益物流智能工厂先进的管理模式缩短了产品生产周期、提高生产效率实现了原料、设备及人力的效率最大化>>>智

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来<<<传感器应用广泛的四种传感器角编码器光栅传感器光电开关压电传感器服装自动剪裁系统的测量师服装自动缝制系统的定位者纺纱产线上的“眼睛”智能可穿戴保护你我他2.光栅传感器检测位移服装制作方式手工缝制自动缝制一、光栅的结构及原理光栅的结构及原理123光栅的概念计量光栅的组成计量光栅的种类

a=bw=a+bW越小，分辨力越高。光栅刻线一般分为每mm10线、25线、50线、100线、200线等几种。（一）光栅的概念具有周期性刻度分布的光学元件。白处透光黑处不透光栅线的宽度为a缝隙宽度为b（二）计量光栅的组成1－光源2－透镜3－指示光栅4－标尺光栅5－光敏元件光源、光栅副、光敏元件三大部分。光栅副主光栅指示光栅（三）计量光栅的种类长光栅圆光栅透射式光栅反射式光栅按光路分类按形状分类二、莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹当夹角θ

很小，且两光栅的栅距都是W的时候，莫尔条纹间距B为传播：莫尔条纹的重要特性莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系12莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有平均光栅误差作用34莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移动的栅线数莫尔条纹的重要特性莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系12莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有平均光栅误差作用34莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移动的栅线数（一）莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系（二）莫尔条纹具有位移放大作用由于θ值很小，光栅具有放大作用，放大系数为

由于θ值很小，因此，K值很大。虽然栅距W很小，很难观测到，但B却远大于W，莫尔条纹明显可见，便于观测。（三）莫尔条纹具有平均误差作用

莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成的。如果光栅栅距有误差，则各交点的连线将不是直线。在光栅测量中，由于光电元件接收到的是个区域内所包含的众多栅线形成的莫尔条纹，个别栅线的误差，对整个莫尔条纹的影响减小了，即莫尔条纹具有平均误差的作用。（四）莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移动的栅线数

例如：当采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x(mm)(即移过了100x条光栅栅线)，则从光电元件前掠过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。对此莫尔条纹产生的电脉冲信号进行计数，就可知道光栅移动的实际位移。三、光栅的辩向技术光栅的辩向技术如果只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论指示光栅相对于主光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生数目相同的脉冲信号，计算机无法分辨移动的方向。因此，必须在相距W/4的位置上设置两个光电元件1和2，这样可以得到两个相位相差90°的电信号，由计算机判断两路信号相位差的超前或滞后状态，据此判断指示光栅的移动方向。光栅的辩向技术辨向电路原理框图光栅的辩向技术光栅的辩向技术四、细分细分刻线密度细分技术细分电路辨向逻辑电路的分辨率为一个光栅栅距w，为了提高分辨率，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到W/n。细分电路能在不增加光栅刻线数(刻线数越多，成本越昂贵)的情况下提高光栅的分辨率。细分电路能在一个W的距离内等间隔地给出n个计数脉冲。细分后的计数脉冲频率是原来的n倍，传感器的分辨力会成倍提高。五、光栅传感器在自动缝制中的应用定位与检测光栅传感器可以用来检测布料的位置和形状，确定缝纫机的工作区域和起始/终止位置。运动轨迹追踪通过实时监测布料的运动轨迹，光栅传感器可以帮助自动缝制系统精确控制缝纫机的针脚轨迹。速度与加速度控制光栅传感器可以检测布料的速度和加速度，这有助于自动缝制系统精确控制缝纫机的速度和加速度。六、解密光栅传感器是如何实现对布料的定位和检测解密光栅传感器由主光栅和指示光栅组成，主光栅固定在布料上或与布料移动相关的机构上，指示光栅则固定在缝纫机的机架或针杆上。当布料移动时，主光栅和指示光栅会进行相对的移动，形成叠栅条纹。这些条纹具有光学放大作用和误差平均效应，可以提高测量精度。当主光栅相对于指示光栅移动时，会形成明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲。通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，可以直接显示被测的位移量。因此，通过测量电脉冲的数量或宽度，就可以知道布料的位置和运动状态。0201小结光栅结构种类及原理莫尔条纹现象的机理光栅传感器在自动缝制系统中的具体应用光栅传感器是如何实现对布料的定位和检测光栅传感器检测位移3.角编码器：服装自动剪裁系统的测量师服装剪裁分类手工剪裁自动剪裁角编码器角编码器又称码盘，是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。目录CONTENT二、增量式编码器

一、绝对式角编码器三、角编码器在自动剪裁中的应用四、解密角编码器是精确测量原理和步骤一、绝对式角编码器绝对式角编码器

根据内部结构和检测方式有：绝对式角编码器按照角度直接进行编码。每一个微小的角位移都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。在绝对式测量中，即使中途断电，重新上电之后，也能读出当前位置的数据。接触式磁阻式等光电式绝对式角编码器（一）接触式编码器1-码道2-转轴3-导电体4-绝缘体5-电刷6-激励公用轨道绝对式角编码器（一）接触式编码器最低位最高位码道越多，位数n越大，所能分辨的角度α就越小。若要提高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。读数时，高位在内，低位在外。绝对式角编码器（一）接触式编码器α=360°/2n分辨率=1/2n绝对式角编码器a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

（二）光电式编码器空白部分是透光的-用“0”表示涂黑的部分是不透光-用“1”表示绝对式角编码器a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

（二）光电式编码器绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n有关，即最小能分辨的角度为：α=360°/2n分辨率=1/2n注意：4月23P8、P9。。。2的n次方补录音频1—磁鼓2—气隙3—磁敏传感部件4—磁敏电阻绝对式角编码器（三）电磁式编码器二、增量式编码器增量式编码器1-转轴

2－发光二极管

3－光栏板4－零标志位光槽

5－光敏元件6－码盘

7－电源及信号线连接座增量式编码器增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：α=360°/n分辨率=1/n1-转轴

2－发光二极管

3－光栏板4－零标志位光槽

5－光敏元件6－码盘

7－电源及信号线连接座三、角编码器在自动剪裁中的应用

角编码器在自动剪裁中的应用角编码器可以精确测量布料的长度和宽度，确保剪裁的准确性。精准测量位置控制角编码器可以检测布料的位置和运动速度，确保剪裁机能够按照预设的剪裁路径进行剪裁。角编码器在自动剪裁中的应用角编码器可以与自动化控制系统结合，实现自动剪裁。角编码器可以检测剪裁机的运行状态和剪裁效率，通过与计算机控制系统结合，可以实时调整剪裁机的运动轨迹和速度，优化剪裁效率，提高生产效率。自动化控制优化剪裁效率四、解密角编码器是精确测量原理和步骤

解密设计测量装置记录角度变化角编码器则用来测量轮或辊的旋转角度角编码器则会持续记录其旋转的角度算法转换同步测量宽度对于布料的宽度，可以设置另一套类似的装置角编码器则会持续记录其旋转的角度误差校准和补偿数据输出与处理为了获得更精确的结果，可能还需要进行误差校准和补偿测量的结果可以通过数据接口实时输出，便于后续的数据处理和分析角编码器是如何实现位置控制的呢？小结绝对式和增量式角编码器的原理角编码器的分辨力、分辨率计算角编码器在自动剪裁中的具体应用角编码器是如何精确测量布料的长度和宽度角编码器移检测位移4.1光电开关及光电断续器引入发展发展探索光电开关一、光电开关的概念及分类三、光电断续器的概念及应用二、光电开关的工作原理及应用目录CONTENT一、光电开关的概念及分类光电开关的概念及分类光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。（一）光电开关的概念光电开关的概念及分类发射器和接收器相对安放，轴线严格对准，当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。（二）光电开关的分类遮断型遮断型物体在光电开关面前通过时，红外光束被反射回来，接收器接收到红外线，而产生一个正脉冲信号。光电开关的概念及分类反射镜反射型散射型反射型发射器和接收器单侧安装反射镜反射型被测物漫反射型（散射型）没有物体经过时，反射镜将光束反射回接收器。光电开关的概念及分类虽然反射镜反射型和散射型都是反射型，但是反射镜反射型需要反射镜，而散射型则不需要；对于反射镜反射型，没有物体通过时，接收器能收到反射光；而散射型，有物体通过时，接收器才能收到漫反射光。

思考：反射镜反射型与散射型有什么区别呢？二、光电开关的工作原理及应用光电开关的工作原理及应用（1）遮断式光电开关工作原理1.遮断型光电开关光发射器光接收器被检测物体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收器组成。当被检测物体位于发射器和接收器之间时，光线被阻断，接收器接收不到红外线而产生开关信号。光电开关的工作原理及应用（2）遮断式光电开关的应用定区域式光电开关咖啡罐罐装高度检测储料仓流水线运行方向遮断式光电开关（计数）光电开关的工作原理及应用遮断型光电开关用于产品质量控制遮断型光电开关在产品检验中的应用光电开关的工作原理及应用纱线掉落检测、断纱检测及纱管底座检测等遮断型光电开关在纺纱过程中的应用光电开关的工作原理及应用光幕（多路遮光型光电开关）接收器发射器

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。光电开关的工作原理及应用光幕应用光线被遮断（报警）

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。产品高度测量光电开关的工作原理及应用光幕应用三维尺寸检测光电开关的工作原理及应用光幕应用长度测量宽度测量高度测量孔的检测光电开关的工作原理及应用光幕应用光电开关的工作原理及应用2.反射镜反射型光电开关反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要反射镜来反射光线。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。反射镜反射型光电开关的工作原理及应用（1）反射镜反射型光电开关工作原理被测物体发射光偏振光反射镜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，只能接收反射镜反射回来的偏振光。光电开关的工作原理及应用（2）反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜集发射、接收器于一身光电开关的工作原理及应用（3）反射镜反射型光电开关的应用反射镜反射型检测有无物体通过摆放错误检测光电开关的工作原理及应用3.被测物反射型光电开关被测物漫反射型（散射型）散射型安装较为方便，只要不是全黑的物体均能产生漫反射。

散射型光电开关的检测距离与被测物的黑度有关，一般小于几百毫米。光电开关的工作原理及应用（1）被测物漫反射型光电开关原理反射光线发射光线光发射器和光接受器漫反射光线被检测物体额定距离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。光电开关的工作原理及应用（2）散射型光电开关外形灵敏度调节电位器光电开关的工作原理及应用对于漫反射型光电开关，被检测物表面必须要能将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度。为了提高反射效率，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。（3）表面反射率光电开关的工作原理及应用表面反射率常用材料的反射率（相对于白纸的估计值）光电开关的工作原理及应用（4）漫反射型光电开关的应用光电开关的工作原理及应用检测电解电容极性是否插错（4）漫反射型光电开关的应用光电开关的工作原理及应用芯片厚度测量集成电路方向检测换向器间隙深度测量（4）漫反射型光电开关的应用光电开关的工作原理及应用产品计数产品计数（4）漫反射型光电开关的应用三、光电断续器的概念及应用光电断续器的概念及应用光电断续器是整体结构。光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器反射式光电断续器光电断续器的概念及应用1－发光二极管2－红外光3－光敏元件4－槽5－被测物（1）遮断型光电断续器（a）结构图（b）等效电路（c）工作示意图(槽式光电开关)可靠，较适合高速检测光电断续器的概念及应用（二）反射型光电断续器1－发光二极管2－红外光3－光敏元件4－槽5－被测物6－透光孔

右图中，反射型光电断续器安装在被测物下方。发光二极管不断发出红外光，当透光孔转至反射形光电断续器上方，红外光透过透光孔，光敏元件无法接收红外光，当被检测物体不透光部分在光电断续器上方时，红外光被反射回来，光敏元件接收红外光。

反射型光电断续器检查距离较小，多用于安装在空间较小的场合。光电断续器的概念及应用（二）反射型光电断续器1－发光二极管2－红外光3－光敏元件4－槽5－被测物6－透光孔反射型光电断续器检查距离较小，多用于安装在空间较小的场合。光电断续器的概念及应用由于检测范围小，光电断续器的发光二极管可以用直流电驱动，亦可用40kHz尖脉冲电流驱动；光电断续器是比较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的概念及应用（三）光电断续器的应用

当工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。光电断续器的概念及应用（三）光电断续器的应用齿盘每转过一个齿，光电断续器就是输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。光电断续器的概念及应用（三）光电断续器的应用透明簿膜透明物上的标记物检出光电断续器的概念及应用开关类型对射式光电开关散射式光电开关镜面反射式光电开关槽式光电开关内部结构特点光源与光电元件分离，被测物位于二者之间应用检测不透明物体

集光源与光电元件于一体

光源与光电元件位于U形槽的两边检测不透明物体

检测表面光亮或反光率高的物体几毫米~几十毫米分辨透明与半透明物体检测距离几米~几十米小结光电开关的概念及分类概念分类遮断型反射型反射镜反射型被测物漫反射型光电断续器的概念及应用反射型槽式（遮断型）光电开关及光电断续器光电开关的工作原理及应用遮断型反射镜反射型散射型单路多路（光幕）4.2设计、仿真、制作：光电计数器一、相关知识三、光电计数器的制作二、光电计数器的仿真目录CONTENT一、相关知识相关知识51单片机光电开关模块显示相关知识（一）光电开关模块使用进口槽型光耦传感器槽宽度10MM有输出状态指示灯，输出高电平灯灭，输出低电平灯亮有遮挡，输出低电平;无遮挡，输出高电平比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA工作电压3.3V-5V输出形式:数字开关量输出(0和1)设有固定螺栓孔，方便安装使用宽电压LM393比较器相关知识ITR9606由红外发射管和高灵敏度的光电三级管组成。它利用被检测物对光通路的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。槽式红外光耦ITR9606介绍①发光二极管阳极②发光二极管阴极③光敏三极管集电极④光敏三极管发射极相关知识光电开关内部电路out相关知识51单片机光电开关模块显示计数值二、光电计数器的仿真三、光电计数器的制作计数被测物通过光耦内的次数光电计数器单片机技术传感器技术电子技术光电计数器的制作小结重点难点程序的编写仿真时光耦的处理光电计数器5.1压电传感器目录CONTENT二、压电材料的分类及特性一、压电传感器三、压电传感器的工作原理四、压电传感器的测量转换电路智能手环智能手表常用的压电材料有哪些？什么是压电式传感器呢？压电传感器的工作原理是什么？一、压电传感器压电传感器压电式传感器是一种自发电式传感器。压电式传感器以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电式传感器主要用途：压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数（例如重量）的测量。二、压电材料的分类及特性压电晶体（如石英晶体）经过极化处理的压电陶瓷高分子压电材料压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料压电材料的分类及特性天然形成的石英晶体外形（一）石英晶体压电材料的分类及特性石英晶体薄片（一）石英晶体双面镀银并封装压电材料的分类及特性（一）石英晶体石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振压电材料的分类及特性（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电陶瓷的外形压电材料的分类及特性压电陶瓷的工作原理1－镀银上电极2－压电陶瓷3－镀银下电极4－电畴5－极化高压电源↑－细微的电畴极化方向a）极化处理前电畴杂乱分布b）在极化电压下的电畴分布c）冷却、稳定后的电畴分布压电材料的分类及特性典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。（三）高分子压电材料高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆压电材料的分类及特性（三）高分子压电材料压电材料的分类及特性可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式脚踏报警器高分子压电薄膜制作的压电喇叭压电材料的分类及特性压电效应是当某一介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部产生极化现象，从而在它的表面产生电荷，当测去外力后，又重新回到不带电状况的这种现象。压电效应撤去外力受到外力压电材料的分类及特性天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为：“压电效应”

还有一些人造的材料也具有压电效应。压电效应压电材料的分类及特性逆压电效应如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。压电介质逆压电效应正压电效应Q(E)电能T(S)机械能压电材料的分类及特性石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，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。敦煌八景咏其八沙岭晴鸣(清)苏履吉沙州自古是名区，地似鸣传信不诬。雷送余音听袅袅，风生细响语喁喁。如山积满高千尺，映日睛烘彻六隅。巧夺天工赖人力，声来能使在斯须。三、压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将产生电荷，因此它相当于一个电荷源。当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，两电极板间的电容Ca为式中A——压电元件电极面积；

——压电元件厚度；

r——压电材料的相对介电常数；

0——真空介电常数。压电传感器的测量转换电路压电元件的图形符号及等效电路a）结构示意图b）压电元件的符号c）压电元件的等效电路1－镀银上电极2－压电晶体3－镀银下电极压电传感器的测量转换电路电压放大器压电传感器的放大电路有电压前置放大器和电荷放大器。电压放大器输入端得到的电压ui=Q/（Ca+Cc+Ci）电压放大器的输出电压与屏蔽电缆线的分布电容Cc及放大器的输入电容Ci有关，它们均是不稳定的，会影响测量结果。压电传感器的测量转换电路电荷放大器电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小，放大器的输出电压U0正比于输入电荷Q，反比于反馈电容Cf，而基本上与Cc、Ca、Ci无关：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。小结什么是压电传感器压电效应压电传感器的测量转化电路自发电式传感器，测量动态变化的力压电元件材料压电晶体（如天然石英晶体）压电传感器经过极化处理的压电陶瓷高分子压电材料正压电效应（电致伸缩效应）逆压电效应5.2压电传感器的应用一、石英晶体的应用三、高分子压电材料的应用二、压电陶瓷传感器的应用目录CONTENT四、柔性压电材料在智能服装中的应用智能跑步鞋人工电子皮肤智能服装1.石英晶体——精密测量，多作为实验室基准传感器；2.压电陶瓷——用作测力和振动传感器；3.高分子材料——定性测量；4.柔性压电材料——智能服装。一、石英晶体的应用标准传感器高准确度传感器使用温度较高的传感器石英晶体的应用石英晶体的应用石英晶体生长和加工难度大，技术要求高，单价较高。二、压电陶瓷传感器的应用压电陶瓷传感器的应用压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。压电片并联连接时Q并=2Q；U并=U；C并=2C。两片或多片压电片并联时可增大输出电荷量。（一）压电