检测与传感器2

机电一体化技术
θ
电位器式角位移传感器的输 出电压Uo与角位移θ，即
Uo＝（θ /360º）×Ui
VCC GND OUT
检测与传感器
角位移传感器
2. 编码器 外观
轴式
套式

电信号
二进制编码 脉冲
机电一体化技术

检测与传感器
角位移传感器
测量方式
x＝t/360×
x
位置反馈 螺距
机电一体化技术
有一直线光栅，每毫米刻线数为 50，细分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4 =0.005mm=5m
采用细分技术，在不增加光栅刻 线数（成本）的情况下，将分辨力提 高了3倍。
检测与传感器
角位移传感器
1. 圆盘形电位器式角位移传感器
电位器式角位移传感器是 基于电阻分压比原理来进行角 度测量的。
δ
电涡流位移传感器属于非接触测 量，工作时不受灰尘等因素的影响， 可在各种恶劣条件下使用。
检测与传感器
线位移传感器
4. 电涡流位移传感器应用（1）
机电一体化技术
封口机工作间隙
注塑机开合模间隙
检测与传感器
线位移传感器
4. 电涡流位移传感器应用（2）
偏心和振动检测
机电一体化技术
冷轧板厚度测量
检测与传感器
因为在转换过程中， 压力、变形量、电阻值及 电压均成线性关系，因此， 最终压力与电压成线性对 应关系。压力转换成电压 后，经过放大等一系列处 理，由手持式显示器显示 出压力变化值。
检测与传感器
概述
机电一体化技术
传感器分类
（1）按被测量分类
位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传 感器。
感觉 神经 器官 大脑
神经 肌肉
关节
视觉 嗅觉 听觉 味觉 触觉
四肢
接口/通信
控制器
驱动器
执行 机构
接口/通信
传感器
机电一体化与人
传感器相当于人的感觉器官，控制器相当于 人的大脑，执行机构和驱动器相当于肌肉和关节， 接口及通信系统相当于人的神经系统。要使机电 一体化有效地发挥作用，必须首先借助传感器获 取外部环境和系统内部各种各样的信息。
检测与传感器
线位移传感器
机电一体化技术
2．电位器式位移传感器
电位器式位移传感器是基 于电阻分压比原理来进行位移 测量的，用于直线位移的测量， 最大行程可达500mm。
OUT（黑） VCC（棕）
GND（蓝）
VCC
电位器式位移传感器的输出电压Uo与直线位移x 成正比，即
Uo＝（x/L）×Ui
L
L为直线电阻长度。
n = 60fc /（Nm2 ） =60×106/（1024×3000）=19.53 r/min
机电一体化技术
编码器每转产 生 N 个脉冲，用已 知频率fc作为时钟， 填充到编码器输出的 两个相邻脉冲之间的 脉冲数为m2，则转速 (r/min)为：
n = 60fc / （Nm2 ）
检测与传感器
角位移传感器
机电一体化技术
测微是指测量几个微米（m） 至几个毫米（mm）位移量的变化。
衔铁在线圈中伸入长度的变化 将引起螺旋管线圈电感量的变化。 当衔铁偏离中间位置时，两个线圈 的电感量一个增加，一个减小，形 成差动形式。
对于长螺旋管，衔铁工作在螺 旋管中部一定区域时，线圈电感量 与衔铁移动的微小距离成线性关系。
（2）按测量原理分类
电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等 传感器。
很多情况下，传感器的命名是将被测量和被测原理相结合的，如电容式 加速度传感器，表示该传感器的测量对象是加速度，测量原理是电容的变化 值。
检测与传感器
线位移传感器
1.电感式测微仪
1-螺旋管式差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件

机电一体化技术
输出信号为一串脉冲，每一 个脉冲对应一个分辨角，对脉 冲进行计数N，就是对 的累加， 即，角位移 ＝N。
如： ＝0.352，脉冲N＝ 1000，则：
＝ 0.352×1000＝ 352

检测与传感器
角位移传感器
内部结构
光栏板


机电一体化技术
＝360°／条纹数
差动式电感传感器对外界影响， 如温度的变化、电源频率的变化等 基本上可以互相抵消，衔铁承受的 电磁吸力也较小，从而减小了测量 误差。
检测与传感器
线位移传感器
电感式滚柱直径分选装置
机电一体化技术
1-气缸 2-活塞 3-推杆 4-被测滚柱 5-落料管 6-电感测微器 7-钨钢测头 8-限位挡板 9-电磁翻板 10-容器（料斗）
检测与传感器
速度传感器
3.电涡流式转速传感器
若金属转轴表面有槽或齿，则可 在其旁边非接触地安装电涡流式传感 器用于转轴的转速测量，当转轴转动 时，传感器周期地改变着与转轴表面 之间的距离，于是传感器输出频率也 周期性地发生变化，可以用频率计测 量出变化的重复频率，从而测出转轴 的转速。若转轴上开有Z个槽（或 齿），频率计的读数为f（Hz），则 转轴的转速n（r/min）为
检测与传感器
概述
机电一体化技术
传感器
传感器是一种以测量为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定 关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易处 理的电量，如电压、电流、频率等。传感器由敏感元件、传感元件及测量转 换电路组成。
非电量
敏感元件 （被测量）
非电量
电参量 传感元件
6. 编码器在数控车床主轴控制中的应用
主轴编码器
机电一体化技术
检测与传感器
角位移传感器
主轴编码器用于C 轴控制
回转刀盘
主轴编码器
自驱刀头
nn
ZZ
C
C
主轴
工件 卡盘
机电一体化技术
检测与传感器
速度传感器
机电一体化技术
通常是指转速传感器。有测速发电机模拟测速、光电编码器数字测速、电
涡流测速及霍尔测速等。
检测与传感器
线位移传感器
5. 直线光栅 概 述
摩尔条纹
尺身
机电一体化技术
扫描头
可移动电缆
检测与传感器
线位移传感器
倍 频
机电一体化技术
倍频前 倍频后
倍频技术能在不增加光栅刻线数及 价格的情况下提高光栅的分辨力。细 分前，光栅的分辨力只有一个栅距的 大小。采用4倍频技术后，计数脉冲的 频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨 力提高了3倍，测量步距是原来的1/4， 较大地提高了测量精度。
机电一体化技术
检测与传感器
概述 线位移传感器 角位移传感器 速度传感器 加速度传感器 测力传感器 压力传感器 光电传感器 光纤传感器 磁感应式接近开关 温度传感器 传感器的准确选择和使用 传感器的信号采集与处理
检测与传感器
概述
机电一体化技术
检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生 活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性与定量结果的过程。
光敏元件 透光条纹 零位标志（一转脉冲） 码盘
检测与传感器
角位移传感器
辨向
机电一体化技术
A B
90 A B
光敏元件所 产生的信号A、B 彼此相差90相位， 用于辨向。当码 盘正转时，A信号 超前B信号90； 当码盘反转时，B 信号超前A信号 90。
检测与传感器
角位移传感器
辨向脉冲信号 A
检测与传感器
电感式接近开关
机电一体化技术
5. 电涡流式（电感式 ）接近开关在位置限位中的应用
Δ
检测与传感器
电感式接近开关
电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理
机电一体化技术
电感接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在 接近辨头时，表面产生涡流。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。
B
A 超前于B 90°，正向
机电一体化技术
A B
A 滞后于B 90°，反向
检测与传感器
角位移传感器
倍频

细分前
/4
4细分后Biblioteka 机电一体化技术在现有编码器的条件下， 通过细分技术能提高编码 器的分辨力。细分前，编 码器的分辨力只有一个分 辨角的大小。采用4细分技 术后，计数脉冲的频率提 高了4倍，相当于将原编码 器的分辨力提高了3倍，测 量分辨角是原来的1/4，提 高了测量精度。
由于滑动触点与导电塑料和引出轨道之间相互
接触，易磨损，所以电位器式位移传感器适用于位
移变化不是很频繁的场合。
OUT x
GND
检测与传感器
线位移传感器
3. 电涡流位移传感器
机电一体化技术
电涡流位移传感器是一种输出为 模拟量的电子器件。当金属物体接近 此感应面时，金属表面将吸取电涡流 探头中的高频振荡能量，使振荡器的 输出幅度线性地衰减，根据衰减量的 变化或振荡频率的变化，可计算出与 被检物体的距离、振动等参数。
线位移传感器
原 理
光栅指标：线/mm
如100线/mm，则栅距 W=0.01mm，若计数脉冲1000，则光 栅移动距离为0.01×1000=10mm
机电一体化技术
在透射式直线光栅中，把主光 栅与指示光栅的刻线面相对叠合在 一起，中间留有很小的间隙，并使 两者的栅线保持很小的夹角 。在两 光栅的刻线重合处，光从缝隙透过， 形成亮带；在两光栅刻线的错开处， 由于相互挡光作用而形成暗带，该 亮暗带称摩尔条纹。光栅水平方向 正反移动时，摩尔条纹上下移动。 因为摩尔条纹对栅距的放大作用， 摩尔条纹距离为L（L＞＞W），光 敏元件将摩尔条纹转换为脉冲信号。 每移动一个栅距，即产生一个脉冲 信号。
n = 60 × 65536 /（1024 × 5）=768 r/min
编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间 段内有 m1 个脉冲产 生，则转速（r/min) 为:
n = 60m1/（NT）
检测与传感器
角位移传感器
T法测速（适合于低转速场合）
编码器输 出脉冲
m2
时钟脉冲fc
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频 率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：
检测与传感器
角位移传感器
零标志
机电一体化技术
在码盘里圈，还有一条
狭缝C，每转能产生一个脉 冲，该脉冲信号又称“一转
信号”或零标志脉冲，作为
C
测量的起始基准。
一转（360） C
检测与传感器
角位移传感器
5. 增量式编码器数字测速 M法测速（适合于高转速场合）
m1
机电一体化技术
T
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在 5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为 ：
通过测量滚珠丝 杠的角位移，间接 获得工作台的直线位 移x，构成位置半闭 环伺服系统。
丝杠
螺母
检测与传感器
角位移传感器
3. 绝对式测量（ABS） 二进制编码
机电一体化技术
输出n位二进制编码，每一个 编码对应唯一的角度。
0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5
0 0 1 0 45
n=60f / Z
市售的电涡流式转速表俗称 “电感转速表”，其工作原理实质上 是电涡流效应。
机电一体化技术
检测与传感器
速度传感器
机电一体化技术
4.电涡流转速传感器用于齿轮转速测量的工程实例
B A
A B
电涡流传感器安装在齿轮端面。每转 过一个齿，传感器输出一个脉冲信号，在 设定的时间内对脉冲进行计数即可获得脉 冲频率，再根据齿轮齿数，就可获得齿轮 的转速。之所以设置A、B两个传感器， 是因为要获得齿轮是正传还是反转的信息。 A、B两个传感器的输出波形如图中所示， 从中获得如下信息：一是，A、B两路脉 冲不是对齐的，而是有先后，称为超前或 滞后，如A脉冲超前B脉冲，则表示齿轮 正转，如B脉冲超前A脉冲，则表示齿轮 反转；二是，脉冲频率与齿轮转速是相对 应的，转速越快，频率越高。
电量 测量转换电路
检测与传感器
概述
被测压力F
R
弹性敏感元件 电阻应变片
信号处理电路 电桥 U 放大
显示
机电一体化技术
在弹性敏感元件上粘 贴有一种称电阻应变片的 传感元件，该传感元件能 将变形量转换为电阻值 （电参量）的变化。应变 片电阻值的变化由电桥电 路转换成电压输出，电桥 电路即为测量转换电路。
1. 测速发电机
n
+nmax
－Un max
n
+Un max Un
－nmax
Un
检测与传感器
速度传感器
机电一体化技术
2. 增量式光电编码器数字测速
M法测速和T法测速。详见光 电编码器的内容。
n f f ∝n
PA
PB
CP
PA
鉴相
方向TTL
PB 90
方向TTL为高电平时，表示CP脉 冲为正转计数脉冲；方向TTL为低电 平时，表示CP脉冲为反转计数脉冲。
11 11 11 11 333377..55
检测与传感器
角位移传感器
分辨角
机电一体化技术
4个电刷 （导电为“1”，非导电为“0”）
4位二进制码盘
最小分辨角
＝360°／2n 当n＝4，＝360°／24＝22.5°
检测与传感器
角位移传感器
4. 增量式测量（INC） 输出信号及分辨角