机电一体化课件

1、机电一体化控制系统光电实验系统无极臂物流自动化教学系统4 41 1 概概 述述4 42 2 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测4. 3 4. 3 位位移移传感器及位传感器及位移移检测检测4 44 4 压力传感器及压力检测压力传感器及压力检测4 45 5 温度传感器及温度检测温度传感器及温度检测4. 6 4. 6 测量机测量机第四章 传感器及自动检测传感器及自动检测4.1 概概 述述 本节介绍传感器的本节介绍传感器的概念概念、作用作用及其及其分类方法分类方法，着重指出机械工程中常用物理型传感器的分类方着重指出机械工程中常用物理型传感器的分类方法。法。 1 1、传感器定义：、传感器定义： 能

2、能感受感受规定的被测量并按照一定的规律规定的被测量并按照一定的规律转转换换成可用的输出信号的器件或装置，成可用的输出信号的器件或装置， 通常由敏通常由敏感元件和转换元件组成。感元件和转换元件组成。 显 示 仪 表 传 感 器 电 子 测 量 装 置 打 印 或 输 入 到 控 制 系 统概概 述述2 2、传感器的重要性、传感器的重要性：1）人类处于信息时代，信息技术的 三大支柱三大支柱 是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。2）传感处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的 窗口窗口。3）科学研究和生

3、产过程要获取的信息，都要通过传感器转换转换 成容易传输和处理的电信号。4）科学技术越发达，其自动化程度愈高，对传感器的依赖依赖愈大；传感器技术的发展，又促进工业、农业、宇航、军事、环卫等技术的发展。 概概 述述3 3、传感器的分类：、传感器的分类：物理型：物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器。化学型：化学型传感器是利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分度等转换成电信号的传感器。生物型：生物型传感器是利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。传感器的分类传感器的分类物理传感器 物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感

4、器。见示例：传感器的分类传感器的分类化学型： 化学型传感器是利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器。示例：传感器的分类传感器的分类 CO2气敏电极是一种电化学气体传感器。 它利用气敏电极或气体扩散电极测量混合气体中或溶解在溶液中的某种气体的含量。 图为CO2气敏电极的结构示意图。 渗透膜一般采用聚四氟乙烯微孔膜，只允许被测的CO2气体通过。 当气敏电极插入含有CO2的溶液中时，由于CO2与H2O作用生成H2CO3（碳酸），对NaHCO3 （碳酸氢钠）的电离平衡发生影响，只要测出H+离子指示电极与参比电极组成原电池的电动势E，便能计算出CO2在溶液中的分压.。

5、传感器的分类传感器的分类生物型：生物型传感器是利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。示例：传感器的分类传感器的分类按输出量性质的传感器分类参量传感器发电传感器增量式脉冲传感器特殊传感器触点传感器电阻传感器（电位器、热电阻、光敏电阻、气敏电阻、压敏电阻传感器等）电感传感器（自感、差动变压器、压磁、涡流传感器等）电容传感器气动传感器光电池热电偶磁电传感器压电传感器霍尔传感器等光栅磁栅感应同步器振弦振筒传感器超声波探头红外探测器电磁检测装置激光检测装置工业电视检测装置传感器的分类传感器的分类 按按被被测测量量性性质质的的传传感感器器分分类类机机械械量量传传感感器器热热功功量量传传感感器器探探伤伤传

6、传感感器器几几何何尺尺寸寸、几几何何形形状状、力力、位位移移、速速度度、加加速速度度、振振动动、光光洁洁度度、产产品品计计数数传传感感器器等等温温度度、温温差差、压压力力、压压差差、流流量量、气气体体成成分分传传感感器器等等表表面面探探伤伤、内内部部探探伤伤传传感感器器等等传感器的分类传感器的分类按结构划分的传感器分类直接传感器差动传感器补偿传感器原理它是由一个单独的，而又直接将被测量转换成所需的输出量的传感器。两个相同类型直接传感器接在输出回路中，使两个传感器所经受的相同干扰信号相减，而有用的被测信号相加。实质上是一个显示装置的指示自动跟随被测量变化的位式随动系统特点结构最为简单，在一些场合

7、下这种传感器往往是不能满足要求的，因为它灵敏度低，又易受外界干扰影响等。可获得温度、应力（在电感传感器中）以及其他干扰量的补偿。应当注意到，输出为某一定值时才能得到全补偿。传感器差动接法可使特性曲线的直线性得到改善。差动传感器的灵敏度比直接传感器的灵敏度提高一倍。它的静态特性和动态特性较好，其特点有：在输出端可获得足够大的功率；负载变化很少影响输出量；在所有量程内能够补偿由于干扰产生的误差；输入量与输出量间可以是任何形式的函数转换关系等。但是补偿传感器结构复杂、成本高。 4.2 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测接近式接近式接触式接触式 定义定义 通过检测，确定物体是否到达某一位置的传感

8、器。通过检测，确定物体是否到达某一位置的传感器。 特点特点 不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量。开关量。 用途用途 位置检测位置检测 行程控制行程控制 分类分类能判别在某一范围内是否有某一物体能判别在某一范围内是否有某一物体能获取两个物体是否接触的信息能获取两个物体是否接触的信息4.2 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测接近式接近式4.2 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测电感式接近开关电感式接近开关电容式接近开关电容式接近开关红外线光电开关红外线光电开关霍尔开关霍尔开关磁性开关磁性开关接近式接近式位置

9、传感器的位置传感器的主要类型主要类型位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测1 1、电感式接近开关、电感式接近开关（1）工作原理）工作原理 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LCLC高频振荡器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，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。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

10、出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。 这种接近开关所能检测的物体必须是这种接近开关所能检测的物体必须是 金属物体金属物体。附录1：部分常用材料的值 材料 衰减系数 钢 1 不锈钢 0.85 黄铜 0.3 铜 0.4 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测1 1、电感式接近开关、电感式接近开关（2）应用）应用1）.料位的控制2）.物体的定位3）.连续通过的检测4）.行程限位2 2、电容式接近开关、电容式接近开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测（1 1）工作原理）工作原理 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器

11、，它的测量头通常是电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它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，当物体移向接近开关时，物构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化， 由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是体，也可以是绝缘的液体或粉状物体绝缘的液体或粉状物体, , 在检测较低介

12、电常数在检测较低介电常数的物体时，可以顺的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在式的接近开关在0.7-0.8Sn0.7-0.8Sn的位置动作。的位置动作。2 2、电容式接近开关、电容式接近开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测（2 2）应用）应用1）.采用电容式开关液位控制2）.采用电容式开关上下限控制3 3、红外线光电开关、红外线光电开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测 红外线属红外线属于一种电磁射线，于一种电磁射线，其特性等同于无其特性等同于无

13、线电或线电或X X射线。射线。人眼可见的光波人眼可见的光波是是380nm-780nm380nm-780nm， 发射波长发射波长780nm-1mm780nm-1mm的长的长射线称为红外线，射线称为红外线，红外线光电开关红外线光电开关优先使用的是接优先使用的是接近可见光波长的近可见光波长的近红外线。近红外线。3 3、红外线光电开关、红外线光电开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测 红外线光电开关红外线光电开关（光电传感器）（光电传感器） 光电接近开关的简光电接近开关的简称，它是利用被检测物称，它是利用被检测物体对红外光束的体对红外光束的遮光遮光或或反射反射，由同步回路选通，由同步回路选通而检

14、测物体的而检测物体的有无有无， 其物体其物体不限于金属不限于金属，对所有能反射光线的物对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光方式的不同，红外线光电开关可分为电开关可分为 3 3、红外线光电开关、红外线光电开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测根据检测方式的不同，根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为红外线光电开关可分为 1）.漫反射式光电开关漫反射式光电开关2）.镜反射式光电开关镜反射式光电开关3）.对射式光电开关对射式光电开关4）.槽式光电开关槽式光电开关5）.光纤式光电开关光纤式光电开关红外线光电开关红外线光电开关位置传感器及位置检测位置传

15、感器及位置检测（1 1）. .漫反射式光电开关漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。关就产生了开关信号。 当被检测物体的表面光亮或其反光当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。的检测模式。 引起理想漫反射的光度分布引起理想漫反射的光度分布局部较强漫反射时的光度分布局

16、部较强漫反射时的光度分布位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测（2 2）. .镜反射式光电开关镜反射式光电开关红外线光电开关红外线光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检接收器，当被检测物体经过且完测物体经过且完全阻断光线时，全阻断光线时，光电开关就产生光电开关就产生了检测开关信号。了检测开关信号。位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测（3 3）. .对射式光电开关对射式光电开关红外线光电开关红外线光电开关 对射式光电开关包含在结构上相

17、互分离且光轴相对放置的发射器对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。 当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。靠的检测模式。位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测（4 4）. .槽式光电开关槽式光电开关红外线光电开关红外线光电开关 槽式光电开关通常是标准的槽式光电开关通常是标准的U U字型结

18、构，其发射器和接收器分别位字型结构，其发射器和接收器分别位于于U U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U U型槽且阻断光轴时，型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。光电开关就产生了检测到的开关量信号。 槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。透明物体。位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测（5 5）. .光纤式光电开关光纤式光电开关红外线光电开关红外线光电开关 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来

19、引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。 通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。4 4、霍尔开关、霍尔开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测原理简介原理简介 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势电位差值称为霍尔电势U U，其表达式为，其表达式为 U=KU=KI IB/dB/d其中其中K K为霍尔系数，为霍

20、尔系数，I I为薄片中通过的电流，为薄片中通过的电流，B B为外加磁场（洛伦慈力为外加磁场（洛伦慈力LorrentzLorrentz）的磁感应强度，）的磁感应强度，d d是薄片的厚度。是薄片的厚度。 由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。度成正比的关系。霍尔开关霍尔开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测原理简介原理简介 霍尔开关的输入端是以磁感应强度霍尔开关的输入端是以磁感应强度B B来表征的，当来表征的，当B B值达到一定值达到一定的程度（如的程度（如B1B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出）时

21、，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。电平状态也随之翻转。 输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPNNPN、PNPPNP、常、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分内部原理图输入/输出的转移特性5 5、磁性开关、磁性开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测优点：优点：1.1.传感器可以整体安装在金属中。传感器可以整体安装在金属中。2.2.传感器对并排安装没有任何要求。传感器对并排安装没有任何要求。3.3.传感器顶部（传感面）可以由金属制成。传感器顶部（传感面）可

22、以由金属制成。4.4.传感器具有价格低廉，结构简单。传感器具有价格低廉，结构简单。缺点：缺点：1.1.动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。2.2.检测体的接近方向会影响动作距离的大小检测体的接近方向会影响动作距离的大小 （径向接近是轴向接近时动作距离的一半）。（径向接近是轴向接近时动作距离的一半）。3.3.径向接近时有可能会出现两个工作点。径向接近时有可能会出现两个工作点。4.4.检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。接触式位置传感器接触式位置传

23、感器行程开关和微动开关行程开关和微动开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测由微动开关制成的位置传感器由微动开关制成的位置传感器二维矩阵式配置的位置传感器二维矩阵式配置的位置传感器位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测行程开关行程开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测微动开关微动开关位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测接触式位置传感器接触式位置传感器行程开关行程开关 行程开关，行程开关，位置开关位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流小电流主令电器主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断利用生产机械运动部件的

24、碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类通常，这类开关开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动变速运动或自动往或自动往返运动等。返运动等。 主令电器是用来接通和分断控制电路以发布命令、或对生产过程作程序控制的开关电器。它包主令电器是用来接通和分断控制电路以发布命令、或对生产过程作程序控制的开关电器。它包括控制按钮括控制按钮(简称按钮简称按钮)、行程开关、行程开关 、接近开关、万能转换开关和主令控制器等。、接

25、近开关、万能转换开关和主令控制器等。 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测在在电气控制系统电气控制系统中，位置开关的作用是实现中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。顺序控制、定位控制和位置状态的检测。于控制机械设备的行程及限位保护。于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。 位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切运动部件上的

26、模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。换。 因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与它的作用原理与按钮按钮类似。类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。行程开关可以安装在相对静止的物体（如固

27、定架、门框等，简称静物）行程开关可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。位置传感器及位置检测位置传感器及位置检测行程开关按其结构可分为行程开关按其结构可分为 直动式、滚轮式、微动式和组合式。直动式、滚轮式、微动式和组合式。4.3位移传

28、感器及位移检测位移传感器及位移检测直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测1、直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测电感传感器电感传感器差动变压器传感器差动变压器传感器电容传感器电容传感器感应同步器感应同步器光栅尺光栅尺直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（1 1）电感传感器）电感传感器 电感传感器就是利用电感元件将位移量的变化转电感传感器就是利用电感元件将位移量的变化转换成电感系数或互感系数的变化换成电感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换再由测量电路转换为电压信号的方法为电压信号的

29、方法 基于电感的性质，电路必须工作在交流情况基于电感的性质，电路必须工作在交流情况下。下。线圈电感的改变可用下面方法获得线圈电感的改变可用下面方法获得 改改变线圈的几何变线圈的几何形状形状例如改变线圈例如改变线圈的整个长度。的整个长度。如图如图(a)(a)所示。所示。改变磁路的磁阻改变磁路的磁阻例如改变空气隙的大小。例如改变空气隙的大小。如图如图(b)(b)所示所示改变铁芯材料的导磁率改变铁芯材料的导磁率例如利用磁芯材料的磁致例如利用磁芯材料的磁致伸缩。如图伸缩。如图(c)(c) 改变互改变互感感例如改变线例如改变线圈圈“1”1”与线与线圈圈“2”2”之间之间的耦合。如的耦合。如图图(d)(d

30、)。 改变涡流效应改变涡流效应例如改变线圈与短路套筒之间的磁耦合。例如改变线圈与短路套筒之间的磁耦合。 变压器型变压器型改变初级改变初级与次级之与次级之间的耦合。间的耦合。如图如图(f)(f)所示所示直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（1 1）电感传感器）电感传感器传感器结构示意图传感器结构示意图电感传感器工作原理电感传感器工作原理直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（1 1）电感传感器）电感传感器1 1）电感传感器工作原理）电感传感器工作原理传感器原理如图所示，由物理学可知线圈电感传感器原理如图所示，由物理学可知线圈电感为为 式中式中n1n1、n2n2上下线圈砸数；上下

31、线圈砸数；u0u0空气导磁率空气导磁率(4(410-7H/m)10-7H/m)； A1=A2A1=A2气隙截面积气隙截面积(m2)(m2)；11、22气隙长度气隙长度(m)(m)。 由于设计时差动磁芯型电感传感器的上下线圈参数对称，假设磁芯处于起始位置由于设计时差动磁芯型电感传感器的上下线圈参数对称，假设磁芯处于起始位置即中间位置时，传感器两线圈的起始气隙即中间位置时，传感器两线圈的起始气隙1=2=01=2=0。当磁芯向上移动。当磁芯向上移动SS时，电感时，电感的变化总量的变化总量 可见：高次项是造成电感传感器非线性的原因，但当可见：高次项是造成电感传感器非线性的原因，但当在足够小的范围内变在

32、足够小的范围内变化时，高次项迅速衰减，所以仍可认为这时化时，高次项迅速衰减，所以仍可认为这时LL与与成线性；成线性； 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（1 1）电感传感器）电感传感器2 2）应用）应用整体式数显电感内径测微仪整体式数显电感内径测微仪系统结构设计主要由三部分组成，即测量头，传感器，电路显示。系统结构设计主要由三部分组成，即测量头，传感器，电路显示。 测量头结构采用传动杠杆进行径向位移的轴向转化测量头结构采用传动杠杆进行径向位移的轴向转化)。中间传动杆的孔端刃口将转换来的轴向微位移加在传感器连接顶尖上，与之连接的测杠中间传动杆的孔端刃口将转换来的轴向微位移加在传感器连

33、接顶尖上，与之连接的测杠 可带动磁芯在电感线圈中移动。电路显示装置从外观上看，为注塑盒状仪表。可带动磁芯在电感线圈中移动。电路显示装置从外观上看，为注塑盒状仪表。 对不同的孔径范围，测量头可更换，但显示部分和传感器是通用的，在仪表内部，对不同的孔径范围，测量头可更换，但显示部分和传感器是通用的，在仪表内部，主要器件为模拟和数字两块电路板及工作电源。主要器件为模拟和数字两块电路板及工作电源。 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2）差动变压器传感器）差动变压器传感器工作原理工作原理 螺管形差动变压器又称螺管形差动变压器又称 为线性变化差动变压器式位移传感器（简写为为线性变化差动变

34、压器式位移传感器（简写为LVDTLVDT），）， 其工作原理如图所示其工作原理如图所示L1.初级线圈 L2、L3.次级线圈 1.磁芯 Us.振荡器 U.输出。直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2）差动变压器传感器）差动变压器传感器工作原理工作原理 初级由交流电源励磁，交流电的频率称励磁频率或载波频率。 两个次级绕组L2、L3接成差动形式，上图是反向串接，其输出电压e是次级两绕组感应电压（e1、e2）的差值，所以称为差动变压器。其工作的三种情况见下表。 差动变压器工作的三种情况磁芯位置差动变压器输出电压磁芯处于整个线圈中心位置e=e1-e0=0磁芯由线圈的中心位置向左端（负向）

35、移动时e=e1-e20磁芯由线圈的中心位置向右端（正向）移动时e=e2-e10直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2）差动变压器传感器）差动变压器传感器工作原理工作原理 因输出电压为交流，不能表示磁芯位移的正负方向。经过放因输出电压为交流，不能表示磁芯位移的正负方向。经过放大和相敏解调，则可得到正、负极性的输出电压，即能表示磁芯位大和相敏解调，则可得到正、负极性的输出电压，即能表示磁芯位移的正、负方向。移的正、负方向。直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2）差动变压器传感器）差动变压器传感器量程达几百毫米；能接长导线遥测，长达1500米线性0.1%分辨力量程为1

36、mm时，分辨力可达0.01m螺管形差动变压器式位移传感器螺管形差动变压器式位移传感器主要性能指标主要性能指标直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（3 3）电容传感器）电容传感器工作原理工作原理 在图所示的平板电容器中，当忽略边缘效应时，在图所示的平板电容器中，当忽略边缘效应时，其电容为其电容为)F(SSc0r介质的介电常数（F/m）；r介质的相对介电常数；0真空介电常数，0=8.85410-12(F/m);极板间的距离（m);S极板的工作面积（m2）。直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（3 3）电容传感器）电容传感器工作原理工作原理 位移变化使电容器的位移变化使电容器的S

37、 S、三个参量中任意一个发生变化三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化。通时，都会引起电容量的变化。通过测量电路将电容量的变化转换过测量电路将电容量的变化转换为电量输出，就可表示位移的大为电量输出，就可表示位移的大小及方向。电容式位移传感器就小及方向。电容式位移传感器就是根据上述原理工作的。是根据上述原理工作的。 按电容变化参量的不同，电按电容变化参量的不同，电容式位移传感器可分成三种类型：容式位移传感器可分成三种类型： 1.1.变面积式变面积式 2.2.变间隙式变间隙式 3.3.变介质式变介质式)F(SSc0r电容式传感器的特性在很电容式传感器的特性在很大程度上取决于测量电路大程

38、度上取决于测量电路直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（4 4）感应同步器）感应同步器工作原理工作原理 感应同步器的工作原理如图，由可以相对移动的滑尺和定尺组成。定尺上布有均匀分布感应同步器的工作原理如图，由可以相对移动的滑尺和定尺组成。定尺上布有均匀分布的连续绕组。的连续绕组。 滑尺上布有两组与定尺绕组机械位置周期相等的正、余弦绕组，它们的相位相差滑尺上布有两组与定尺绕组机械位置周期相等的正、余弦绕组，它们的相位相差9090。感应同步器有两种使用方式感应同步器有两种使用方式 1 1）相位工作方式）相位工作方式 2 2）幅值工作方式）幅值工作方式直线 位移传感器及位移检测位移传感器及

39、位移检测（4 4）感应同步器）感应同步器1 1）相位工作方式工作原理）相位工作方式工作原理 当在滑尺的两个绕组上分别加上幅值相等，频率相同的正弦和余弦当在滑尺的两个绕组上分别加上幅值相等，频率相同的正弦和余弦激励电压时，它们便在定尺绕组产生的感应电压激励电压时，它们便在定尺绕组产生的感应电压 U1= KUsintcosU1= KUsintcos U2= -KUcostsin U2= -KUcostsin式中式中 K K感应系数；感应系数； 为定尺与滑尺的相对位移。为定尺与滑尺的相对位移。 则定尺绕组上的合成电压为则定尺绕组上的合成电压为 U= U1+ U2=KusinU= U1+ U2=Kus

40、in（t-t-） 很显然，很显然， 决定了决定了U U的相位，通过检测的相位，通过检测U U的相位来测量定尺与滑的相位来测量定尺与滑尺的相对位移尺的相对位移直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（4 4）感应同步器）感应同步器相位工作方式工作原理相位工作方式工作原理 当向滑尺上的绕组通以一定频率的交流电后，就在感应同步器中产当向滑尺上的绕组通以一定频率的交流电后，就在感应同步器中产生了一个磁场，该磁场以同步速度移动并生了一个磁场，该磁场以同步速度移动并切割定尺导片，切割定尺导片， 由于电磁感应，在定尺上将感应出相由于电磁感应，在定尺上将感应出相同频率的感应电压。同频率的感应电压。 感应

41、电压的值随滑尺与定尺的相对位感应电压的值随滑尺与定尺的相对位置的不同而变化。置的不同而变化。 a a 定尺与滑尺重合定尺与滑尺重合 感应电压感应电压 最大最大 b b 定尺与滑尺错定尺与滑尺错1/4 1/4 感应电压为感应电压为0 0 c 1/2 c 1/2 感应电压感应电压 最小最小 d 3/4 d 3/4 感应电压为感应电压为0 0 e e 定尺与滑尺重合定尺与滑尺重合 感应电压感应电压 最大最大 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（4 4）感应同步器）感应同步器 相位工作方式工作原理相位工作方式工作原理 一般以正弦激励信号的过零信号去启动计数器，用定尺绕组输出电一般以正弦激励

42、信号的过零信号去启动计数器，用定尺绕组输出电压的过零信号去关闭计数器，计数器此时所计数值与位移压的过零信号去关闭计数器，计数器此时所计数值与位移成正比，成正比，通过读取计数器所累计的数值便可检测出定尺与滑尺的相对位移量。通过读取计数器所累计的数值便可检测出定尺与滑尺的相对位移量。 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺 ）光栅传感器工作原理：一种基体材料上刻制有等间）光栅传感器工作原理：一种基体材料上刻制有等间条纹的光学元件。条纹的光学元件。 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5

43、 5）光栅尺）光栅尺直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺 光栅的组成：光栅的组成： 在指示光栅和标尺光栅上刻有等间距条纹，刻线密度为在指示光栅和标尺光栅上刻有等间距条纹，刻线密度为1010条条/mm/mm、2525条条/mm/mm、5050条条/mm/mm、100100条条/mm/mm。 测量时测量时, ,把标尺光栅固定把标尺光栅固定, ,光栅读数头随被测物体一起移光栅读数头随被测物体一起移动动直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺3 3、应用、应用直线 位移

44、传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺3 3、应用、应用 目前在精密机加工和数控机床中采用的目前在精密机加工和数控机床中采用的精密位移数控系统框图如图精密位移数控系统框图如图1 1所示。所示。 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺 随着电随着电子技术和单片子技术和单片机技术的发展，机技术的发展，光栅传感器在光栅传感器在位移测量系统位移测量系统得到广泛应用，得到广泛应用，并逐步向智能并逐步向智能化方向转化。化方向转化。 图图2 2是利是利用光栅传感器用光栅传感器构成的位移量构成的位移量自动测量系统自动测量系统原理示意图。原理示意图。直线 位

45、移传感器及位移检测位移传感器及位移检测 该系统采用光该系统采用光栅移动产生的莫尔栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以条纹与电子电路以及单片机相结合来及单片机相结合来完成对位移量的自完成对位移量的自动测量，它具有判动测量，它具有判别光栅移动方向、别光栅移动方向、预置初值、实现自预置初值、实现自动定位控制及过限动定位控制及过限报警、自检和掉电报警、自检和掉电保护以及温度误差保护以及温度误差修正等功能。修正等功能。 下面对该系统下面对该系统的工作原理及设计的工作原理及设计思想作以介绍。思想作以介绍。直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测2 2 电子细分与判向电路电子细分与判向电路光栅测量位移的实

46、质是以光栅光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位移量进行栅距为一把标准尺子对位移量进行测量。测量。 目前高分辩率的光栅尺一般造价目前高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。较贵，且制造困难。 为了提高系统分辩率，需要对为了提高系统分辩率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。电子细分方法。 当两块光栅以微小倾角重叠时，当两块光栅以微小倾角重叠时， 在与光栅刻线大致垂直的方向上就在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随上下移动。莫尔条纹也随上下移动。 这样就把对光栅栅距的测量转

47、这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为放大倍数为直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（5 5）光栅尺）光栅尺在一个莫尔条纹宽度在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置内，按照一定间隔放置4 4个个光电器件就能实现电子细光电器件就能实现电子细分与判向功能。分与判向功能。 本系统采用的光栅尺栅本系统采用的光栅尺栅线为线为5050线对线对/mm/mm，其光栅栅，其光栅栅距为距为0.02mm0.02mm， 若采用四细分后便可得若采用四细分后便可得到分辩率为到分辩率为5m5m的计

48、数脉的计数脉冲，这在一般工业测控中冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。已达到了很高精度。 由于位移是一个矢量，由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。两路相位不同的光电信号。直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测为了消除共模干扰、直流分量为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，采用了由低漂移运和偶次谐波，采用了由低漂移运放构成的差分放大器。放构成的差分放大器。 由由4 4个继电器件获得的个继电器件获得的4 4路光电路光电信号分别送到信号分别送到2 2只差分放大器输入只差分放大器输入端，端， 从

49、差分放大器输出的两路信号从差分放大器输出的两路信号其相位差为其相位差为/2/2，为得到判向和，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行计数脉冲，需对这两路信号进行整形，整形， 首先把它们整形为占空比为首先把它们整形为占空比为1 1：1 1的方波，经由两个与或非门的方波，经由两个与或非门74LS5474LS54芯片组成的四细分判向电芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，路输入可逆计数器， 最后送入由最后送入由80318031组成的单片机组成的单片机系统中进行处理。系统中进行处理。直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测 应用应用 目前在精密目

50、前在精密机加工和数控机机加工和数控机床中采用的直线床中采用的直线电机系统电机系统 直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测信和光栅尺是精密的光信和光栅尺是精密的光栅测量系统栅测量系统,适用于大量适用于大量程的精密测量程的精密测量. 尤其适用于测量尤其适用于测量, 医疗医疗设备设备,精密现代化加工设精密现代化加工设备备. 数控加工中心，机数控加工中心，机床，磨床，铣床，自动床，磨床，铣床，自动卸货机，金属板压制和卸货机，金属板压制和焊接机，机器人和自动焊接机，机器人和自动化科技，生产过程测量化科技，生产过程测量机器，线性产品机器，线性产品, 直线直线马达马达, 直线导轨定位等。直线导轨定位

51、等。规格规格型号型号 KA-300 KA-500 KA-600 KA-700 KA-900 KA-300NC KA-500NC KA-600NC 测量长度测量长度L，零位参考点零位参考点,每每50mm一个一个准确度准确度 3/5/10m直线 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测海德汉光栅尺分为敞开海德汉光栅尺分为敞开式和封闭式两类：其中式和封闭式两类：其中敞开式为高精度型。敞开式为高精度型。 海德汉光栅尺海德汉光栅尺输出波形为正弦波，主输出波形为正弦波，主要用于精密仪器的数字要用于精密仪器的数字化改造。化改造。最高分辨率可达最高分辨率可达0.1m;2、角 位移传感器及位移检测位移传感器及位

52、移检测位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测旋转变压器旋转变压器脉冲编码器脉冲编码器圆光栅圆光栅 多种的线性位移传感器多种的线性位移传感器, ,只要在结构上做只要在结构上做适当变动适当变动, ,几乎都能实现角位移的测量。几乎都能实现角位移的测量。2、角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（1 1）旋转变压器）旋转变压器角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测 旋转变压器和感应同步器的工作原理大致相同。在使旋转变压器和感应同步器的工作原理大致相同。在使用中它的两个绕组相当于感应同步器的滑尺绕组用中它的两个绕组相当于感应同步器的滑尺绕组 不过，旋

53、转变压器是一种角度传感器，相当于一个精不过，旋转变压器是一种角度传感器，相当于一个精密的交流电机。密的交流电机。（1 1）旋转变压器）旋转变压器角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测 旋转变压器是一种其输出电压随转子转角而变化的角旋转变压器是一种其输出电压随转子转角而变化的角度测量装置，由定子和转子组成。度测量装置，由定子和转子组成。 当激励电压当激励电压V1V1加到定子绕组时，转子绕组产生感应电加到定子绕组时，转子绕组产生感应电动势。动势。角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2）脉冲编码器）脉冲编码器 一种光学式位置检测元件，装在旋转轴上，以测出轴一种光学式位置检测元件，

54、装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度位移和速度变化，其输出信号为电脉冲，按编的旋转角度位移和速度变化，其输出信号为电脉冲，按编码的方式，可分为码的方式，可分为: :1)增量码盘增量码盘：2)2)绝对值码盘绝对值码盘 它用读取轴上码盘的图案来表示轴的位置。有接触式、磁它用读取轴上码盘的图案来表示轴的位置。有接触式、磁电式和光电式等类型。其工作原理相同，只是敏感元件不同。电式和光电式等类型。其工作原理相同，只是敏感元件不同。其中又以光电码盘应用较多。其中又以光电码盘应用较多。角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2）脉冲编码器）脉冲编码器角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（2 2

55、）脉冲编码器）脉冲编码器角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测脉冲编码器脉冲编码器2)2)绝对值码盘绝对值码盘角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测脉冲编码器脉冲编码器2)2)绝对值码盘绝对值码盘角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测脉冲编码器脉冲编码器角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测（3 3）圆光栅）圆光栅角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测圆光栅的应用圆光栅的应用 一、简介一、简介光电轴角编码器是采用圆光栅莫尔条纹和光电转换技光电轴角编码器是采用圆光栅莫尔条纹和光电转换技术将机械轴转动的角度量转换成数字电信息量输出的一种术将机械轴转动的角度量转换成数字

56、电信息量输出的一种现代传感器。现代传感器。圆光栅圆光栅角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测圆光栅的应用圆光栅的应用 二、用途二、用途光电轴角编码器作为光、机、电一体化设备、仪器、系统光电轴角编码器作为光、机、电一体化设备、仪器、系统的重要组成部件，被广泛地用于数控机床、计量测试、电子工的重要组成部件，被广泛地用于数控机床、计量测试、电子工业设备、冶金制造、纺织、刺绣机械、印刷制版、航天航空跟业设备、冶金制造、纺织、刺绣机械、印刷制版、航天航空跟踪、判读、兵器、雷达系统、卷烟机械、电梯、经纬仪、磁卡踪、判读、兵器、雷达系统、卷烟机械、电梯、经纬仪、磁卡机、机器人、石油化工储运等领域。被用

57、作：机、机器人、石油化工储运等领域。被用作：自动控制自动控制计算机输入前端的数字化信息传递计算机输入前端的数字化信息传递角位移、角速度、角加速度的测量角位移、角速度、角加速度的测量线位移、线速度、线加速度的测量线位移、线速度、线加速度的测量空间位置的测量空间位置的测量 圆光栅圆光栅角 位移传感器及位移检测位移传感器及位移检测圆光栅的应用圆光栅的应用 三、特点三、特点传感器具有稳定可靠、精度高、体积小、重量轻、频响传感器具有稳定可靠、精度高、体积小、重量轻、频响高、寿命长、安装方便、价格低、应用广泛、易于与计算机高、寿命长、安装方便、价格低、应用广泛、易于与计算机连接使用等十大特点。连接使用等十

58、大特点。圆光栅圆光栅4.4 4.4 压力传感器及压力检测压力传感器及压力检测力力/ /压力传感器压力传感器电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器 其他力其他力/ /压力传感器压力传感器压电式力传感器压电式力传感器4.4 4.4 压力传感器及压力检测压力传感器及压力检测电阻应变式传感器电阻应变式传感器 金属应变片金属应变片 半导体应变片半导体应变片 硅膜片硅膜片 硅杯式压力传感器硅杯式压力传感器 电阻应变片电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。敏感器件。 它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。它是压阻式应变传感器的主要组成

59、部分之一。 电阻应变片电阻应变片应用最多的是应用最多的是金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片两种。两种。 金属电阻应变片金属电阻应变片又有又有丝状丝状应变片和应变片和金属箔状金属箔状应变片两种。应变片两种。 通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。 这种应变片在受力时产生的阻值变

60、化通常较小，一般这种应变片都这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是（通常是A/DA/D转换和转换和CPUCPU）显示或执行机构）显示或执行机构电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器 金属电阻应变片的金属电阻应变片的内部结构内部结构 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。 根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片