机电一体化 课件 3 机电一体化检测传感技术

3机电一体化检测传感技术任务3.1认识传感器

1传感器的组成2传感器的分类任务3.1认识传感器

人类为了进一步认识和改造自然,依靠自身的感觉器官显得很不够用。于是,一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生,从而出现了各种用途的传感器。传感器广泛应用在智能手机，汽车，安全系统、咖啡壶等日常物品中、同时也是物联网（IoT：InternetofThings），医疗，核能，国防，航空，机器人技术和人工智能，农业，环境监测和深海应用的组成部分。任务3.1认识传感器

传感器技术是机电一体化技术中的一个核心技术。在机电一体化中,需要传感器来感知获得被控对象状态、特征等物理量（如位置、速度、加速度等），保证对系统的运行作出精确的控制。因此，传感器技术的提升能够推动机电一体化系统的各项工作水平的提升，对提升系统的工作质量和效率有着十分重要的意义。传感器检测作用与信息传递过程与人脑识别外界事物过程相类似，是机电一体化系统必不可少的组成部分，是机与电有机结合的纽带。任务3.1认识传感器

传感器为机械与电气领域之间提供了必要的接口，其本质上一定是机电化的产品。

本节介绍传感器的组成及工作原理，并对其分类做简要说明。任务3.1认识传感器

学习目标课程内容3.1传感器组成与分类知识目标

掌握传感器的组成、分类。能力目标能识别不同种类的传感器学习建议：理论教学

建议1课时任务3.1认识传感器

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。任务3.1认识传感器

传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成如图所示。1.传感器的组成敏感元件转换元件

被测量电量基本转换电路

图3-1传感器组成框图任务3.1认识传感器

电阻应变式称重传感器基本原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形。电阻应变片变形后，其阻值发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。图3-2电子秤结构图a）商品电子称荷重传感器机构b）台式商品电子称机构c）工业电子秤商品荷重传感器任务3.1认识传感器

1.传感器的组成a）商品电子称荷重传感器机构2.传感器各组成部分的作用测量转换电路---把转换元件产生的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电桥电路、脉冲调制电路、谐振电路等，它们将电阻、电容和电感等电参量的变化，转换成模拟或数字信号如电压、电流、频率等。电子秤中常用的电桥电路就是测量转换电路。敏感元件---电子秤中的铝合金梁，能感受因物体重量变化而引起梁应变。转换元件---贴在电子秤中铝合金梁上的应变片：能感受物体重量发生应变，引起应变电阻丝拉伸或缩短，把应变转换成电阻变化。任务3.1认识传感器

测量转换电路任务3.1认识传感器

有些传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传感器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。传感器的组成说明任务3.1认识传感器

按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等；

按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；

按照传感器转换能量的方式分：（1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等；（2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；3.传感器的分类

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下几种：任务3.1认识传感器

4、按照传感器工作机理分：（1）结构型：如：电感式、电容式传感器等；（2）物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等结构性主要通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。目前应用最为普遍。

物性型利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质等作为敏感材料的固态器件。任务3.1认识传感器

3.传感器的分类按照传感器输出信号的形式分：（1）模拟型：传感器输出为模拟电压量；（2）数字型：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。（3）开关型：只有“1”和“0”两个值，或开和关两个状态，

如：限位开关。根据能量转换原理可分为：（1）有源传感器：有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等；（2）无源传感器：无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。任务3.1认识传感器

3.传感器的分类在机电一体化系统中，常用传感器有：测量机械运动行程的有：光电式或电感式接近开关、霍尔开关等；测量机械运动位移的有：光电编码器、光栅尺、旋转变压器；测量机械运动速度的有：测速电机、光电编码器等。任务3.1认识传感器

德国任务3.1认识传感器

德国任务3.1认识传感器

德国任务3.1认识传感器

德国任务3.1认识传感器

SONY索尼位移传感器DK50PR5任务3.1认识传感器

任务3.1认识传感器

任务3.1认识传感器

智能传感器可能由一系列模拟和数字模块组成，每个模块都提供特定的功能。数据处理和模数转换（ADC：analog-to-digitalconverter）功能有助于提高传感器的可靠性和测量精度。因此，通过集成新技术，传感器行业发生了巨大的转变。传感器发展趋势：正走向智能化传感器是一种接收信号或刺激并对其作出响应的输入设备。最新的传感器具有更多功能，包括用户友好性，可访问性和灵活性等，使传感器更加智能化。普通传感器仍在许多应用中使用。但是微机电系统（MEMS：Micro-Electro-MechanicalSystem）的创新和进步正在将传感器技术提升到一个全新的水平。普通传感器的功能已通过多种方式扩展，现在提供了许多其他属性。最新的传感器变得越来越智能，提供更高的精度，灵活性和易于集成到分布式系统中的能力。智能传感器使用标准总线或无线网络接口相互通信，或与微控制器（MCU：MicroControllerUnit）通信。网络接口使数据传输更加容易，同时也扩展了系统。制造商可以诊断传感器故障，并指导用户通过计算机网络进行远程故障排除。任务3.1认识传感器

2020年最新的传感器，包括用于物联网和可穿戴设备的传感器，它们将很快改变电子行业。例如近期发明的：检测病人蛋白质水平的无声心脏病检测器、警告纠正乘员坐姿错误的椅子，传感器起着至关重要的作用根据行业报告，与计算机和通信设备市场相比，传感器正在成为最大和增长最快的市场。任务3.1认识传感器

中国传感器企业仍然任重而道远

今天活跃在传感器国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家的产品。在这些国家里，传感器的应用范围很广，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力能达到几千万只甚至几亿只。任务3.1认识传感器

相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的仍然停留在航天航空以及工业测量与控制上。据有关资料显示，我国最大的传感器公司的年产值也仅有55000只。而且，高、精、尖传感器和新型传感器的市场，几乎全被国外品牌或合资企业垄断了。任务3.1认识传感器

中国传感器企业仍然任重而道远

但现在我国传感器面临着历史上的最好时刻，市场需求量大，国家政策支持，一方面许多国内企业在努力开发自己的新技术，企业管理模式大大改进，另一方面来自国际的AMA德国传感器协会还参会进行支持。传感器的质量、价格、功能都是将来国内企业要重点提高的方面。将来国内传感器还要走好从工业过程检测向功能独立的设备仪器转化的过程，比如日常用血压计就属于此类。

任务3.1认识传感器

中国传感器企业仍然任重而道远

大家也都相信国内企业会在取长补短上更有作为，从而争取早日与外企站在同一起跑线上，向传感器微型化、网络化、专业化进军。我们期待未来的中国传感器取得不菲的成绩，而中国传感器企业仍然任重而道远。任务3.1认识传感器

中国传感器企业仍然任重而道远

3机电一体化检测传感技术任务3.2位置传感器的应用

任务3.2位置传感器的应用

1

微动开关

2

舌簧传感器3

光电传感器（光电开关）4霍尔传感器

工厂设备若要实现自动化和无人化管理，位置传感器必不可少，特别是对CNC机床和工业机器人进行控制时，位置传感器起着非常重要的作用。它感受被测物体的位置，并输出信号，不但可以检测被测物体是否到达某位置，还能反映被测物体的状态。导读任务3.2位置传感器的应用

按照是否为接触检测，位置传感器分为：

接触式开关、非接触式开关等。接触式开关：能获取两个物体是否已接触信息的一种传感器。例如：微动开关、极限开关近年来，非接触式的接近传感器和光电传感器获得了极为广泛的应用非接触式：又称接近式传感器，用来判别在某一范围内是否有某物体的传感器。例如：接近开关和光电开关位置传感器分类：任务3.2位置传感器的应用

无触点霍尔式、电感式、电容式接近开关有触点行程开关

任务3.2位置传感器的应用

任务3.2位置传感器的应用

1.微动开关——结构

接触式微动开关主要用于极限位置的检测，当机械挡块撞击到微动开关压杆（滚轮）时，微动开关动作。

任务3.2位置传感器的应用

微动开关的用途有很多，例如：鼠标、小家电产品（搅拌机、果汁机等）任务3.2位置传感器的应用

图所示为利用极限开关对CNC机床的进给平台进行位置控制时的一个实例。极限开关在数控机床上的应用1.微动开关——应用任务3.2位置传感器的应用

接触式位置传感器的优点是：可以制成各种大小和形状来适应安装环境，以供使用者选择，同时，价格便宜。

缺点：（1）由于是接触式，使用时故障率较高；

（2）会产生电气噪声，需要采取措施来防止噪声。

由于接触式位置传感器存在上述不足之处，近年来普遍使用噪声较小的非接触式位置传感器1.微动开关——特点任务3.2位置传感器的应用

2.非接触式位置传感器——舌簧传感器

非接触式位置传感器能够感知物体的靠近，利用位移传感器对所接近物体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。具有速度快、频率高等特点。任务3.2位置传感器的应用

非接触式位置传感器主要有：

接近传感器：舌簧传感器、接近开关光电传感器：光电开关舌簧传感器结构如图所示：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，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。其位置控制方法如右图所示。基于舌簧传感器的位置控制方法舌簧传感器结构图

任务3.2位置传感器的应用

测量车速车速传感器由带有四磁极的转子、舌簧开关组成。当变速器输出轴通过软轴带动转子旋转时，舌簧开关就会在转子永久磁铁的作用下进行周期性的开关动作，转子每转一周，舌簧开关开闭四次，通过外电路输出4个脉冲。如果将该脉冲信号送数字电路或者计算机进行记数和运算，就可以得到车速输出。任务3.2位置传感器的应用

3.光电传感器（光电开关）光电传感器在一般情况下，由三部分构成：发送器、接收器、检测电路发送器一般是半导体光源：发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。（对准目标发射光束，不间断地发射，或者改变脉冲宽度）接收器：光电二极管、光电三极管、光电池（在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等）检测电路：它能滤出有效信号和应用该信号。

光电传感器是指能够将可见光转换成电量的传感器，又称为光电开关。任务3.2位置传感器的应用

（1）测量原理利用发光二极管作光源，发射可见光或不可见红外光，通过与之相对的光敏二极管或光敏三极管接收光线若中间没有物体遮档，光敏三极管接收到光，输出大电流；若中间有遮档物，光敏三极管接收不到光信号，无电流通过。利用三极管的开关作用可以产生光电脉冲信号，用于位置检测、工件计数或转动物体速度测量。光电开关有透射式(遮档式)与反射式两种工作方式。44光电开关工作原理及产品3.光电传感器任务3.2位置传感器的应用

基于光电传感器的位置控制方法

图（a）所示传感器可检测出物体是否从两元件间通过，成为光电传感器。图（b）所示传感器则将光投向物体，然后检测其反射光，称为反射型光电传感器。3.光电传感器（a）透射型（b）反射型任务3.2位置传感器的应用

光电开关价廉物美、体积小、性能可靠，广泛用于自动控制系统、生产流水线、办公设备和家用电器中。例如检测生产流水线上的工件有无、工件计数、工件位置等；测量旋转物体转速；复印机中检测复印纸有无；安全防盗报警；卫生设备自动冲洗发信开关等。46任务3.2位置传感器的应用

3.光电传感器4．霍尔传感器

霍尔传感器是基于半导体材料(如锗(Ge)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等)的霍尔效应，即利用对磁敏感的半导体三极管效应制成的。（1）霍尔效应将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过这个半导体薄片一侧时，在垂直于电流和磁场的方向上另一侧将产生电动势UH，此现象称为霍尔效应。该现象是在1879年被E.H.Hall发现的，故称之为霍尔效应。

UH=KH.I.B

式中：KH---霍尔元件的灵敏度。任务3.2位置传感器的应用

UH=KH.I.B

4．霍尔传感器任务3.2位置传感器的应用

4.霍尔传感器——应用

（1）霍尔接近开关从霍尔效应原理图看出，若固定I，用一个小磁铁接近霍尔元件，让B有一突变，则UH将有大的变化，这就是霍尔型接近开关的原理。应用于机床或机械手位置如超限行程、回零点等测量与控制信号。电动自行车无刷电机的换向开关数控机床上的多工位刀架刀位发讯开关，也采用了霍尔接近开关。49UH=KH.I.B

任务3.2位置传感器的应用

闭环式霍尔电流传感器工作原理图

4.霍尔传感器——应用UH=KH.I.B

任务3.2位置传感器的应用

若固定磁场B，则霍尔电势与与穿过一个磁环上导线(也可以在磁环上绕一定匝数)的电流成正比，常用作伺服系统中电流环输出电流的测量与反馈传感器，以保证伺服轴具有恒力矩特性。（2）电流测量（In是被测电流，IM由霍尔元件输出控制，当两边磁势平衡是，IM的大小反应被测电流In的大小）4.霍尔传感器——应用（3）行程控制

如图所示，用霍尔接近开关检测和控制机械手或运动平台的行程。小磁铁安装在运动部件上，霍尔三极管安装在相对固定的部件上。用霍尔开关控制机械行程UH=KH.I.B

任务3.2位置传感器的应用

4.霍尔传感器——应用（4）转速测量

在控制电流I恒定的条件下，如图所示在被测转速盘上对称位置放置四个小磁铁，当转盘旋转至与近旁霍尔三极管接近时，磁感应强度大小发生突变，输出霍尔电势为高。当离开时，输出霍尔电势则为低。这就产生了一个眿冲信号，继续转下去会产生一串序列脉冲信号。由于单位时间内脉冲数目是与转速成是正比的，这就可用作速度测量。UH=KH.I.B

任务3.2位置传感器的应用

任务3.2位置传感器的应用

任务3.2位置传感器的应用

任务3.2位置传感器的应用

“汽车怠速是指发动机空转，完全放松油门踏板。以下是汽车怠速的具体介绍：1、怠速过高：油耗增加，发动机工作温度偏高，增加机器磨损。2、怠速过低：起步容易熄火，长期发动机缸内容易积碳，导致加速无力。3、调整怠速前提条件：发动机温度正常、气门间隙适当、点火系统情况正常、各管道密封良好等。”

霍尔式转速传感器在汽车上的应用主要有：发动机转速传感器、判缸传感器(或上止点传感器)、变速器输入轴传感器、变速器输出轴传感器(车速传感器)、轮速传感器等。（1）汽车发动机怠速是发动机运行工况之一，发动机怠速性能对排放、油耗和舒适性有较大影响，发动机怠速时的转速称为怠速转速，怠速转速不宜过高或者过低，过高会使油耗增加，过低会使发动机怠速转速不稳。（2）汽车怠速转速在冷车和热车状态都会有差异。一般热车情况下工作性能良好的发动机，其怠速一般为550-800转。（3）由于冷车状态下，汽车启动后需要让发动机尽快进入正常的工作环境，所以冷车启动时发动机电脑会自动多喷油，通过比正常怠速燃烧更多的燃油来快速提升发...任务3.2位置传感器的应用

9/8/213机电一体化检测传感技术

任务3.3位移传感器

──3.3.1电感式位移传感器的应用

1

可变磁阻式电感传感器2

互感型差动变压器式电感传感器任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

电感式传感器的实例任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高

精度高、线性好性能稳定、重复性好利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量被测物理量

（非电量：位移、振动、压力、流量、比重）线圈自感系数L/互感系数M电压或电流

（电信号）电磁感应分为变磁阻式、变压器式、涡流式等；任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

组成：主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。

在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙

，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。

可变磁阻式电感传感器

任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

1.可变磁阻式电感传感器可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁原理:电磁感应

N:线圈匝数；

L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面1.可变磁阻式电感传感器任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

1.可变磁阻式电感传感器

该传感器的灵敏度与空气隙

δ2成反比，

δ愈小，灵敏度愈高，但该传感器会出现非线性误差。

为了减小非线性误差，通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作在实际应用中，可取

Δδ/δ≤0.1

。

适用于较小位移的测量，一般为0.001～1mm。任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

（1）

间隙变化型L与δ的双曲线关系

传感器灵敏度：间隙变化型可变磁阻式传感器结构

任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用当μ0

、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系

传感器灵敏度：●

灵敏度提高一倍●大大改善了非线性●实现了某些补偿差动自感传感器任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

（2）差动型互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

2.互感型差动变压器式电感传感器闭磁路开磁路

——一、二次线圈的匝数

——真空（空气）的磁导率——空气隙的长度

——导磁截面积互感系数任务3.3位移传感器之一电感式位移传感器的应用

（1）

工作原理

2.互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b）所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即e0=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出e0的大小随活动衔铁的位置而变。

当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，e0=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，e0>0；当活动衔铁向下移时，即e1<e2，e0<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压e0，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

2.互感型差动变压器式电感传感器差动变压器图3-8差动变压器式电感传感器（a）、（b）工作原理（c）输出特性2.互感型差动变压器式电感传感器任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

（2）

测量电路应用:

厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;案例：板的厚度测量~案例：张力测量2.互感型差动变压器式电感传感器任务3.3位移传感器──3.3.1电感式位移传感器的应用

9/8/213机电一体化检测传感技术

任务3.3位移传感器

──3.3.2光栅尺的应用

1光栅尺的外形及结构3自由度数显表4辩向原理5细分技术2光栅尺的工作原理任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件，

用于位移检测的光栅称为计量光栅。光栅尺一、光栅尺的外形及结构任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

光栅传感器是一种非接触式型光电测量系统，它利用光衍射现象产生干涉条纹的原理制成。光栅尺精度高（可达1μm以上）、响应快、量程大，广泛应用于机床直线位移或角位移的精密测量。

HEIDEHAIN公司光栅尺产品图任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构光栅尺常分为长光栅和圆光栅，长光栅测量长度，圆光栅测量角度。以长光栅尺为例，它是由：

主光栅(标尺光栅)、指示光栅(读数头光栅)、光源（光电二极管）和光敏接收器件（如硅光电池）组成。

主光栅长（同最大行程），指示光栅短。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构79任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构在两个光栅上刻有条纹（光刻或镀镆），其密度一般为每毫米25条、50条、100条等。标尺光栅装在机床运动部件上称“动尺”，读数头光栅则装在机床固定部件上称“定尺”。当运动部件带“动尺”移动时，读数头光栅和标尺光栅也随之产生相对移动。2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用

莫尔干涉条纹光栅尺的指示光栅与主光栅（标尺光栅）平行安装，之间保持很小距离（0.05-0.1mm），并使它们的刻线互相倾斜小角度θ当主光栅随工作台移动时，在光源照射下，由于主、副光栅刻线的挡光作用和光的衍射作用，在与刻线垂直的方向上就会产生明暗交替、上下移动、间隔相等的干涉条纹，称为莫尔条纹任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用长光栅莫尔条纹播放动画任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用播放中……圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用

光栅尺每移过一个栅距W，莫尔条纹也恰好移动一个节距B。若用光电器件将这种干涉条纹明暗相间的变化接收、转换成电脉冲数，用计数器记录脉冲数，测得莫尔条纹移过的数目，便得主光栅尺移动的距离，就是被测机械移动距离。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用

改变θ的大小可调整莫尔条纹的宽度，θ越小、B越大，这相当于把栅距放大了1／θ倍。例如，对于刻线密度为100/mm的光栅，其W=0.01mm，如果通过调整，使θ足够小，例如θ=0.001rad(0.057°)，则B=0.01/0.001=10mm，其放大倍数为1000倍，从而无需复杂的光学系统，简化了电路，大大提高了精度，这是莫尔条纹独有的一个重要特性。式中：B-莫尔条纹节距W--光栅栅距θ--两光栅的刻线夹角总位移X=N.W。N为莫尔条纹移过的数目任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用安装有直线光栅的数控机床加工实况任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用3.3自由度数显表任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用3.3自由度数显表4.辩向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往是不固定的。无论标尺光栅还是指示光栅，当它们向前或向后移动时，在光电传感器中观察的结果均是莫尔条纹做明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号是无法判别光栅移动方向的，这时，需要两个有相位差的莫尔条纹进行辨向。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用为了判断方向，可以用两套光电转换装置。令它们在空间的相对位置有一定的关系，从而保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期。如图所示，标尺光栅可分为上、下两个部分，两个部分的栅距相同，下光栅比上光栅错后1/4栅距，即1/4周期。同样地，在接光强的地方设置两个光电传感器，分别为光敏元件1和光敏元件2。两个相位差1/4周期的标尺光栅任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用4.辩向原理当光栅正向移动时，光敏元件2比光敏元件1先感光，此时，与门Y1有输出，它控制加减触发装置，使可逆计数器的加法母线为高电位。同时Y1上的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。反转时，光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数。辨向系统流程任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用4.辩向原理以光敏元件1输出信号为A，光敏元件2输出信号为B，A相位在B相位前1/4周期，光栅正向移动，反之则反向移动。这样根据加减法计数既能区别方向又能自动进行加法或减法计数，每次反映的都是相对于上次的栅距增量，所以这种检测属于增量式检测。光栅传感器输出信号示意图任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用4.辩向原理5.细分技术

任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。例如100线光栅的栅距W=0.01mm，若n=4，则分辨率

可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后计数脉冲

提高了n倍，因此也称之为n倍频。5.细分技术——光栅测量系统电路工作原理光栅尺随机床运动机械（如工作台）移动时，产生明喑变化的莫尔条纹，可用光电元件接收。

图中a、b、c、d是四块光电池，它们产生的信号相位彼此差90°电角度，经过差动放大、整形、方向判别，最后利用这个相位差控制正反向脉冲计数，从而可测量正反向位移。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用5.细分技术——直接细分

直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。

任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用四细分透镜读数头

1-灯泡2-聚光镜3-长光栅4-指示光栅

5-四个聚光镜6-狭缝7-四个光电二极管优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。

缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用5.细分技术实训目标熟悉工业控制机中的基本连接操作和串口参数的设置方法，熟悉使用简便方法进行串口程序编写。。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用实训光栅尺精密位移检测光栅尺数显表任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用应用光栅尺和机械滑台搭建一个检测平台，用于精确定位一维轴线上的位置，机械滑台可采用如图所示的手动平移滑台，滑台驱动主要依靠中部滚动丝杆，两端使用线性导轨确定位移方向，中间手轮起动力作用，其行程一般为300~400mm。采用位移行程在250mm左右的光栅尺在手动平移滑台上搭建一个检测系统，并能够在数显表中显示。实训内容手动平移滑台(线性模组）

实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

在安装光栅尺时，首先要注意使用百分表检测安装位置的平行度，如果安装平面在滑台移动的过程中不能达到平行度要求(一般在0.2mm以下），则需要修改光栅尺定尺和安装面的相对位置。

按照光栅尺定尺的安装说明，在滑台连接基础面上打孔攻丝安装光栅尺，然后在滑台台面上架设磁力表架和百分表头，移动平移滑台使百分表头在光栅尺的基准面(安装基准），观察百分表指针的偏移情况是否超过允许误差，若超过则调整垫片厚度或者安装面。

然后利用连接件将光栅尺的动尺部分和滑台台面连接在一起。以上工作完成后，缓慢地通过手轮移动滑台，观察光栅尺是否有卡住或其他阻滞现象，如果出现则立即停止手轮。光栅尺安装的平行度保证实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

在光栅尺安装完毕后，可通过9芯插头连接数显表头，检查无误后，可上电缓慢转动手轮，观察目前光栅尺动尺所在位置以及变化情况。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

使用百分表表头检测移动量，当移动到某个位置时，使用磁力表架固定百分表，记录百分表数值和光栅尺数显表头数值，然后缓慢移动滑台带动光栅尺动尺移动2~3mm，这时的滑台台面一直顶住百分表，然后记录百分表数值和光栅尺数显表头数值，将两次检测的结果相减进行对比，观察所得差值的规律。并在不同滑台位置进行以上试验。

以上对比试验没有严格的精度检查意义，但是对于光栅尺本身而言，可以检测其中的光栅信号是否有问题。根据以上试验过程填写表1-1。检测移动量示意图实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用(1）使用螺栓或者螺钉将滑台固定到一个平面上，并用水平仪调整使得滑台的滑动面水平。操作步骤实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用(2）将光栅尺比对至一个适当位置，使得光栅尺可以在滑台移动轴线方向自由移动并且能够基本覆盖滑台的移动范围，以此作为光栅尺运动轴线，使用图1-11所示的方法试验光栅尺的平行度并使用垫片等加以调整，达到0.15mm的要求后，使用记号笔沿光栅尺定位孔在如图1-12所示的滑台侧面位置进行标记(中间可使用502胶水等粘连光栅尺定尺和滑台侧面的不动部分以方便调试），在滑台侧面钻孔和攻丝。同样，使用如图1-13所示的弯板作为连接滑台移动面和光栅尺动尺部分的连接件，用螺栓固定动尺和滑台，使滑台移动时，光栅尺动尺随之移动产生脉冲信号并传递给光栅尺数显表头。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用操作步骤

(3）使用螺钉安装光栅尺，在连接过程中注意不要强迫安装光栅尺的动尺部分，如果连接不成功，则拆卸后重新安装。安装完毕后，轻缓移动滑台并观察光栅尺状态，如果出现光栅尺阻塞现象，则分析产生阻塞的原因并拆卸重新安装。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用的应用操作步骤(4）将光栅尺和专用数显表通过连接接头连接，并通电和移动光栅尺的动尺测试光栅尺的检测稳定性，观察缓慢运动时，光栅尺专用数显表头示值变化的稳定性，如果出现示值突变，则可反复在突变处来回移动动尺，确定是操作原因还是设备原因，如果确定是设备原因，则更换光栅尺。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用操作步骤(5)将光栅尺和专用数显表头作为检测工具，对比检测百分表的检测结果，并重复试验。填写表1-1，观察和分析误差的来源和对安装的要求。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用操作步骤注意事项

(1）尽量选择加工面作为安装面，即在安装时尽可能选择加工过的基准面作为安装面。(2）安装时需要注意光栅尺开口方向避开铁屑、油污、水和粉尘，如果无法避免，则需要加装防尘盖，如图所示，可避免污物直接进入光栅尺内部。防尘盖安装示意图实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

(3）信号线固定要可靠，在滑台全部范围内，信号线不能脱落或受力，一般在安装时将其固定于中间部位，然后使用扎带固定。(4）在安装时应接地可靠，接地电阻要小于1Ω。(5）调校光栅尺时，必须以光栅尺的长度中心取两边对称点作为调校基准点。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用注意事项拓展

磁栅尺

磁栅尺是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，是一种高精度的位置检测装置，可用于数控系统的位置测量，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。

磁栅测量装置由磁性标尺、拾磁磁头和测量电路组成，按结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角位移的测量。

在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅与光栅、感应同步器相比，测量精度略低一些。但它有以下独特优点，常被一些机电一体化装置采用。

（1）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完成后，若发现不符合要求可抹去重录，亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。

（2）磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。

（3）耐油污、灰尘等，对使用环境要求低。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用光栅尺和磁栅尺的区别？

光栅尺--利用光的干涉和衍射原理制作而成的传感器。当两块栅距相同的光栅叠放在一起，同时让线纹构成一微小角度，这时在平行光照射下，与刻线垂直方向上就能看到对称分布的明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，因此莫尔条纹是光的衍射和干涉作用的总效果。当光栅移动一个小栅距时，莫尔条纹随之移动一个条纹间距，这样，我们测量莫尔条纹的宽度就比测量光栅线纹宽度容易的多。此外，由于每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点组成，当线纹中有一条线纹有误差时（间距不等或倾斜），这条有误差的线纹和另一光栅线纹的交点位置将产生变化。但是，一条莫尔条纹是由许多光栅线纹交点组成，因此，一个线纹交点位置的变化，对于一条莫尔条纹来讲其影响就非常小了，所以莫尔条纹可以起到放大和平均的作用。

磁栅尺--利用磁极的原理制作而成的传感器。基尺是被均匀磁化的钢带。S和N极均匀间隔排列在钢带上，通过读数头读取S，N极的变化来记数。

光栅尺受温度影响较大，一般使用环境在40摄氏度以下。

敞开式磁栅尺容易受磁场影响，封闭式磁栅尺则无此困扰，但成本较高。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用9/8/213机电一体化检测传感技术任务3.3位移传感器──3.3.3旋转编码器的应用1增量式光电编码器2绝对式光电编码器任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

光电编码器是一种通过光电转换，将被测轴上的机械角位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

光电编码器主要用于机器人、数控机床等伺服轴或运动部件的位移(角位移)和移动速度的检测。光码盘分为透光式和反射式两种：任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

反射式光码盘一般是在玻璃圆盘的圆周上用真空镀镆的方法制成许多条可以反光的刻线，例如每转2500线，利用反射光进行测量，其发射光电管和接收光敏管位于光码盘的同侧。

透光式光码盘由光学玻璃制成，玻璃表面在真空中镀一层不透明的膜，然后在圆周的半径方向上，用照相腐蚀的方法制成许多条可以透光的狭缝和不透光的刻线，刻线的数量可达几百条或几千条；

光电编码器根据工作原理与用途不同，分为：增量式光电编码器、绝对式光电编码器两类。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

（b）内部结构增量式光电编码器结构图1.增量式光电编码器──（1）结构主要组成：光源（带聚光镜发射光电二极管)、光码盘、检测光栅板、接收光敏三极管、信号处理电路板。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

在光码盘上刻有1条零标志线Z条纹，每转时发一个脉冲，作为机床回参考点的基准点。每两个零脉冲标志对应丝杠移动的直线距离，称之为一个“栅格”，它等于一个丝杠螺距即导程L0。光源（带聚光镜发射光电二极管)：发射光电二极管光码盘：光码盘上刻有栅缝（透光式）或镀镆反射（反射式）的A相、B相条纹，该盘可随被测转轴一起转动。检测光栅板：在与光码盘很接近的距离上安装有检测光栅板，该光栅板不动，上刻有与光码盘相同的条纹。接收光敏三极管：将光信号转换为电脉冲信号信号处理电路板：将脉冲信号放大、整形处理后，输出序列方波脉冲信号最后方波脉冲信号送计数器中计数，计数值就反映了被测轴转过的角度任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（2）各结构部分作用增量式光电编码器的三条光栅：A相、B相、Z相A相与B相两相脉冲信号互差900电度角。Z相为零点标志信号，每转１圈输出一个脉冲，可作为回参考点时的零点位置基准点。判断出旋转方向。根据A相与B相两相脉冲信号的相位来判断被测轴的旋转方向。为了抗干扰，光电编码器的输出信号常以差动方式输出：只能测出相对于某个基准点的相对位置增量，不能直接检测出轴的绝对位置信息。光栅数目愈多每转脉转数愈多，所反映的位置精度就愈高。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（3）光学原理增量式光电编码器与伺服电动机同轴安装，只要电机转动，编码器就有脉冲输出。增量式光电编码器在电动机尾端同轴上的安装图增量式光电编码器间接测量工作台位移

任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（3）光学原理判断转向：

当A相超前B相90°电角度时，被测轴顺时针方向旋转；

当B相超前A相90°电角度时，被测轴逆时针方向旋转；

增量式光电编码器工作原理图检测转角：

增量式光电编码器是通过与被测轴一起转动时，对产生的序列方波脉冲计数来检测被测轴的旋转角度任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（3）光学原理增量式光电编码器的主要技术参数包括：每转脉冲数（p/r）、电源电压、输出信号相数和输出形式等。数控机床、机器人等常用的增量式编码器每转脉冲数有2000p/r、2500p/r和3000p/r等，若再进行脉冲变频技术的处理如4倍频处理，位置测量精度能达到μm级。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

1.增量式光电编码器──（4）技术参数四倍频技术与分辨率

在数控机床位置控制中，为提高分辨率，常对A相、B相差动脉冲信号的上升沿与下降沿进行微分处理，得到一个新的四倍频脉冲信号。

经四倍频处理后提高了光码盘的位置分辨率与反馈精度。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

增量光电编码器四倍频信号任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

四倍频技术与分辨率四倍频技术与分辨率

例如：当选用脉冲编码器2000p/r（脉冲/每转），进给伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动刀架或工作台，丝杠螺距L0若为8mm，经四倍频细分后，光电编码器变为8000p/r，则位置反馈分辨率或反馈精度为：

机床厂常以此计算公式，来初选伺服电动机编码器线数(p/r)，因为线数愈高价格愈高。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

增量式编码器在运动轴静止时就没有信号输出，而且在停电时位置信息就丢失。可是在数控机床、机器人等的运动机械控制中常常要求一开机就需要立即知道准确位置，如机械手底座旋转角度位置信息，这就需要用绝对式编码器。

任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器

绝对式光电编码器是一种直接编码式的测量元件。它能把被测转角转换成相应代码指示的绝对位置，没有积累误差。其编码器有光电式、接触式和电磁式三种，通常用光电式编码器。

被测转角相应代码指示的绝对位置任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（1）工作原理任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（1）工作原理

在绝对编码器光码盘上，有许多由里至外的刻线码道，每道刻线依次为以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过n个光栅读取每道刻线的明、暗就获得一组从20向2n-l变化的唯一编码，称为n位绝对编码器。现以接触式四位绝对编码器为例，来说明其工作原理任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（1）工作原理为提高码转换的可靠性降低误码率常用格雷码，格雷码的特点是当码区转换时编码只需变化一位。如表所示的当第7码区向第8码区转换时，二进制码需改变4位，而格雷码只需变化最高位1位。绝对式光电编码器一般都带有后备电池保护数据，在断电时位置信号不会丢失。但需注意后备电池电压的监控与更换，特别是对长久不开的数控机床，绝对编码器后备电池得不到及时充电，数据会因电池电压的不足而丢失。

任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（2）用格雷码编码表3.1格雷码编码表任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

4位绝对式光电编码器工作原理图任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.绝对式光电编码器──（2）用格雷码编码

在数控机床与机器人的交、直流伺服控制系统中，光电编码器被广泛应用为位移、速度测量与反馈的传感器。也可用作主轴交流异步电动机的转子位置检测器，在矢量变频坐标变换计算中使用。在用作位置测量反馈信号的同时，如果用F/V转换器（频率-电压转换器）将编码器输出的序列脉冲转换为与脉冲频率成正比的信号电压，可用作伺服电机速度的反馈信号。任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

2.光电编码器的应用剪切机钢板定长切割控制1-控制器2-加工板料3-传送带4-进给驱轮

5-切刀6-增量式编码器7-成品转盘工位控制1-绝对式编码器2-伺服电动机3-转轴4-转盘5-工件6-刀具任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

光电编码器在机械自动化中还有其它很多用途，例如钢板定长切割控制中用到增量式光电编码器、在转盘工位控制中则用到绝对式光电编码器。因为钢板定长切割每次定长计量可归零，而后者则要求转盘转完一个工位后记忆当前工位位置磁电式旋转编码器与光电旋转编码器相比：

磁电式旋转编码器不带码盘，是用磁电式发出信号，而光电式旋转编码器的码盘如果有刮花或振裂现象，性能就不稳定了。

磁电式旋转编码器是经久耐用、科技新产品更适合现在市场需求。磁电式旋转编码器优势：耐高温、可靠性高、耐恶劣环境强和抗干忧能力强。拓展——磁电式旋转编码器任务3.3位移传感器──旋转编码器的应用

9/8/213机电一体化检测传感技术任务3.3位移传感器

──3.3.4感应同步器的应用任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用1感应同步器结构2感应同步器工作原理3

感应同步器的信号处理原理4

感应同步器的应用与安装

分类：（1）直线式由定尺和滑尺组成

用于直线位移测量

（2）圆盘式由转子和定子组成

用于角度位移的测量

感应同步器是一种电磁式的位移检测元件任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用长尺叫定尺，短尺叫滑尺。滑尺和定尺相对平行安装。绕组在长度方向的分布周期称为节距，又称极距，用2τ表示。尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别为正弦绕组（sin绕组）和余弦绕组（cos绕组）。它们在长度方向相差1/4节距。1.

感应同步器结构任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用1.

感应同步器结构任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。节距（极距）2τ一般为2mm。定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。滑尺与定尺相互面向平行安装，两者保持0.2mm左右距离。在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。2.感应同步器工作原理任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用

设Us表示滑尺上一相绕组的激磁电压，则定尺绕组感应电压为Ud1

当滑尺移动距离为2τ，Ud1变化2π，当移动x时，则对应感应电压以余弦函数变化θ角度。任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用2.感应同步器工作原理鉴相型通过检测感应电动势的相位测量位移。相对位移量x与相位角θ呈线性关系，只要能测出相位角θ，就可求得位移量x。感应同步器的工作方式：3.感应同步器的信号处理原理任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用鉴幅型通过检测感应电动势的幅值测量位移。只要能测出Ud，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。（1）鉴相工作方式供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差90°的交流励磁电压根据叠加原理，定尺上的总感应电压为其中

为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。将称为相移──位移转换系数。例如，设节距2τ=2mm，则若脉冲当量δ＝2μm/脉冲，则相移系数θρ为即，角位移脉冲当量。任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用3.感应同步器的信号处理原理2）鉴幅工作方式供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同，即则在定尺绕组产生的总感应电压为

若电气角α已知，只要测出ud幅值，便能求出与位移对应的角度θ。实际测量时，不断调整α，让幅值为零。α的变化量则代表θ对应的位移量，就可测得机械位移。令当△θ很小时则

当位移量△x很小时，感应电压ud的幅值与△x成正比。

实际工作时，预先设置一个ud电压门槛电平，每当改变一个△x的位移增量，就有电压ud，当ud达到该门槛电平时，就产生一个脉冲信号。用脉冲信号去控制修改励磁电压线路，使其产生适合的us、uc，从而使ud重新降低到门槛电平以下，这样就把位移量转化为数字量——脉冲，实现了对位移的测量。任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用3.感应同步器的信号处理原理4.应用与安装任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用感应同步器的优点：

（1）受环境条件的影响较小，抗干扰能力强。

（2）精度较高。（最高可到1微米）

（3）长度较长，可接长。（最长到16米）

（4）使用寿命长。任务3.3位移传感器──3.3.4感应同步器的应用9/8/213机电一体化检测传感技术任务3.3位移传感器

──3.3.5旋转变压器的应用1旋转变压器结构2

旋转变压器工作原理3

旋转变压器应用及优点任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用

旋转变压器：输出电压随转子转角变化，用来测量角位移。一般安装在电动机尾端轴上，随电动机旋转，通过传动机械间接反映机械运动角位移，检测坐标轴的进给速度和位置、工作台转角等。旋转变压器任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用

旋转变压器结构类似于二相绕线式交流电动机，按转子绕组引出方式不同，分有刷式和无刷式两种结构形式，它们均分为定子(定子铁芯、定子绕组)和转子(转子铁芯、转子绕组)两大部份。

有刷式旋转变压器的转子绕组是通过滑环和电刷的滑动接触引出感应电势，而无刷式则在转子同轴上装了一个附加变压器。转子绕组的感应电势，通过附加变压器一次侧与二次侧的电磁耦合由二次侧输出。

常见旋转变压器绕组有两极和四极。1.旋转变压器结构任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用2.旋转变压器工作原理

以两极绕组为例，其基本工作原理与普通变压器相类似。两者区别是：普通变压器的一次侧与二次侧绕组磁耦合是相对固定的，输出与输入电压之比是常数(与匝数成反比)；而旋转变压器一次侧与二次侧绕组的相对位置随转子的角位移θ而时刻改变着，因而输出电压也随之变化。

旋转变压器的工作原理如图所示，转子绕组输出电压u2的大小，取决于定子与转子两个绕组磁轴在空间相对位置θ角。

设加在定子绕组的交流电压u1为u1=UmSinωt（1）

当转子与定子磁轴相垂直时u2=0（2）

当转子绕组转过θ角时

u2=Ku1Sinθ=KUmSinθSinωt（3）任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用两极绕组式旋转变压器工作原理定子绕组的交流电压：任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用2.旋转变压器工作原理

当转子与定子绕组平行时，转子绕组输出电压为最大；

转子与定子绕组垂直时，转子绕组输出电压为零。转子绕组输出电压频率与定子电源相同，其幅值随转子与定子的相对角位移θ的正弦函数而变化。因此只要测出转子绕组输出电压U2幅值，即可得到转子相对定子角位移θ的大小。任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用3.旋转变压器应用及优点结构简单、性能稳定、精度高、灵敏度高；适合高温、严寒、潮湿、高震动等不宜选用光电编码器的恶劣环境。在新能源汽车中用于精确检测电机转速和转子位置及方向；任务3.3位移传感器──3.3.5旋转变压器的应用9/8/213机电一体化检测传感技术任务3.4速度继电器的应用

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直流测速机2

光电式转速传感器任务3.4速度继电器的应用

速度测试的方法很多，可以使用直流测速机直接测量速度，也可以通过检测位移换算出速度和加速度，还可以通过测试惯性力换算出加速度等。任务3.4速度继电器的应用1.直流测速机任务3.4速度继电器的应用

直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。以电枢的结构分：无槽电枢有槽电枢空心杯电枢圆盘电枢根据定子磁极激磁方式分：电磁式永磁式（常用）任务3.4速度继电器的应用1.直流测速机

以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，在线圈两端将产生感应电动势Ea，根据法拉第定律：

式中：Ce---电势常数---每极磁通量

可见，输出电压与旋转速度成正比，可用于角速度侧量。

如果与伺服电机轴相连，可作速度反馈。

测速发电机工作原理图1.直流测速机——工作原理任务3.4速度继电器的应用

恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转子速度成正比的直流电势。

永磁式测速机原理图

直流测速机输出特性任务3.4速度继电器的应用1.直流测速机——工作原理

注：从直流测速机的输出特性曲线可以看出:

当负载电阻RL→∞时其输出电压U0与转速n成正比。随着负载电阻RL变小，其输出电压下降，而且输出电压与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比较高的直流测速机，除采取其他措施外，负载电阻RL应尽量大。

直流测速机的特点:输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。任务3.4速度继电器的应用1.直流测速机——工作原理测速发电机的应用：广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；

在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。

在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速机。

任务3.4速度继电器的应用

光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量t时间内的脉冲数N，则可测出转速。

式中

n——转速(r／min)；Z——圆盘上的缝隙数；t——测量时间(s)；N——t时间内的脉冲数；1-透镜2-带缝隙圆盘3-指示缝隙盘4-光电元件

光电式转速传感器的结构原理图

2.光电式转速传感器任务3.4速度继电器的应用用反射式光电传感器测量转速

利用以上原理制成的红外光电转速测试议，常用于回转轴旋转速度的测量，只要在待测回转轴上黏贴一个白色反射标签，然后用红外光电测速仪对准反射标签测量即可。任务3.4速度继电器的应用2.光电式转速传感器注：一般取Zt=60×10m(m＝0，1，2，…)，

利用两组缝隙间距W相同，位置相差（i／2+1／4）W（i＝0，1，2，…）的指示缝隙和两个光电器件，则可辨别出圆盘的旋转方向。安装方法见word文档“光电转速传感器的安装”任务3.4