机电一体化技术及应用 课件第3章　传感与检测技术

第3章·传感与检测3.1~3.2传感器概述与速度检测先问“被测量”，再选传感器本节知识链传感器定义→组成与分类→机电传感器地图→学习方法→测速发电机→光电/磁电/霍尔3.1传感器检测技术概述|3.2机电设备速度检测传感器机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件本节导图3.1~3.2内容与知识主线数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件0201传感器的定义与组成（3.1.1~3.1.2）定义与GB7665-87国标定义→感知/转换/输出三个基本环节→敏感元件·转换元件·转换电路→电子秤、Pt100、光电编码器、测速发电机四个实例→物联网新趋势02分类与机电传感器地图（3.1.3~3.1.4）按工作原理/被测物理量/应用范围三种分类→按被测量分七大类→“被测量→传感器→控制器”地图→8个核心检测对象→机械旋转量检测主线→九大类综合框架03如何学习传感器（3.1.5）理解功能→熟悉场景→明确性能→掌握接口→查阅手册→对接市场；应用型工程师的重点是“快速、精准地挑选并运用”，而不是钻研每一种原理04测速发电机与光电测速（3.2.1~3.2.2）电动势与转速成正比→电磁式/永磁式→光电效应三类型→透射式/反射式光电开关→由脉冲数、圆盘孔数与测量时间求转速→两个交互演示05磁电与霍尔测速（3.2.3~3.2.4）电磁感应发电、无需辅助电源→由磁轮齿数与转速求脉冲频率→气隙0.5~1.2mm、垂直90°→霍尔数字脉冲、低速不衰减→双霍尔正交辨向主线·知识链感知被测量↓按规律转换↓输出可用信号↓转速→脉冲↓测速与辨向学习目标学完3.1~3.2，你将能够…数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件03知识目标①说出传感器的定义与GB7665-87国标定义②概括传感器工作的三个基本环节③说出敏感元件、转换元件、转换电路的作用与示例④区分按工作原理/被测物理量/应用范围三种分类⑤记住机电设备的8个核心检测对象⑥写出测速发电机、光电式与磁电式测速的三个核心公式⑦说出光电效应三种类型与两种光电开关⑧说出磁电式的安装要求与霍尔式的辨向方法技能目标①能按“敏感元件—转换元件—转换电路”拆解一个实际传感器②能根据被测量为机电设备选出合适的传感器③能由脉冲数、圆盘孔数与时间算出转速④能由磁轮齿数与转速算出输出脉冲频率⑤能说出磁电式与霍尔式测速各自的适用理由素质目标①建立“先问被测什么量、再选传感器”的选型思维②养成查阅技术手册、以厂家资料为准的规范意识③认识传感器是“机”与“电”融合的关键纽带④关注国产传感器与物联网智能感知的发展⑤严谨的安装与调试习惯（气隙、对中、屏蔽）本节关键传感器=敏感元件+转换元件+转换电路；机电设备先问“要知道什么物理量”，再用三个公式把转速变成可测、可判向的电信号。3.1传感器检测技术概述定义·三个基本环节·组成·分类·机电传感器地图·学习方法定义→组成→分类→传感器地图→学习方法机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点3.1.1传感器的定义数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件05什么是传感器传感器（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给出的定义“能感受规定的被测量件并按照一定的规律（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。”感受被测量感知规定的被测量件按规律转换数学函数法则输出可用信号供传输与处理通常由两部分组成敏感元件+转换元件记住传感器干三件事：感受被测量→按一定规律转换→输出可用信号；其核心构件是敏感元件与转换元件。知识要点3.1.1传感器工作的三个基本环节数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件06①感知被测量传感器首先通过敏感元件感受被测量的变化。②按一定规律进行转换将被测量转换为某种便于处理的物理量，通常表现为电信号的变化。③输出可用信号经过必要的调理、转换和处理，输出满足后续测量、控制或数据采集要求的信号。三个环节串成一条链被测量→感知→转换→输出→可用信号为什么强调“按一定规律”被测量与输出信号之间必须存在确定的数学函数关系——正因为关系确定，才能由输出信号的大小反推被测量的数值。一句话感知→转换→输出：三个环节分别对应传感器内部的敏感元件、转换元件与转换电路。知识要点3.1.1传感器在机电一体化系统中的位置数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件07获取被控对象的状态信息是首要环节在机电一体化系统中，获取被控对象状态信息（如位置、速度、加速度等）是首要环节。这通常借助传感器实现：传感器检测相关物理量并将其转换为电信号；该信号经过预处理后，传输至控制单元进行分析处理，最终生成控制指令。在反馈自动控制系统中，负责检测与变送的模块通常就是由传感器组成。为什么说传感器像人的感官传感器在此过程中的检测与反馈作用，与人脑识别外界事物的机制具有相似性；它不仅是机电一体化系统必不可少的核心组成部分，更是实现“机”与“电”有机融合的关键纽带。信号在系统中怎么走被控对象→传感器→电信号→预处理→控制单元→控制指令系统观传感器上承物理世界、下接控制系统：没有它，控制系统既不知道“现在在哪”，也无从判断“该往哪调”。知识要点3.1.2传感器的组成：三部分+一个电源数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件08总体组成传感器一般由敏感元件、转换元件及转换电路组成，某些特定传感器还需要辅助电源才能工作。组成部分功能示例敏感元件直接感受（或响应）被测量，以确定关系输出被测量，完成不易测量的非电量到可测量的非电量的变换弹性敏感元件（弹簧管、膜片、波纹管等）转换元件将感受到的非电量直接转换成电量应变片（将应变转换为电阻变化）转换电路把无源转换元件产生的电参数量转换成电量（如电压、电流、频率等）电桥电路、脉冲调制电路、谐振电路别漏了辅助电源表中“转换电路”一栏写着“无源转换元件”——这类元件（如应变片、热电阻）自身不产生电能，必须依靠转换电路与供电才能把电参量变成可用的电量输出。记忆敏感元件管“感受”，转换元件管“变电量”，转换电路管“变成可用电量”；三者缺一不可。教材图示图3-1传感器组成框图数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件09传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成敏感元件直接感受被测量，完成非电量→可测非电量的变换转换元件把感受到的非电量直接转换成电量（电参量）转换电路把电参量转换成电量：电压、电流、频率等看图框图从左到右就是信号的旅程：被测量→敏感元件→转换元件→转换电路→标准输出。例题精讲教材示例①电子秤（电阻应变式称重传感器）数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件10教材示例①【题目】被测对象：重量（力）。【解析】①敏感元件：铝合金弹性梁——承受重量产生应变（形变）。②转换元件：粘贴在弹性梁上的应变片——将应变转换为电阻变化（敏感元件与转换元件配合工作）。③转换电路：电桥电路将应变片的电阻变化转换为电压信号，经放大与A/D转换后输出重量对应的电压或数字信号。结论：三部分齐全、分工清晰，是理解传感器组成的最好范例。环节电子秤中的部件敏感元件铝合金弹性梁——承受重量产生应变（形变）转换元件应变片——把应变转换成电阻变化转换电路电桥+放大+A/D——输出电压或数字信号为什么它是“标准范例”敏感元件负责感受、转换元件负责变电量、转换电路负责变成可用电量——三个部分各司其职、边界清晰，正是教材用它作首个示例的原因。记忆弹性梁承力→应变片变电阻→电桥出电压→A/D出数字。例题精讲教材示例②电阻式温度传感器（Pt100铂电阻）数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件11教材示例②【题目】被测对象：温度。以工业常用的铂热电阻Pt100为例：0℃时阻值为100Ω，温度升高阻值随之增大，阻值与温度近似呈线性关系。【解析】①敏感元件：铂电阻丝（Pt100）——感受温度变化，自身阻值随温度按确定规律变化。②转换元件：热电阻本身就是转换元件——将温度（非电量）转换为电阻变化（电参量），属于“敏感元件与转换元件合二为一”的典型传感器。③转换电路：电桥电路把电阻变化转换为电压差，再经放大与A/D转换，输出与温度对应的电压或数字信号，供显示仪表、PLC或数据采集系统使用。结论：敏感元件与转换元件可以合二为一。环节Pt100测温中的部件敏感元件铂电阻丝Pt100——感受温度，阻值按规律变化转换元件热电阻本身——温度（非电量）→电阻（电参量）转换电路电桥→电压差→放大→A/D→供仪表/PLC延伸：热敏电阻（NTC/PTC）温度传感器其阻值随温度变化，常用于家电、汽车等低成本测温场合——与Pt100相比，它更便宜，但线性度与稳定性通常不及铂电阻。记忆Pt100：0℃时100Ω，温度升高阻值增大，近似线性。例题精讲教材示例③光电式位置传感器（增量式光电编码器）数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件12教材示例③【题目】被测对象：角位移（或线位移），即位置。【解析】①敏感元件：随轴转动的码盘（光栅盘）与光源——将转角/位移转换为透光量的周期性变化。②转换元件：光电二极管/光电晶体管——将光通量的变化转换为电脉冲信号。③转换电路：整形放大电路（如施密特触发器）将脉冲整形，配合辨向与计数电路，输出位移量及方向信号。结论：光→电→脉冲→位移量与方向信号。环节增量式光电编码器中的部件敏感元件随轴转动的码盘与光源——转角→透光量周期变化转换元件光电二极管/光电晶体管——光通量→电脉冲转换电路整形放大+辨向与计数→位移量及方向信号呼应3.2.2光电转换测速传感器这条链路正是光电转换测速传感器的原型——测位置与测转速用的是同一套物理过程，区别只在“数脉冲之后怎么算”。记忆码盘转→透光量周期变化→光电元件出脉冲→整形计数。例题精讲教材示例④测速发电机（直流测速发电机）数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件13教材示例④【题目】被测对象：转速（角速度）。【解析】①敏感元件：转子（电枢）——随被测轴同步旋转，感受转速变化。②转换元件：电枢绕组在恒定磁场中旋转切割磁力线，产生与转速成正比的感应电动势（E=CₑΦn，即输出电压随转速线性变化）。③转换电路：输出电压经滤波、分压等简单处理后直接作为转速信号，送入显示仪表或控制系统。结论：输出电动势与转速成正比。环节直流测速发电机中的部件敏感元件转子（电枢）——随被测轴同步旋转，感受转速变化转换元件电枢绕组切割磁力线→感应电动势E=CₑΦn转换电路滤波、分压等简单处理→输出转速信号预习3.2.1测速发电机这个示例的转换元件与转换电路都很简单——它的“难”不在结构，而在后面的分类与工程使用；输出电动势正比于转速，正是E₀=Cₑ·φ₀·v的由来。记忆转子感受转速，绕组切割磁力线产生与转速成正比的电动势。知识要点3.1.2延伸：物联网时代的新趋势数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件14传感器不再只是“简单的信号输出装置”传感器产品不再仅仅是简单的信号输出装置，它们集成了微控制器和通信接口作为转换电路，成为智能化的感知与交互单元。微控制器：赋予数据处理与分析能力采集原始数据后立即进行初步处理、滤波和特征提取——不必把所有原始数据都送到上位机。通信接口：无缝接入上层系统让传感器能够方便地与PLC、DCS甚至ERP系统实现无缝连接。从“转换电路”到“智能感知单元”同样是转换电路，过去是一块电桥或整形电路，现在可能是一颗微控制器加一路总线接口——传感器正从“只出信号”走向“就地处理、直接联网”。趋势智能感知=敏感元件+转换元件+微控制器+通信接口。知识要点3.1.3传感器的三种分类方式数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件15为什么分类方式不止一种目前市场上传感器种类繁多，同一种传感器可检测多种参数，通常情况下可按以下三种方式分类。按工作原理分类电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式、光电式等按被测物理量分类速度、位置、位移、力、温度、压力、流量等按应用范围分类工业传感器、医疗传感器、环境传感器、汽车传感器等三种方式怎么配合用先按“被测物理量”确定要找什么（如转速）；再按“工作原理”理解它为什么能测（如光电效应、电磁感应）；最后按“应用范围”判断它是否适合本行业的使用环境。选型的三个提问①要测什么物理量？②它凭什么能测（什么原理）？③本行业场合是否适用？注意同一种传感器可以检测多种参数，所以“按被测量分类”与“按工作原理分类”必须配合看。知识要点表3-1按被测物理量分类：七大类数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件16类别测量参数典型传感器1应变（扭矩）和力金属丝应变片、半导体应变片传感器2位移电位器、旋转编码器、电容式传感器3大位移激光测距传感器、超声波测距传感器4机械振动压电式加速度传感器、磁电式速度传感器5转速光电编码器、磁编码器、光电开关、测速发电机6压力与流量磁电式传感器、超声波流量计7温度电阻式温度计、热电偶式温度计读表提示表中“转速”一行正是本章3.2的对象：光电编码器、磁编码器、光电开关、测速发电机。记忆应变力·位移·大位移·振动·转速·压力流量·温度——七大类按被测量划分。教材图示图3-2传感器按被测物理量分类数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件17传感器按被测物理量分为七大类——机电系统常用位置、位移、转速三类七大类应变/力、位移、大位移、机械振动、转速、压力与流量、温度机电系统常用三类位置（接近/霍尔）、位移（编码器/光栅）、转速（测速发电机/码盘）还有两种分类方式按工作原理分类、按应用范围分类知识要点3.1.3机电设备中常用的三类检测与信号调理数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件18运动位置测量光电开关、电涡流式接近开关、霍尔开关等运动位移测量光电编码器、磁编码器、光栅尺、电容式位移传感器运动转速测量测速发电机、光电码盘等0~5V常用电压型标准信号4~20mA常用电流型标准信号滤波·放大·A/D信号调理与模数转换为什么必须先做信号调理传感器检测到的信号比较微弱，不利于远距离传输；如果不及时处理，有用信号将被淹没在噪声信号中。因此首先要将传感器输出的信息转化为标准信号，再经过滤波、放大和模数转换后传输至计算机。记住传感器出的是“微弱信号”，先转标准信号（0~5V/4~20mA），再滤波、放大、A/D，才能远传到计算机。3.1.4~3.1.5分类的应用视角与学习路径被测量→传感器→控制器·8个核心检测对象·六个学习维度三种分类→机电地图→核心对象→学习维度机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点3.1.4应用视角：“被测量→传感器→控制器”地图数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件20换个视角看分类前面介绍了按工作原理、被测物理量、应用范围三种分类方式。对于机电一体化设备，更实用的方式是把传感器理解成一张“被测量→传感器→控制器”的地图：先问“设备需要知道什么物理量”，再选择合适的传感器，最后接入控制器。被测量→传感器→控制器与3.1.1的三个基本环节一一对应感知被测量↔先问设备需要知道什么物理量；按一定规律转换↔选合适的传感器把物理量变成电信号；输出可用信号↔接入控制器，供其分析处理并生成控制指令。选型第一问不要先想“用什么传感器”，而要先想“设备需要知道什么物理量”——被测量定了，可选传感器的范围就小得多了。口诀先问被测量，再选传感器，最后接控制器。知识要点表3-2机电设备的被测量与传感器（上）数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件21被测量常见传感器典型应用位置/位移接近开关、光电编码器、磁编码器、旋转变压器、直线位移传感器、电位器机械手、机床、电机、自动化设备速度编码器、测速发电机、磁电式测速传感器、霍尔传感器电机测速、输送机、风机角度编码器、旋转变压器、磁角度传感器、电位器伺服电机、机器人关节、转台压力压阻式、压电式、应变式压力传感器液压系统、气动系统、压缩机力/扭矩应变式力传感器、测力传感器、扭矩传感器机器人、压装机、电机测试温度热电偶、热电阻、热敏电阻、温度芯片电机、轴承、加热设备振动压电式加速度传感器、MEMS加速度传感器电机、泵、齿轮箱故障监测加速度/姿态加速度计、陀螺仪、IMU机器人、无人机、AGV怎么读左列是“设备要问的问题”，中列是“能回答它的传感器”，右列是“哪里在这么用”。知识要点表3-2机电设备的被测量与传感器（下）数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件22被测量常见传感器典型应用物体检测光电开关、接近开关、超声波传感器自动生产线、物料检测液位浮球式、压力式、超声波、雷达液位传感器水箱、油箱、工业容器流量电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声波流量计水、油、气体管路视觉/尺寸工业相机、激光位移传感器、视觉传感器尺寸检测、定位、缺陷检测重量称重传感器、应变式传感器电子秤、料斗、包装设备磁场霍尔传感器、磁阻传感器、TMR电机换相、电流检测、磁编码器电量电流传感器、电压传感器、功率传感器电机控制、电能监测电机状态编码器、旋变、霍尔、温度、振动传感器伺服系统、电机状态监测看规律越靠近机电设备“运动控制”的需求，越集中在位置、速度、角度、力/扭矩这几类；温度、振动则是状态监测的常客。知识要点表3-3机电一体化设备最需要掌握的8个核心检测对象数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件23核心检测对象通俗提问常见传感器典型场景①位置“在哪里？”行程开关、接近开关、光电开关、编码器、磁编码器、旋转变压器、直线位移传感器机械手滑台走到哪里②速度“动得多快？”编码器、霍尔传感器、磁电式测速传感器、测速发电机电机是1500r/min还是3000r/min③加速度/振动“运动得怎么样？”MEMS加速度计、压电式加速度传感器、IMUMPU6050等姿态/振动监测④力/扭矩“用了多大的力？”应变式力传感器、称重传感器、扭矩传感器机器人抓取力度控制⑤压力“压得有多大？”压阻式、应变式、压电式压力传感器液压、气动系统⑥温度“热不热？”热电偶、热电阻、热敏电阻、集成温度传感器电机、减速器、轴承、加热设备⑦流量/液位“流了多少、装了多少？”流量传感器、液位传感器流体控制、泵、压缩机、工业过程设备⑧物体/状态“有没有、是什么状态？”接近开关、光电传感器、霍尔传感器、光纤传感器、视觉传感器工件是否到位、气缸是否伸出、有无物料怎么用不必逐一记住几十种传感器——先把这8个核心检测对象和对应的通俗提问背下来。知识要点机械旋转量检测主线：从转角到电信号数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件24为什么单独拉一条主线旋转机械（电机、转台、机器人关节）是机电一体化设备的核心。围绕“转角/转速”可拉出一条清晰的主线——机械旋转→检测元件→电信号→角度/速度。传感器转换链条输出信号测量对象电位器机械角度→电阻变化→电压模拟电压角度光电编码器机械旋转→光栅/码盘→光电转换→脉冲脉冲（A/B/Z）角度/速度磁编码器机械旋转→磁场方向变化→霍尔/AMR/GMR/TMR→电信号脉冲或角度值角度/速度旋转变压器机械旋转→电磁耦合变化→Sin/Cos信号正余弦信号角度磁电式测速传感器机械旋转→磁通周期变化→感应电压→脉冲/频率脉冲/频率转速看点五条链条的“入口”都是机械旋转，差别在“中间怎么变”：电阻、光、磁场、电磁耦合、磁通周期。知识要点传感器在机电一体化系统中的位置数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件25一个典型伺服系统的信号链传感器不是孤立存在的。一个典型伺服系统可以表示为：电机→机械运动→传感器（位置/速度/电流/温度）→信号调理→ADC/脉冲输入→控制器（STM32/PLC/DSP/伺服驱动器）→功率驱动→电机。电机→机械运动→传感器（位置/速度/电流/温度）→信号调理↓ADC/脉冲输入→控制器（PLC/DSP/伺服驱动器）→功率驱动→电机于是形成闭环形成“被控对象→检测→控制→执行→被控对象”的闭环。这正是传感器在机电一体化中的真正位置：作为系统的“感官”，把机器世界的物理量转换成控制系统能够处理的信号。一句话电机带动机械运动，传感器把运动“读”成信号，控制器据此算出控制量，功率驱动再把它变成电机的动作——回到起点，闭环成立。知识要点综合框架：机电设备常用传感器九大类数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件26类别典型传感器1.位移与位置传感器电位器、电感式、电容式、光电编码器、磁编码器、旋转变压器2.速度与角速度传感器测速发电机、磁电式测速传感器、编码器、霍尔传感器3.加速度与振动传感器压电式、MEMS4.力与扭矩传感器应变式、压电式、扭矩传感器5.压力传感器压阻式、应变式、压电式6.温度传感器热电偶、热电阻、热敏电阻7.流量与液位传感器流量计、液位计等8.物体检测与机器视觉传感器接近开关、光电传感器、工业相机、视觉传感器9.磁场与电量传感器霍尔、磁阻、电流、电压与经典分类的关系这九大类与前面的七大类互补：七大类按“测什么”划分，九大类按“用在什么场合”组织，便于按应用选型。知识要点归纳：机电设备到底需要知道什么数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件27归纳起来，机电设备需要知道下面这些问题——每一个问题对应一大类传感器：①物体在哪里？位移与位置传感器②运动多快？速度与角速度传感器③运动状态怎样？加速度与振动传感器④受了多大的力？力与扭矩传感器⑤压力多大？压力传感器⑥温度多高？温度传感器⑦流体有多少？流量与液位传感器⑧有没有物体？物体检测与机器视觉传感器⑨电气参数是多少？磁场与电量传感器落脚点而传感器，就是把这些机器世界的物理量转换成控制系统能够处理的信号——“机”与“电”的接口就在这里。知识要点3.1.5如何学习传感器：六个维度数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件28先接受一个事实传感器技术领域知识密集，类型丰富多样，且不同传感器特性复杂多变。步骤学习维度核心要点1理解功能，把握核心明确各类传感器的基本功能（如温度传感器测温度、压力传感器测压力），清楚每个传感器能“感知”什么以及如何将感知转化为可用信号2熟悉使用场景，贴近实际不同应用场景对传感器的要求不同：工业自动化需高精度高可靠性，智能家居更注重低功耗和易集成性3明确性能要求，精准匹配根据应用需求分析测量范围、精度、稳定性、响应时间、分辨率等性能指标，对比不同传感器参数4掌握接口技术，实现无缝连接了解常见接口类型（模拟接口、数字接口、总线接口等）及其特点，掌握数据传输方式5学会查阅技术手册，自主解决问题技术手册包含详细规格、性能参数、应用电路、接口定义等重要信息，是选型和解决问题的关键参考6了解市场产品，对接工程选型借助专业网站（如工控行业网站、传感器资讯平台）增长见识；在电商平台（如淘宝）了解市场上容易购买的主流产品与典型型号；再到厂商官网查阅产品系列、选型指南与技术资料，将理论知识同实际产品对应起来学习建议：不必追求全面深入的理论知识，而应注重实践应用能力的培养。知识要点3.1.5应用型工程师的学习重点数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件29先明确一个前提对于应用型工程师而言，全面深入地钻研传感器的具体原理并非首要任务，真正关键的是能够快速、精准地挑选并运用合适的传感器以满足实际工程需求。先会“挑”按被测物理量、测量范围、精度、稳定性、响应时间、分辨率等指标做对比。再会“用”了解模拟接口、数字接口、总线接口的特点，掌握数据传输方式——接得上才算用得上。最后会“买”借助工控网站、电商平台与厂商官网，把理论知识与市场上容易买到的产品对应起来。六个维度的路线理解功能→熟悉场景→明确性能→掌握接口→查阅手册→对接市场。学习建议不必追求全面深入的理论知识，而应注重实践应用能力的培养；从功能、场景、性能、接口、手册与市场产品六个方面入手，可以更加高效、实用地学习传感器知识。3.2机电设备速度检测传感器测速发电机·光电式·磁电式·霍尔式测速发电机→光电测速→磁电测速→霍尔测速机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点3.2机电设备速度检测传感器·总览数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件31常用的转速传感器常用的转速传感器有：测速发电机、光电式转速传感器、霍尔测速传感器及磁电式转速传感器等。本节主要介绍测速发电机、光电式、磁电式及霍尔式转速传感器的工作原理及应用。测速发电机光电式磁电式霍尔式传感器工作原理符号含义测速发电机利用发电机原理，输出与转速成正比的电动势Cₑ电势常数；φ₀磁通；v旋转速度光电式以光电效应为基础，把光信号变成电信号N计数器所计脉冲数；Z圆盘小孔数；t测量时间（s）磁电式电磁感应发电，不需要辅助电源f脉冲频率（Hz）；Z磁轮齿数；n转速（r/min）霍尔式霍尔效应，输出数字脉冲Z齿数或磁极对数；n转速（r/min）先记住三个公式一件事：把“转得多快”变成“电压多高”或“脉冲多密”。知识要点3.2.1测速发电机：工作原理与核心公式数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件32测速发电机是什么测速发电机是利用发电机原理，用于测量机电设备旋转速度的传感器。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v旋转时，因切割磁力线，在线圈两端将产生空载感应电动势E₀。核心公式Cₑ——电势常数φ₀——磁通v——旋转速度由公式得到的关键结论输出感应电动势E₀与旋转速度v成正比，因此利用测量电压大小便可得出转速。通常测速发电机与伺服电机轴相连，可作伺服电机的速度反馈。为什么“电压就是转速”E₀与v成正比：电压的大小就是转速的大小，电压的极性就是转向的正负。记住输出电动势正比于转速——这就是测速发电机的立身之本。知识要点3.2.1测速发电机的结构与使用数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件33使用方式通常测速发电机与伺服电机轴相连，可作伺服电机的速度反馈。电磁式测速发电机分为电磁式与永磁式两种，其中电磁式定子有两组在空间互成90°的绕组。永磁式两种结构中更常用的一种。把“转速”变成“电压”意味着什么E₀=Cₑ·φ₀·v是一条线性关系：转速越高，电压越高；转速反向，电压反号。所以只要测量电压的大小与极性，就能同时得到转速的大小和方向。呼应3.1.23.1.2的第四个教材示例正是直流测速发电机：转子（电枢）作敏感元件，电枢绕组作转换元件，滤波与分压电路作转换电路。交互工具交互演示：直流测速发电机转速—电压特性数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件34工具名：直流测速发电机演示教材配套交互网页（交互网页或程序/直流测速发电机演示.html）。一句话作用：拖动滑块设定转速n与输出斜率K，直观观察“转速→电压”的正比关系与转向判别。若无法显示，可直接在教材页面打开该工具页面。在页面上可以做什么·拖动滑块设定转速n（−3000~+3000r/min）与输出斜率K。·观察电枢随n正转/反转的旋转动画。·观察电压表指针偏转与读数变化。·观察时间曲线：n、U同步起伏且同穿零点。·对比U–n特性曲线与理论直线U=K·n。·把转速设为负值：输出电压反号，体现测速发电机既能测速、又能判别转向。工程表达：U=K·n工程上转速常以n（r/min）表示，上式相应地写为U=K·n，其中K为输出斜率——即转速每变化1r/min时输出电压的变化量（V），是Cₑφ₀的工程表达。观察重点时间曲线上n与U同步起伏、同穿零点——这就是“线性正比”的直观证据；把n推到负值，U立刻反号，测速与辨向一次看完。知识要点3.2.2光电转换测速传感器与光电效应数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件35光电转换测速传感器是什么光电转换测速传感器以光电效应为基础，将光信号转化成电信号。结构简单优点①非接触优点②高可靠性优点③高精度优点④响应快优点⑤类型现象典型器件外光电效应光线照射下，电子从物体表面逸出光电管、光电倍增管内光电效应光线照射下，物体的电阻率发生改变光敏电阻光生伏特效应光线照射下，物体产生一定方向的电动势光敏二极管、光敏三极管、光电池读表三种类型的分界在“光把电子赶到了哪里”：赶出表面（外光电）、改了电阻率（内光电）、建起了电动势（光生伏特）。知识要点3.2.2光电开关的两种类型数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件36光电转换测速传感器的构成光电转换测速传感器由旋转圆盘和光电开关构成。光电开关分为两种类型。透射式（对射式）光电开关发光元件和接收元件光轴重合形成对射。当不透明物体经过时，接收元件接收不到光，从而检测是否有物体经过。反射式光电开关发光元件和接收元件光轴在同一平面且以某一角度相交于被测物体。有物体经过时接收元件接收到反射光。怎么区分这两种看发光元件与接收元件的相对位置：面对面正对、中间留给被测物体——透射式；并排安装、靠被测物体把光反射回来——反射式。测速时：对射式装在带孔圆盘边缘（见下一页公式）；反射式则把圆盘小孔用反光标签盖上即可。记忆对射式：挡光就算数；反射式：反光才算数。知识要点3.2.2转速测量原理与核心公式数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件37转速测量原理在机电设备的转轴上安装带孔的圆盘，将对射式光电开关安装在圆盘边缘。圆盘每转一周，光敏元件便输出与圆盘小孔数相等的脉冲。转速公式n——转速（r/min）N——计数器所计脉冲数Z——圆盘小孔数t——测量时间（s）读公式圆盘转一周出Z个脉冲，所以N/Z就是“转了多少圈”；再除以测量时间t得每秒转数，乘60即每分钟转速。Z越大、t越长，同样的脉冲计数对应的转速分辨力就越高。记住数脉冲个数N，除以孔数Z得圈数，再换算成“每分钟”——这就是上面那条公式在做的事。例题精讲拓展算例：光电测速公式的应用数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件38拓展算例3-1【题目】圆盘上均匀分布Z=60个小孔，用对射式光电开关测量转速；计数器在t=2s内计得N=3000个脉冲。求此时的转速n。【解析】①写出公式②代入数据③计算结论：n=1500r/min符号含义本题取值N计数器所计脉冲数3000Z圆盘小孔数60t测量时间2s应用技巧（教材）若采用反射式光电传感器测量转速，只需将圆盘小孔用反光标签盖上，即可做成反射式转速计。反向使用：若已知转速与孔数，也可由转速公式反推t秒内应计得的脉冲数。单位检查N与Z无量纲、t取秒（s），算出的n单位即为r/min。交互工具交互演示：对射式光电编码器测速与方向检测数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件39工具名：对射式光电编码器测速与方向检测教材配套交互网页（交互网页或程序/optoelectric_encoder_dynamic.html）。一句话作用：完整演示“码盘旋转→光束通断→A/B脉冲→测速与方向判断”的全过程。在页面上可以做什么·调整速度滑块，或点击正转/反转控制码盘转速。·A/B相脉冲波形按固定时间基准匀速滚动，周期宽度随转速变化。·右侧同步显示转速n、脉冲频率f、A/B状态与相位关系。·使用单步、教学慢放，或直接拖动码盘，理解A/B通道9°机械错位（90°电角度）如何实现测速与方向判别。辨向的关键：A/B通道的9°机械错位两路信号在机械上错开9°，相当于90°电角度（正交）——正是这90°的相位差给出了转向信息。观察重点先看“码盘转→光束断→出脉冲”这条因果链，再看A/B两相的先后顺序——顺序反过来，转向就反了。知识要点3.2.3磁电转换测速传感器：原理与优点数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件40传感器是什么磁电转换测速传感器利用电磁感应原理将机电设备转动速度转换成电信号。三大优点输出功率大|稳定性好|工作频率范围宽（10～1000Hz）工作原理当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使磁路中磁通量发生变化，感应线圈感应出脉冲电势。不需要辅助电源不需要辅助电源就能把运动量转换成易于测量的电信号——这正是磁电式测速的一大特点。因果链转轴旋转→齿形让气隙变化→磁通变化→感应线圈出脉冲电势。知识要点3.2.3脉冲频率公式与输出幅值数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件41脉冲频率公式f——脉冲频率（Hz）Z——磁轮齿数n——转速（r/min）由公式可知脉冲频率f与转速n成正比：数出每秒的脉冲个数，就能算出转速；反过来，已知齿数与转速，也能预估输出脉冲频率。输出脉冲电势的幅值取决于什么当传感器的感应线圈匝数、安装气隙及永磁体磁场强度一定时，输出脉冲电势的幅值仅取决于转轴转速。转速过低时，通常需对输出信号进行放大处理。延伸：磁编码器磁编码器同样利用磁场变化检测旋转，可用于转速与方向检测，其两种典型结构详见3.4.3磁编码器。知识要点3.2.3安装注意事项：气隙与对中数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件42①安装距离磁轮与传感器的安装距离应在0.5~1.2mm之间。距离太远可能造成漏磁严重，检测不到脉冲数变化。②安装方向传感器应与磁轮转轴垂直成90°，并且与磁轮中心对齐。0.5~1.2mm磁轮与传感器的安装距离垂直90°传感器与磁轮转轴垂直中心对齐传感器与磁轮中心对齐为什么气隙这么关键磁电式测速靠“气隙变化→磁通变化→感应电势”工作：气隙越大，漏磁越严重，磁通变化幅度越小，脉冲就越弱甚至检测不到——所以0.5~1.2mm不是一个可以随便放宽的尺寸。装机检查间隙量到0.5~1.2mm，传感器与转轴垂直90°，并与磁轮中心对齐——三条都做到，脉冲才稳定。例题精讲拓展算例：磁电式测速公式与工作频率范围数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件43拓展算例3-2【题目】某磁电式转速传感器的磁轮齿数Z=60，输出脉冲频率f=900Hz。求此时的转速n，并判断该频率是否落在传感器10~1000Hz的工作频率范围内。【解析】①反解②代入③900Hz落在10~1000Hz之内，该工况下传感器工作正常。④若同一传感器用于1500r/min的电机：⑤Z=60⑥Z=30符号含义本题取值f输出脉冲频率900HzZ磁轮齿数60n转速（待求）900r/min范围工作频率范围10~1000Hz选型提示工作频率范围宽（10～1000Hz）是磁电式测速的优点，但“宽”仍有上限——齿数选择要让实际脉冲频率落在范围之内。结论由频率与齿数反求转速：n=900r/min；齿数选择必须与工作频率范围一起考虑。知识要点3.2.4霍尔测速传感器：霍尔效应怎么测转速数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件44基本做法霍尔测速传感器利用霍尔效应测速：在转轴上安装带齿的钢制圆盘或N/S磁极交替排列的磁环，将霍尔元件固定在盘侧。转轴旋转时，齿顶或磁极周期性经过霍尔元件，霍尔电压随之翻转，输出与转速成正比的脉冲信号。信号处理路线带齿圆盘/磁环→霍尔元件→霍尔电压翻转→数字脉冲→计数器/控制器脉冲频率公式Z——齿数或磁极对数n——转速（r/min）为什么是“齿数或磁极对数”用带齿圆盘时Z是齿数；用N/S交替磁环时Z是磁极对数——两者都表示“转一圈经过霍尔元件多少次”。一句话霍尔电压“翻一次”就是一个脉冲，数脉冲就是数转速。知识要点3.2.4霍尔式与磁电式的比较及应用数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件45与磁电感应式测速相比霍尔测速输出为数字脉冲，便于与数字电路接口，且低速时信号幅值不衰减。伺服电机编码器典型应用汽车ABS轮速典型应用工业设备测速典型应用如何判断旋转方向若在同一圆周上布置两个错开一定角度的霍尔元件，还可通过两路信号的相位关系判断旋转方向（正交辨向原理见3.4.2光电编码器）。霍尔元件的“双重角色”霍尔元件既能检测位置/接近（见3.3.1），也能检测转速，其测量对象取决于安装方式与信号处理方式。记忆数字脉冲、低速不衰减、两路正交可辨向——这是霍尔测速的三张“名片”。课堂小结3.1~3.2知识链串讲数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件46①定义传感器感受被测量并按一定规律转换成可用信号；GB7665-87给出了国家标准定义。②三环节感知被测量→按一定规律转换→输出可用信号。③三组成敏感元件（感受）→转换元件（变电量）→转换电路（变可用电量），部分需辅助电源。④分类按工作原理/被测物理量/应用范围；按被测物理量共分七大类。⑤机电地图先问“设备要知道什么物理量”→选传感器→接控制器；掌握8个核心检测对象。⑥测速发电机E₀=Cₑ·φ₀·v，输出正比于转速，可作速度反馈；分电磁式与永磁式，常用永磁式。⑦光电测速光电效应分外光电/内光电/光生伏特；开关分透射式与反射式；转速由脉冲数、孔数与时间算得。⑧磁电与霍尔磁电式由齿数与转速算脉冲频率，气隙0.5~1.2mm、垂直90°；霍尔式数字脉冲、低速不衰减、可正交辨向。本节知识链传感器定义→三环节→三组成→分类→机电传感器地图→学习方法→测速发电机→光电测速→磁电测速→霍尔测速思考练习带着问题巩固3.1~3.2数字教材第3章·3.1传感器检测技术概述/3.2机电设备速度检测传感器配套授课课件47简答题①传感器的定义是什么？GB7665-87的定义包含哪两个核心要素？②传感器工作的三个基本环节是什么？分别由哪个部分完成？③敏感元件、转换元件、转换电路各起什么作用？为什么有的传感器还需要辅助电源？④传感器有哪三种常见分类方式？按被测物理量可分为哪七大类？⑤机电一体化设备最需要知道的8个核心检测对象是什么？⑥为什么传感器输出必须先做信号调理？常用的两种标准信号是什么？计算与分析题⑦某测速圆盘有60个小孔，计数器在1s内计得1200个脉冲，求转速。⑧磁电式测速传感器磁轮齿数Z=40，转速n=3000r/min，求输出脉冲频率。⑨上题的频率是否超出磁电式10~1000Hz的工作范围？应如何调整齿数？⑩为什么磁电式测速传感器与磁轮的安装距离要控制在0.5~1.2mm？⑪与磁电式相比霍尔测速有哪些优点？如何用霍尔元件判断旋转方向？自查标准能写出测速发电机、光电式与磁电式测速的三条核心公式并说明各符号含义；能说清“敏感元件—转换元件—转换电路”的分工；能根据被测量为机电设备选出合适的传感器。3.1~3.2传感器概述与速度检测·完先问被测量，再选传感器下一节3.3机电设备位置与接近检测霍尔位置检测·光电位置检测·电涡流式传感器·接近开关选型霍尔位置→光电位置→电涡流→接近开关选型机电系统控制原理及应用·第3章传感与检测3.1~3.2第3章·检测技术|3.3~3.4位置、接近与位移、角度检测让机器知道“有没有、在哪里、转了多少”本节知识链霍尔效应→光电位置→电涡流→接近开关选型→旋转编码器→光栅与磁栅3.3.1霍尔位置传感器|3.3.2光电位置传感器|3.3.3电涡流位置传感器|3.3.4接近开关对比与选型|3.4.1旋转编码器概述|3.4.2光电编码器|3.4.3磁编码器|3.4.4光栅式传感器|3.4.5感应同步器与磁栅机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件本节导图3.3~3.4内容与知识主线数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件02013.3.1霍尔位置传感器霍尔效应与霍尔电压U_H∝I·B/d；本质是洛仑兹力；接近开关、行程控制、汽车点火器点火开关023.3.2~3.3.4光电、电涡流与选型光电位置传感器的四种基本形式；电涡流的位移/振动/厚度测量；四类接近开关对比与选型要点033.4.1~3.4.2旋转编码器与光电编码器按原理分光电式/磁式/接触式/感应式；按输出分增量式/绝对式；光栅盘+光电检测装置043.4.3磁编码器磁编码盘式（增量脉冲）与旋转磁场式（绝对角度）；两个配套交互演示工具053.4.4~3.4.5光栅、感应同步器与磁栅莫尔条纹三大特性；直线型感应同步器；磁栅的原理、参数、应用与优势对比主线·知识链感知磁场↓光电与涡流↓编码器分类↓增量/绝对↓环境适应性学习目标学完3.3~3.4，你将能够…数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件03知识目标①说出霍尔效应与霍尔电压公式的含义②列举霍尔位置传感器的典型应用③说出光电位置传感器的四种基本形式④区分吸收式、反射式、遮光式、辐射式⑤说出电涡流传感器的三种测量应用⑥比较四类接近开关的原理与选用注意点⑦说出旋转编码器的两种分类方式⑧区分增量式与绝对式的输出与优缺点⑨说出莫尔条纹的三大特性⑩说出感应同步器与磁栅的原理和场合技能目标①能根据被测物材质与环境选接近开关②能读懂增量式编码器A/B/Z的含义③能用n=60f/N由脉冲频率算转速④能判断磁编码器两种结构的适用场合⑤能说清光栅、磁栅、感应同步器的差别素质目标①建立“按工况选传感器”的工程思维②理解精度、环境适应性与成本的权衡③养成查阅手册核对参数的规范意识④关注国产传感器与装备的发展⑤严谨测量、数据说话的职业习惯本节关键位置与接近检测回答“有没有、到没到”，多用开关量；位移与角度检测回答“走了多少、转了多少”，多用数字脉冲或编码量。3.3机电设备位置与接近检测传感器霍尔效应·光电位置·电涡流·四类接近开关对比与选型霍尔式→光电式→电涡流式→对比选型机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点3.3.1霍尔效应与霍尔电压数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件05霍尔电压公式1879年由爱德文·霍尔发现I——通过半导体片的电流B——磁感应强度d——半导体片厚度什么是霍尔效应在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压U_H，称为霍尔电压。由公式可知：电流越大、磁场越强、片子越薄，霍尔电压越大。本质：洛仑兹力使载流子偏转与积聚通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力作用下，向半导体薄片横向两侧偏转和积聚，形成霍尔电场。当霍尔电场力与洛仑兹力相等时，建立起稳定的霍尔电压——这就是霍尔元件能“感知磁场”的物理基础。记忆“通电+垂直磁场→横向电压”，三者缺一不可：没有电流就没有运动的载流子，没有垂直磁场就没有洛仑兹力，没有横向偏转与积聚就没有稳定的霍尔电压。教材图示霍尔效应原理讲解图（教材原图）数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件06霍尔效应：通电半导体在垂直磁场中产生横向霍尔电压U_H∝I·B/d教材图示读图：形成机理、方向关系与典型应用数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件07形成机理（图中六步）①电流I使载流子（如电子）沿x方向定向运动；②磁场B垂直于电流方向（沿+z方向）；③运动载流子受到洛仑兹力F_L=q(v×B)，向板的上表面偏转；④上表面聚集负电荷，下表面聚集正电荷；⑤由此产生方向向下的霍尔电场E_H，当qE_H=qv₀B时达到平衡；⑥上下表面形成稳定的电势差V_H，即为霍尔电压。图中参数I工作电流（沿x方向）；B磁感应强度（沿+z方向，垂直于板面向上）；E_H霍尔电场（沿y方向）；V_H霍尔电压（上下表面电势差）；F_L洛仑兹力；载流子为电子（−）或空穴（+）；t厚度、w宽度、L长度。方向关系（左手定则）伸开左手，使拇指、食指和中指互相垂直：·食指指向电流I的方向（+x）；·中指指向磁场B的方向（+z，向上）；·拇指指向正载流子受力方向（+y）。对于电子这类负载流子，受力方向与拇指相反。图中给出的典型应用测量磁场强度（霍尔磁强计）、电流检测（霍尔电流传感器）、位置/位移/转速检测（霍尔开关、编码器）、无刷直流电机换相。典型霍尔传感器为3引脚：①电源Vcc②输出Vout③地GND。定量形式说明式中n为载流子浓度、q为载流子电荷量、t为导体厚度；本节正文采用与之等价的简化写法U_H∝I·B/d。知识要点3.3.1霍尔位置传感器的典型应用数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件08接近开关用于自动控制装置中的位置控制、加工尺寸控制、自动计数等。行程控制机械手旋转角度由霍尔元件安装位置决定；数控机床工作台极限位置由霍尔开关精确定位。霍尔翼片开关：位置重复精度可达50nm翼片进入工作气隙时遮断磁力线，使开关变为截止态。在125°C温度范围内，位置重复精度可达50nm。重要应用：汽车点火器中的点火开关将齿轮形翼片与轴相连用于汽车点火器中作为点火开关，可得到准确点火时间，使汽油充分燃烧，既节约燃料又降低尾气污染。已在桑塔纳、克莱斯勒等众多车型中使用。知识衔接霍尔元件既能检测位置/接近，也可用于转速测量——其测速原理与应用见3.2.4霍尔测速传感器。知识要点3.3.2光电位置传感器的四种基本形式数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件09形式测量原理典型应用吸收式测量光的吸收量来检测物体存在或光学特性光谱分析、化学分析、荧光检测反射式发射光线并接收反射光来检测物体存在或位置自动化生产线上的物品检测遮光式测量光线被遮挡的时间来检测物体存在或速度门禁、自动售货机、电梯辐射式测量光线辐射能量光学测温、遥感测量四类形式的共同点四种形式都以光为媒介、都属非接触检测；区别在于“测什么”：吸收式与辐射式测光的强弱，反射式与遮光式测光的有无。选型口径测“光学特性”→吸收式；测“物体存在或位置”→反射式；测“存在或速度”→遮光式；测“辐射能量”→辐射式。知识要点3.3.2光电位置传感器的应用与器件关系数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件10价廉物美性价比高，易于大批量使用体积小便于安装到空间受限的场合性能可靠能在工业现场长期稳定工作应用广泛自动控制系统、生产流水线、安全警戒、家用电器典型应用举例价廉物美、体积小、性能可靠——广泛应用于自动控制系统、生产流水线、安全警戒和家用电器中。·检测流水线上不同产品高度·缺件剔除·工件位置检测·安全防盗报警·带材对中控制与3.2.2光电式测速的关系与3.2.2光电式测速中的光电开关属于同一类器件。用于测速时：与带孔圆盘配合输出转速脉冲；用于位置检测时：检测物体的存在、到位与计数。一种器件同一只光电开关，配上带孔圆盘就是测速传感器，对着工件就是位置传感器。知识要点3.3.3电涡流位置传感器：涡流效应数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件11工作原理电涡流式位置传感器利用涡流效应工作。当金属物体接近检测线圈时，金属物体产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。振荡与停振两种状态经检测电路转换成开关信号输出。金属接近→产生涡流→吸收振荡能量→振荡减弱/停振→检测电路→开关信号①涡流产生金属物体接近检测线圈，金属物体中产生涡流。②能量被吸收涡流吸收振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。③状态变信号两种状态经检测电路转换成开关信号。记忆“金属—涡流—吸收振荡能量—停振—开关信号”：电涡流式位置传感器既不需要发光，也不依赖磁钢，只要金属物体靠近检测线圈，就会改变振荡状态，再经检测电路转换成开关信号输出。知识要点3.3.3电涡流传感器的三大测量应用数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件12①位移测量传感器固定，被测试件水平移动；试件与传感器距离越近，感应电流越明显，由此得出位移量。②振动测量试件绕轴心转动，若转动轴不在中心点会引起振动，电涡流传感器感应电流随振动而改变。③厚度测量单探头或双探头测厚，利用电涡流效应，探头感应电流与被测金属板距离成反比。两种输出：开关量与模拟量电涡流传感器除用作接近/存在检测（开关量）外，也可连续测量位移、振动与厚度（模拟量）。相关连续测量原理与选型可结合3.4位移与角度检测传感器学习。对比记忆光电式“看得到”、霍尔式“认磁钢”、电涡流式“只认金属导体”——三类位置/接近检测器件各有一条不可替代的适用边界：先看被测对象材质，再看检测距离与工作环境。知识要点3.3.4四类接近开关对比数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件13类型工作原理检测对象主要优点选用注意点霍尔式霍尔效应（磁场变化）磁性物体（磁钢、磁环）无触点、寿命长、响应快只能检测磁性材料，对环境磁场敏感光电式光电效应（透射/反射光通断）几乎所有物体非接触、检测距离远易受粉尘、油污与强光干扰电涡流式涡流效应（金属涡流吸收能量）金属导体耐油污粉尘、抗干扰强、可测位移只能检测金属，检测距离较小电感式电磁感应（线圈电感变化）金属导体结构简单、工作可靠检测距离较小读表方法横向看一行：原理决定“能测什么对象”，对象决定“主要优点”，优点背后就是“选用注意点”。例如：霍尔式靠磁场变化工作，所以只对磁性材料敏感，也容易被环境磁场干扰。一句话没有万能的接近开关：霍尔式认磁性、光电式几乎通吃但怕脏怕光、电涡流式与电感式只认金属导体。知识要点3.3.4接近开关的选型要点数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件14①被测对象材质金属/非金属、磁性/非磁性②所需检测距离决定哪几类传感器可行，电涡流式、电感式距离较小③工作环境粉尘、油污、温度、强光光电式最易受粉尘与强光干扰④输出接口形式NPN/PNP，常开/常闭与控制器输入电路匹配（3.6.2）选型的先后顺序第一步明确被测对象材质：是金属还是非金属，是磁性还是非磁性——霍尔式只能检测磁性材料。第二步明确所需检测距离：电涡流式与电感式的检测距离较小，光电式检测距离远。第三步考虑工作环境：粉尘、油污、温度、强光——光电式易受粉尘、油污与强光干扰。第四步确定输出接口形式：NPN/PNP、常开/常闭，与控制器输入电路匹配（见3.6.2开关量接口）。选型口诀先问“测什么材质”，再问“要多远”，然后问“环境脏不脏、亮不亮”，最后问“接口配不配”；四问定下来，接近开关的选型就不会跑偏。3.4机电设备位移与角度检测传感器旋转编码器·光电编码器与磁编码器·光栅·感应同步器与磁栅旋转编码器→光电/磁→光栅→感应同步器→磁栅机电系统控制原理及应用·数字教材配套授课课件知识要点3.4.1旋转编码器概述与按原理分类数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件16什么是旋转编码器旋转编码器（又称转角编码器、码盘式编码器）是一种将转轴的角位移、角速度与旋转方向转换为数字电信号的传感器。广泛用于数控机床、伺服电机反馈、机器人关节、回转工作台与雷达等需要角度测量和速度反馈的场合。按工作原理分类光电式旋转编码器利用码盘透光/遮光与光电检测产生脉冲或编码（见3.4.2）；精度高，是应用最广的一类。磁式旋转编码器（磁编码器）利用磁极经过或旋转磁场方向检测角度（见3.4.3）；抗油污、粉尘，适应恶劣环境。接触式编码器利用电刷与码道接触输出编码；结构简单但易磨损，现多被光电式、磁式取代。感应式编码器利用感应同步/互感原理检测角度（见3.4.5感应同步器）。分类小结按原理分四类：光电式、磁式、接触式、感应式——光电式应用最广，磁式最耐受恶劣环境。知识要点3.4.1按输出信号分类：增量式与绝对式数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件17增量式编码器输出A、B、Z脉冲；通过计数得到相对位置。绝对式编码器直接输出与角度对应的二进制码或格雷码；断电不丢失位置。同一旋转编码器：既可测角度/位移，也可测转速转速公式n——转速（r/min）f——输出脉冲频率（Hz）N——每转脉冲数（每转周期数）两种输出各适合什么场合增量式：适合需要高分辨率、低成本、允许回零的场合。绝对式：适合上电即用、不能丢位、需要精确绝对定位的场合。一句话增量式数脉冲，知道“移动了多少”，但需要回零才知道“现在在哪”；绝对式读编码，知道“现在在哪”，上电就能用。知识要点3.4.2光电编码器：结构与工作原理数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件18什么是光电编码器光电编码器（又称手轮脉冲发生器，简称手轮）是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器。它是目前数控设备中应用最多的传感器之一。工作过程光栅盘同轴旋转→光源投射→亮区经窄缝到光敏元件→输出编码数字量结构组成与工作原理光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成。光栅盘与电动机同轴，电动机带动光栅盘旋转。光源将光投射在码盘上，通过亮区的光线经窄缝后由光敏元件接收。光敏元件输出信号的组合反映出按一定规律编码的数字量，代表码盘轴的角位移大小。关键“机械几何位移量→脉冲或数字量”的转换，靠的是码盘上的透光/遮光图案与光电检测装置的配合。知识要点3.4.2增量式与绝对式编码器对比数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件19特性增量式编码器绝对式编码器输出信号A、B、Z三组方波脉冲（A、B相位差90°用于辨向，Z相每转一个脉冲用于基准定位）二进制码或格雷码，直接输出数字量位置信息相对位置，掉电后丢失计数值绝对位置，断电不丢失优点原理简单、寿命长（数万小时）、抗干扰强、适合长距离传输直接读出绝对值、无累积误差、断电位置不丢失缺点无法输出绝对位置、掉电丢失计数值分辨率取决于二进制位数（10位、14位等）为什么会有这些差别增量式只提供“相对”信息：它只知道转过了多少个脉冲，所以掉电后必须重新回零。绝对式把每个位置的编码直接做在码盘上，上电读一次就能知道当前角度。代价与收益绝对式换来“断电不丢位置”，代价是分辨率受二进制位数限制，结构与成本也更高。知识要点3.4.2光电编码器的应用与器件衔接数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件20数控机床工作台与主轴的位移反馈回转台角度定位与分度伺服传动旋转位移量测量与反馈机器人·雷达关节角度与天线方位测定在伺服控制系统中的两种用法①旋转位移量的测量与反馈——为位置环提供角度信息；②电机的转速测量——由脉冲频率算出转速（n=60f/N）。与3.2.2的衔接对射式光电编码器“码盘旋转→光束通断→A/B脉冲→测速与方向判断”的交互演示见3.2.2。同一类光电器件：用于测速时与码盘配合输出脉冲，用于位置检测时输出位置编码。小结光电编码器是目前数控设备中应用最多的传感器之一：精度高、寿命长、抗干扰强、适合长距离传输。教材图示增量式与绝对式编码器对比（教材原图）数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件21增量式编码器输出A/B/Z三相差分脉冲；绝对式编码器多码道并行输出二进制位置码知识要点3.4.3磁编码器：两种典型结构数字教材第3章·3.3位置与接近检测/3.4位移与角度检测配套授课课件22磁编码器概述磁编码器利用磁场变化检测转轴角度与转速，与光电编码器相比具有抗油污、粉尘、耐振动、适应恶劣环境的特点，广泛应用于汽车、重工与风电等领域。按结构分为两种典型形式。①磁编码盘式（多磁极脉冲式）磁编码盘上N/S磁极沿圆周交替排列；固定安装的磁敏传感器（Hall/磁阻）检测磁极经过；输出A/B两路相差90°的正交脉冲（增量式）；由脉冲频率f与每