机电一体化第三章

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源 于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管 及红外发射二极管。接收器有光电二极管、光电 三极管、光电池组成。在其后面是检测电路，它 能滤出有效信号和应用该信号
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输出
图3-21 透光型光电传感 器接口电路
在透光型光电传感器中， 发光器件和受光器件相 对放置，中间留有间隙。 当被测物体到达这一间 隙时，发射光被遮住， 从而接收器件（光敏元 件）便可检测出物体已 经到达。这种传感器的 接口电路如图3-21所示。
43
光栅位移传感器和光电转速传感器 主光栅
增量式 44
绝对值编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无 需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需 要知道位置，什么时候就可以去读取它的位置。这样，编 码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了
代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字 代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。
振
波
整
出
荡
电
形
电
体
电
路
电
路
路
路
21
3．光电式传感器 这种传感器具有体积小、可靠性高、检测
位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS 电路兼容等优点，它分透光型和反射型两种。
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光电传感器工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号 的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下， 有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和 检测电路。
M
U0
RL
RL
理想值
Rl2
实测值
RL>RL1>RL2
图3-14 永磁式测速机测量电路图 图3-15 直流测速机输出特性
11
直流测速机的特点是输出为线性，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。
直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。 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。测速电机输出的 模拟电压直接送到速度换比较器中用于速度控制。
量,如电压、电流、频率等。
4
本章主要内容
第一节 传感器 第二节 位移测量传感器 第三节 速度、加速度传感器 第四节 位置传感器 第五节 传感器前期信号处理 第六节 传感器接口技术 第七节 传感器非线性补偿处理 第八节 数字滤波
5
1.传感器的分类 2.传感器的特性
6
常用传感器
7
8
第三节 速度、加速度传感器
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二、接近式位置传感器
接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式、 光电式、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示 出来。
图3-19 接近式位置传感器工作原理
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1．电磁式传感器
高频振荡电路在检测部分有检测线圈，检测对象 为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电 感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停 振变化，产生输出信号。
n 60N Zt
式中Z—圆盘上的缝隙数；
n—转速（r/min）；
t—测量时间（S）。
利用两组缝隙间距W相同，位
置相差（i/2+1/4）W（i为正
整数）的指示缝隙和两个光电器
件，则可辨别出圆盘的旋转方向。
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第四节 位置传感器
位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的 不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是 否已到某一指定位置。因此，其输出信号只需要 产生能反映某种状态的开关量就可以了。
高
波
金
频
检
形
输
属
振
波
整
出
荡
电
形
电
体
电
路
电
路
路
路
18
2．电容式传感器
电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电
电容式接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、
放大电路、整形电路及输出电路组成。平时检测电
极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路
的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，
由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感
机电一体化第三章
引言
传感器在机电一体化设备中是不可缺少的组成部 分。它是整个设备的感觉器官，监视监测着整个生 产过程，用以保持最佳工作状况。闭环伺服系统中， 传感器作为反馈元件，其精度直接影响到工作机械 的精度和稳定性，因而要求传感器灵敏度高、动态 特性好、特别要求其稳定可靠、抗干扰强，且适应 不同的环境。
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反射型光电传感器发出的光经被测物体 反射后再落到检测器件上，由于是检测反射
光，所以得到的输出电流Ie较小。另外，对
于不同的物体表面，信噪比也不一样，因此， 设定限幅电平就显得非常重要。
电路结构一样，不 同点R2比透光型 要大
3-22 反射型光电传感器的应用
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光电传感器
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光电开关的应用举例
位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触 式传感器就是能获取两个物体是否已接触的信息 的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某 一范围内是否有某一物体的一种传感器。
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一、接触式位置传感器
这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构 成，它分以下两种。
1．由微动开关制成的位置传感器
它用于检测物体位置 ，有如图3-17所示的几种
-
位置控 制器
-
速度 控制
电机
传动 机构
执行 机构
速度控制环
位置控制环
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二、光电式转速传感器
光源发生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，根据测量时间t内 的脉冲数N，则可测出转速为
实际的运算放大器具有很高的开环放大倍 数（上千倍，但不是任意大） ，输入端口 有很大的输入电阻（兆欧以上，但不是无 穷大）。
Ii=0 2－
Ui=0 U2
U1
1＋
+Ucc 3
-Ucc
Uo
50
单端输入和双端输入
Ii=0 2－
Ui=0 U2
U1
1＋
+Ucc 3
-Ucc
Uo
运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两种。
检测传感器种类很多，本章在介绍传感器相关知 识的基础上，重点介绍了位移、速度、加速度以及 位置这四种类型的传感器及其后续处理接口电路。
2
传感器是借助于检测元件接收一种形式的 信息，并按一定规律将它转换成另一种信息 的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、 化学量和生物量，而且转换后的信息也是有 各种形式。
Ui=U1-U2 实际应用中，运算放大器很少开环使用，大都要加上某种反
馈电路，构成一种输入-输出运算关系。
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运算放大器的几种基本应用电路
反相放大器 差动放大器
同相放大器
电荷放大器 电流-电压转换器 比较器
电压-电流转换器
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反相放大器
i1
Ui Ua Z1
i2
Uo Ua Z2
因为ia≈0，Ua≈0，a点是虚地点，而且i1=-i2
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（4）集成式数字信号:模拟传感器+A/D转换器
智能压力网络 传感器
放大及 AD转换
数字信号
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第五节 模拟型传感器前期信号处理
被测量
模拟传
放大器
滤波
A/D
感器
计算机
传感器输出的信号往往较弱，因此必须先将其 放大。随着集成运算放大器性能的不断完善和价 格的不断下降，传感器的信号放大采用集成运算
高
波
金
频
检
形
输
属
振
波
整
出
荡
电
形
电
体
电
路
电
路
路
路
20
电感/电容式位置传感器的特点
电感式只能检测电磁材料，对非电磁材料 无能为力；而电容材料几乎能检测所有的 固体液体材料。
电容 式传 感器
高
检
频
测
震
物
荡
体
电极板
电 路
检 波 电 路
整 形 电 路
输 出 电 路
(检测头)
电磁 式传 感器
高
波
金
频
检
形
输
属
38
10. 采用电容式开关上下限控制
39
传感器的分类
按照输出信号的性质分类；可分为开关型 (二值型) 、模拟型和数字型：
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（1）开关量（0/1）：位置传感器
这种“l”和
仓
“0”数字信 号可直接传
库
送到微机进
门
行处理，使
用方便。
警 卫
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（2）模型性传感器，如电阻应变片
模拟型传感器 的输出是与输入 物理量变化相对 应的连续变化的 电量。输入与输 出可以是线性的 也可以是非线性 的。
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(3) 数字型传感器
数字型传感器有计数型和代码型两大类。
其中计数型又称脉冲数字型, 输出一般是正交脉冲信号；
传感器所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入 量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来 检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一 定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和光栅位移 传感器。
1. 材料边的控制
27
2 高度辨别
28
3. 不合格的检出
通过 透光 性
29
4. 仓库门警卫
30
5. 冲压床安全监视
31
7. 物体倒置辨别(不同反光率)
32
8. 自动注料（测距）
33
10. 进出检测
34
接近开关应用举例
1.料位的控制
35
2. 物体的定位
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6. 行程限位
37
8. 产品计数
其结构包括敏感元件、转换元件和基本转 换电路。
3
传感器的组成
0 输C 出
0
（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数 学关系（最好为线性），如弹性敏感元件将力转换为 位移或应变输出。
（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成
（3）基本转换电路：将电气参量转换成便于测量的电
放大器的越来越多。
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一、 运算放大器基本电路
理想运算放大器如图示 ：
输入端1是同相输入端，输入端2是反相输入端， 3是输出端。在输入端口内，输入端1和输入端2 之间存在的电阻称为输入电阻。
理想运算放大器有两个最重要的性质，即输入电 阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。
Ii=0 2－
+Ucc
Ui=0 U2
10
直流测速机的输出特性曲线，如图3-15所示。从
图中可以看出，当负载电阻RL→∞时，其输出电 压V。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。
I0
RL
RL1
U1
1＋
3
-Ucc
Uo
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理想运算放大器的特性
因输入电阻值无穷大，所以经输入端1和输入端2的电流无穷 小，进而输入端1和输入端2之间没有电压降。因此，对于理 想运算放大器，有以下三个关系同时成立。
在输入一侧考虑电流关系时，反相输入端与同相输入端之
间是“虚断”的，图中用叉表示。进入或流出理想运算放 大器两个输入端的电流总是为零。
应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检
测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容
C=Q/V，所以电荷的增多，使电容C随之增大，
从而有使振荡电路的
振荡减弱，甚至停止
振荡。振荡电路的振
荡与停振这两种状态
被检测电路转换为开
关信号后向外输出。
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电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电 极与被测物一接近，检测部分的导体电极与被测 对象之间产生静电电容变化。利用这一现象制成 电容式接近开关，检测出这一电容量的变化，产 生输出信号。
一、直流测速机
直流测速机是一种测
电刷
N
速元件，实际上它就是一
台微型的直流发电机。根
－
据电机磁极激磁方式的不 U
同。直流测速机可分为电
＋
S
磁式和永磁式两种。以电
枢的结构不同来分，有无 槽电枢、有槽电枢、空心
换向片
杯电枢和圆盘电枢等。近
年来，又出现了永磁式直
线测速机。常用的为永磁
式测速机。
9
图3-14所示为永磁式测 速机原理电路图。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。
构造和分布形式。
1维
2维
图3-17 微动开关制成的位置传感器
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2．二维矩阵式配置的位置传感器
如图3-18所示，它一般用于机器人手掌内侧。 在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以 检测自身与某物体的接触位置，被握物体的中心 位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。
图3-18 二维百度文库阵式配置的位置传感器
在输入一侧考虑电压关系时，反相输入端与同相输入端之
间是“虚通”的，图中用虚线表示。理想运算放大器的两 个输入端之间电压总是为零。
在输出一侧，输出电压Uo可以是电源电压范围内的任何有
限值。
Ii=0
2－
+Ucc
Ui=0 U2
U1
1＋
3
-Ucc
Uo
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实际运算放大器的特性
理想运算放大器是实际运算放大器的模型。
在单端输入的情况下，总是一端接输入信号，而另一端接地 （或通过电阻接地）。当信号从1端输入时，输出信号与输 入信号同相，称同相输入；而当信号从2端输入时，输出信 号与输入信号反相，称反相输入。
在双端输入（也称为差动输入）的情况下，输入信号U1和 U2同时加在同相端1和反相端2上，它的输入是同相输入端 电压与反相输入端电压之差。