《机电设备装调工艺与技术》.电气分册-3

课题一传感与检测技术(一)自动检测系统的组成简单来讲，自动检测系统应包括传感器、信号调理电路、数据处理装置、显示器和执行机构几部分。对于具体的检测系统或传感器而言，必须将框图中的各项内容赋以具体的内容。其中，传感器是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。信号调理电路包括:放大(或衰减)电路、滤波电路、隔离电路等。其中放大电路的作用是，把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。返回下一页课题一传感与检测技术数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，并对动态测试结果做频谱分析(幅值谱分析、功率谱分析)及其他相关分析等，因此完成这些工作必须采用计算机技术。目前常用的显示器有4类:模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪等。模拟量是指连续变化量。模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，其常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。数字显示目前多采用发光二极管(LED)和液晶(LCD)等，以数字的形式来显示读数。前者亮度高、耐震动、可适应较宽的温度范围;后者耗电省、集成度高。目前还研制出了带背光板的LCD，以便于在夜间观看LCD的内容。图像显示是用CRT(阴极射线管)或点阵LCD，来显示读数，或被测参数的变化曲线、图表或彩色图等，来反映整个生产线上的多组数据。记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程。常用的记录仪有:笔式记录仪、高速打印机、绘图仪、数字存储示波器、磁带记录仪、无纸记录仪等。下一页返回上一页课题一传感与检测技术(二)传感器的基础知识1.传感器的定义及组成国家标准GB7665-2005对传感器下的定义是:“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，其能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出信息，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。这是实现自动检测和自动控制的首要环节。上一页下一页返回课题一传感与检测技术z.传感器的分类按照不同的分类方法，传感器可以分为很多种。传感器常用两类分类方法。第一种是按被测量分类，其可分为温度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器等第二种是按传感器的工作原理，分为电阻式传感器、电容式传感器、光纤式传感器等。上一页下一页返回课题一传感与检测技术3.传感器的基本特性

(1)静态特性。衡量静态特性的性能指标包括:线性度、灵敏度、分辨率与分辨力、迟滞、重复性、精度、测量范围、零漂和抗干扰性等。

(2)动态特性。传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，因此测量和记录的过程不受时间限制。在实际检测中，大量被测信号是随时间变化的动态信号，因此传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还需要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。上一页下一页返回课题一传感与检测技术传感器的动态特性，即表征传感器能测量动态信号的能力，其是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。主要特征是:输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函数，且它随输入信号的频率而变化。它可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。动态特性好的传感器，其随时间的变化规律将展现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。上一页下一页返回课题一传感与检测技术3.机电一体化系统对检测系统传感器的基本要求(1)体积小，重量轻，对整机的适应性好。(2)精度和灵敏度高，响应速度快，稳定性好，信噪比高。(3)安全可靠，寿命长。(4)便于与计算机连接。(5)不易受被测对象的影响，也不影响外部环境。(6)对环境条件适应能力强。(7)现场处理简单，操作性能好。(8)价格便宜。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

4.传感器的标定和校准在输入与输出之间有明确关系前提下，利用标准量具对传感器的输出显示面板进行刻度。在传感器使用前应进行标定，且使用一段时间后还要定期进行校正，以检查精度性能是否满足所定标准。(1)传感器的标定。其表现为利用标准设备产生已知的非电量(标准量)。并可用基准量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程，称为标定(计量学称之为定度)。在工程测试中，传感器的标定应在其使用条件相似的环境状态下进行，并将传感器所配用的滤波器、放大器及电缆等，和传感器连接后一起标定。标定时，应按照传感器所规定的安装条件进行安装。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(2)传感器的校准。传感器需定期检测其基本性能参数，以判定是否可继续使用。如果能继续使用，则应对其有变化的主要指标(灵敏度)进行数据修正，以确保传感器的测量精确度。5.传感器的选择方法现代传感器在原理与结构上千差万别。如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境，合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时，首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。具体选用原则如下。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(1)根据测量对象与测量环境，确定传感器的类型。首先要考虑采用何种原理的传感器。这需要分析多方面的因素之后才能确定，因为即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用。哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件，考虑一些具体问题:量程的大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式为接触式还是非接触式、信号的引出方法(有线或是非接触测量)、传感器的来源(国产还是进口、价格能否承受、是否自行研制)。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(2)灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化相对应的输出信号的精度才比较高，以有利于信号处理。但要注意的是，若传感器的灵敏度高，则与被测量无关的外界噪声也容易混入，其也会被放大系统放大，反而影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，以尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向胜的。若被测量是单向量，而且对其方向胜要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(3)频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，因为必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件。实际上，传感器的响应总有一定延迟，且希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，则可测的信号频率范围就越宽。而由于受到结构特性的影响，对于机械系统的惯性较大，且固有频率低的传感器，则其可测信号的频率较低。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(4)线性范围。传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，即其线性度也是相对的。当所要求的测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似地看作线性的。这会给测量带来极大的方便。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(5)稳定性。在传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力被称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，若要使传感器具有良好的稳定性，则传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境，选择合适的传感器，或采取适当的措施，以减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标。在超过使用期后，在使用前，应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(6)精度。精度是传感器的一个重要的性能指标。它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。由于传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，即不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中，选择比较便宜和简单的传感器。上一页下一页返回课题一传感与检测技术6.常用的传感器(1)光电编码器。(2)行程开关。(3)光电传感器。四、任务实施—光电传感器的安装与调试(1)光电传感器的安装示意如图3一1一11所示。

(2)NPN输出型和PNP输出型的接线方式。其分别如图3一1一12、图3一1一13所示。以上两图中各符号的意义为:VD一保护二极管;VZ一浪涌电流吸收二极管;V一输出晶体管。上一页下一页返回课题一传感与检测技术

(3)光电传感器的状态调整。图中入光显示灯也是电源指示灯。其状态调整如下。①操作模式转换。②灵敏度调整。调节灵敏度旋钮时，即可以调节传感器的检测距离，以适应不同的场合。注意:用调整螺丝刀旋转旋钮时，要慢点，若力度过大，则会损坏旋钮。③自检输出。注意:自检输出电路对短路无保护作用，并且不要将电源或电容负载直接连接到这个输出电路。上一页下一页返回课题一传感与检测技术④带反向过滤器的回射型传感器。当光线被透明胶卷或薄膜覆盖时，传感器可能无法检测出由透明胶卷所覆盖、包裹的反射光滑物质，因此使用时应注意。(4)光电传感器和物体之间的调整。①当物体放在感应器和接收器中间时，感应效果最好。如果感应位置被设置在传感器或反射器附近，那么感应可能不稳定。在这种情况下，应将位置定在传感器与反射器之间。②当传感器检测一个不平的塑料容器或玻璃箱子时，所接收到的光线密度可能不足以让传感器动作。上一页下一页返回课题一传感与检测技术③调整传感器或者物体摆放位置，直到稳定的感应状态，然后调整敏感度。如果物体摆放不对，那么传感器可能检测不到物体。(5)光电传感器的安装与调试的注意事项。①确保在配线时关掉电源。②确保供给电压在允许范围内变化。③当在供给电压上使用一台商业交换机时，应将供给电源的F,G终端接地。上一页下一页返回课题一传感与检测技术④若马达等会产生噪声的设备放于传感器附近时，应将此设备的F,G终端接地。⑤电源打开后瞬间在50ms内不能使用。⑥电缆加长总计应小于或等于100m(用大于或等于0.3mmZ的电缆)。⑦不要在高压线或电力传输线附近使用该传感器，也应尽量避免在电缆管道附近，使用该设备。⑧应尽量避免在被荧光直接照射的场合，或有高频照明设备的场合使用传感器，以免影响其工作性能。上一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

1.光电编码器光电编码器又被称为光电编码盘，简称光电码盘，且是数字编码器中最常用的一种。光电编码器是一种旋转式位置传感器。它的转轴通常与被测轴连接，并随被测轴一起转动。其通过安装在转轴上的带孔码盘，并将被测轴的角位移转换成一串脉冲或某种制式的编码，并由此可得出转轴的位置和转速。下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(1)增量式光电编码器。它由置于两副轴承中的转轴、编码盘、发光二极管LED(光源)、光栏板、光敏元件和信号处理装置等构成。光电编码器与转轴连在一起。编码盘可用玻璃片(或塑料片)制成，并在表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心透光缝隙。透光缝隙在编码盘圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。这样，整个编码盘的圆周就等分成n个透光的槽。除此之外，增量式光电编码盘也可用不锈钢等金属板制成，然后在圆周边缘，切割出均匀分布的透光槽，且其余部分均不透光(金属编码盘每转缝隙一般在2000条以下)。光电编码盘的光源常用有聚光效果的发光二极管LED。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(2)绝对式光电编码器。绝对式光电编码器是直接输出数字量的传感器。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(格雷码)方式，进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器的不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形的分布方式。绝对式光电编码器可有若干编码，且根据所读出编码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(3)光电编码器的主要技术参数。①输出类型。绝对式光电编码器输出的是一组编码(二进制码或格雷码或BCD码)。它可确定编码盘的角位移，且角位置与编码一一对应，不会因失电而丢失;其抗干扰能力强，且可长距离(1000m)传输。增量式光电编码器输出的是脉冲列，因此可确定编码盘的角位移、转向和转速。光电编码器输出的是数字信号，因此可很方便地与计算机接口连接。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置②分辨率。绝对式光电编码器的分辨率常用每转的位置数来表示。每转的位置数越多，则分辨率愈高。其常见的分辨率有360位置数每转、512位置数每转等。③输入电压。常用的输入电压有直流5V,12V,15V,24V和32V④最高工作频率。常见的有20kHz,30kHz,60kHz,100kHz,600kHz等上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置(4)编码器的安装。①在机械方面应注意的安装要点如下。a.由于编码器属于高精度的机电一体化设备，所以编码器轴与用户端输出轴之间，需要采用弹性软连接，以避免因用户端输出轴的轴向运动、跳动，而造成编码器的轴系和编码盘损坏。b.安装时应注意允许的轴负载。c..应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度小于0.20mm，其与中心轴线的偏角小于1.50d.安装时，严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和编码盘。P.长期使用时，应定期检查固定编码器的螺钉是否松动(例如每季度一次)。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置②在电气方面应注意的安装要点如下。a.接地线应尽量粗，其一般应大于1.5mmb.编码器的输出线彼此不要搭接，以免输出电路被损坏。c..编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电源上，以免输出电路被损坏。d.与编码器相连的电动机等设备应接地良好，以不要有静电。P.配线时，应采用屏蔽电缆。f.开机前，应仔细检查:产品说明书与编码器型号是否相符，接线是否正确。9.长距离传输时，应考虑信号衰减因素，并选用具备输出阻抗低、抗干扰能力强的型号。h.避免在强电磁波环境中使用。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

2.光栅尺位移传感器光栅尺位移传感器(简称光栅尺)，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床、现代加工中心以及测量仪器等方面，其可做成长光栅或圆光栅，并用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，且具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置四、任务实施—光栅尺位移传感器的安装以光栅尺位移传感器为例，说明在机电设备中位移检测装置的安装与调试。1.光栅尺位移传感器的安装光栅尺位移传感器的安装比较灵活，并可安装在机床的不同部位。一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，并随机床走刀而动;读数头固定在床身上，且尽可能使读数头安装在主尺的下方。安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制，必须采用读数头朝上的方式安装，则必须增加辅助密封装置。另外，在一般情况下，读数头应尽量安装在相对于机床静止的部件上。此时，输出导线不移动，易固定。而尺身则应安装在相对于机床运动的部件上(如滑板)。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(1)安装基面。安装光栅尺位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台上的主尺安装面与导轨运动方向的平行度。将千分表固定在床身上，并移动工作台，且结果要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(2)主尺的安装。将光栅主尺用M4螺钉安装在机床工作台的安装面上，但不要安装紧。把千分表固定在床身上，并移动工作台(主尺与工作台同时移动)，以用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度。调整主尺的M4螺钉位置，以使主尺的平行度满足在0.1mm/1000mm以内，再把M4螺钉彻底安装紧。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(3)读数头的安装。在安装读数头时，如果发现安装条件非常地有限，那么可以考虑使用附件，例如角铝、直板。首先，应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，并使读数头与光栅主尺的平行度保证在0.1mm之内。其读数头与主尺的间隙控制在1一1.5mm以内。在安装完毕后，可以用大拇指接触读数头与光栅尺的尺身表面是否平滑、平整。上一页下一页返回课题二

机电设备中常用的位移检测装置

(4)限位装置。光栅尺位移传感器全部被安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时，读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅尺位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。2.光栅尺位移传感器的检查光栅尺位移传感器安装完毕后，可接通数显表，并移动工作台，以观察数显表的计数是否正常。在机床上选取一个参考位置，并来回移动工作点至该位置。结果应为数显表读数相同(或回零)。另外也可使用千分表(或百分表)，并使千分表与数显表同时调至零(或记忆起始数据)，且往返多次后，回到初始位置，以观察数显表与千分表的数据是否一致。上一页返回课题三机电设备中常用的速度、加速度的检测装置

1.测速发电机测速发电机在自动控制系统中做检测元件，并可以将电动机轴上的机械转速，转换为电压信号输出。输出电压的大小反映机械转速的高低;输出电压的极性反映电动机的旋转方向。测速发电机有交流、直流两种形式。自动控制系统要求测速发电机的输出电压必须精确、迅速地与转速成正比。(1)交流异步测速发电机。下一页返回课题三机电设备中常用的速度、加速度的检测装置①基本结构。交流异步测速发电机在自动控制系统中，应用较广泛。它的结构与交流伺服电动机相似，并且主要由定子、转子组成。根据转子结构的不同，分为笼式转子和空心杯转子两种。空心杯转子的应用较多，它由电阻率较大、温度系数较小的非磁性材料制成，以使测速发电机的输出特性能够有线性度好、精度高的特点。其杯壁通常只有0.2一0.3mm的厚度，因此转子较轻，以使测速发电机的转动惯性较小。上一页下一页返回课题三机电设备中常用的速度、加速度的检测装置①基本结构。直流测速发电机在结构上与普通小微型直流发电机相同，其通常是两极电机，并分为他励式和永磁式两种。他励式直流测速发电机的磁极由铁芯和激磁绕组构成。在激磁绕组中，通入直流电流，便可以建立极性恒定的磁场。它的激磁绕组的电阻会因电动机工作温度的变化而变化，并使激磁电流及生成的磁通随之变化，因此产生线性误差。上一页下一页返回课题三机电设备中常用的速度、加速度的检测装置

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。它们的工作原理大多是:利用惯性质量受加速度所产生的惯性力造成的各种物理效应，并将其进一步转化成电量，来间接度量被测的加速度。其最常用的有电阻应变片式、压电式和差动变压器式等。上一页下一页返回课题三机电设备中常用的速度、加速度的检测装置四、任务实施—光电转速传感器的安装及实验以光电转速传感器测转速实验为例，说明机电设备中转速的检测。1.选用实验仪器本实验以THSRZ一2型传感器系统综合实验装置为基础，其选用转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、示波器。光电传感器选用透射型光电转速传感器。传感器的端部有发光管和光电池。发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号。由于转盘上有等间距的6个透射孔，且转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，因此将脉冲计数处理，即可得到转速值。

2.测转速打开实验台的电源开关，并用不同的电源驱动转动源转动。记录不同驱动电压对应的转重，同时可通过示波器，观察光电转速传感器的输出波形。上一页返回课题四机电设备中其他检测装置

1.接近开关接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内，检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。常用的接近开关有电涡流式(俗称电感式接近开关)、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等。(1)电涡流式接近开关。电涡流式接近开关属于一种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。当金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，金属物体的内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，并使接近开关的振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。下一页返回课题四机电设备中其他检测装置(2)电容式接近开关。电容器的电容量公式为:电容式接近开关主要应用于定位及开关的报警控制等场合，其具有无抖动、无触点、非接触检测等优点，并且抗干扰能力强，抗腐蚀性能好。它尤其适用于自动化生产线和检测线的自动限位、定位等控制系统。使用电容式接近开关的注意事项如下。①当检测区有金属物体时，对传感器的检测距离容易造成影响;如果周围还安装有另外的传感器，也会对传感器的性能带来影响。②当电容式接近开关安装在高频电场附近时，易受高频电场的影响，而产生误动作，因此在安装使用时，应远离高频电场。③电容式接近开关应用的，被测物不只限于金属体，塑料、木材、纸张、液体、粉粒等介质都可以被检测。上一页下一页返回课题四机电设备中其他检测装置

2.测力传感器(1)电阻应变片式力传感器。在大多数的测力传感器内包含弹性元件。弹性元件在力的作用下会发生变形。通过弹簧的变形，可以确定作用力的大小。在机电设备中，常用的弹性元件有柱式弹性元件和悬臂梁式弹性元件。①柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。柱式弹性元件结构简单、承载能力大，并主要用于中等载荷和大载荷(可达数兆牛顿)的拉(压)力传感器。

上一页下一页返回课题四机电设备中其他检测装置②悬臂梁式弹性元件的特点是结构简单，加工方便，应变片粘贴容易，灵敏度较高。它主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中，并可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同一截面的正反两面粘贴应变片，并应粘贴在该截面中性轴的对称表面上。

(2)压电式力传感器。压电式力传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应，并且是典型的无源传感器。。压电效应为:对于某些电介质，当沿着一定方向对其施加力，而使其变形时，其内部就产