第三章-传感器检测及其接口电路课件.ppt

1、第三章第三章 传感器检测及其接传感器检测及其接口电路口电路 2n第一节第一节 传感器传感器n第二节第二节 位移测量传感器位移测量传感器 n第三节第三节 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n第四节第四节 位置传感器位置传感器n第五节第五节 传感器前期信号处理传感器前期信号处理n第六节第六节 传感器接口技术传感器接口技术n第七节第七节 传感器非线性补偿原理传感器非线性补偿原理n第八节第八节 数字滤波数字滤波第三章第三章 传感器检测及其接口电路传感器检测及其接口电路 第一节第一节 传感器传感器一、一、检测系统的组成检测系统的组成 1 1、传感器、传感器 功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又

2、称功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称为为一次仪表一次仪表。传感器相当于人的五官部分（传感器相当于人的五官部分（“电五官电五官”）2 2、电信号处理系统、电信号处理系统 功能：对转换后的电信号进行测量功能：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，通常被转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表称为二次仪表。非电量检测系统的结构形式如图非电量检测系统的结构形式如图3-13-1所示。所示。图图 3-1 非电量检测系统的结构形式非电量检测系统的结构形式 光、声、位 移、压 力、磁 等非 电 量信 号转 换 成电 信 号模 拟电 信

3、号传 输、运 算放 大切 换、存 储处 理电 信 号数 字转 换 成电 信 号驱 动 光、声、位 移、文 字 等被 测 物 理 量传 感 器以 计 算 机 为 中 心 的 电 信 号 处 理 系 统执 行 设 备一、一、检测系统的组成检测系统的组成 二、二、传感器的基本概念与特性传感器的基本概念与特性 （一）（一）传感器的基本概念：传感器的基本概念：1 1、传感器的构成、传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和基本转换电路基本转换电路三三部分组成，如图部分组成，如图3-23-2所示。所示。敏 感元 件转 换元 件基 本 转 换电 路电 量被 测 量图图3-2

4、 传感器的组成框图传感器的组成框图 （1 1）敏感元件敏感元件:是一种能够将被测量转换成易于测量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的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关其输入、输出间具有确定的数学关系（理想的关系系（理想的关系线性）。线性）。如称重传感器中的如称重传感器中的弹性元件弹性元件，将力转换为弹性变形输，将力转换为弹性变形输出。出。（2 2）转换元件转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3 3）基本转换电路基本转换电路：将电信号量转换成便于测量

5、的电：将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。量，如电压、电流、频率等。1 1、传感器的构成、传感器的构成 2 2、传感器的分类、传感器的分类 n 按输入量分：按输入量分：n 位移、速度、加速度、压力、温度等位移、速度、加速度、压力、温度等n 按工作原理分：按工作原理分：应变式、压电式、磁电式、霍尔式等应变式、压电式、磁电式、霍尔式等n 按能量转换分：按能量转换分：有源型、无源型有源型、无源型n 按输出的信号分：按输出的信号分：计数型（二次型计数型（二次型+计数型）计数型）电压、电流型（热电偶电压、电流型（热电偶,光电池）光电池）电感、电容型（可变电容）电感、电容型（可变电容）有

6、接点型（微动开关，接触开关，有接点型（微动开关，接触开关，行程开关）行程开关）传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型非电量型二值型二值型电量电量无接点型（光电开关，接近开关）无接点型（光电开关，接近开关）模拟型模拟型数字型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）（二）传感器的基本特性（二）传感器的基本特性 1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要传感器静态特性的主

7、要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。(1)(1)线性度线性度 通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标定通常希望输出与输入特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，与理论直线有偏差。线性，与理论直线有偏差。图图3-3 传感器的线性度示意图传感器的线性度示意图 yFS21max0 xFS1实际曲线2理想曲线yx 传感器的线性度传感器的线性度是指传感器实际输出是指传感器实际输出输入特性曲输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。线与理

8、论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 式中：式中：L线性度线性度(非线性误差非线性误差)；max最大非线性绝对误差；最大非线性绝对误差；yFS 输出满度值。输出满度值。%100maxFSLy（3-1）线性度可用下式计算：线性度可用下式计算：1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 对于线性传感器来说对于线性传感器来说,它的灵敏度它的灵敏度S S0 0是个常数。是个常数。xyS输入量的变化量输出量的变化量0(3-2)（2 2）灵敏度。）灵敏度。传感器在静态标准条件下传感器在静态标准条件下,输出变输出变化对输入变化的比值称为灵敏度化对输入变化的比值称为

9、灵敏度,用用S0表示表示,即即 1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 (3)(3)迟滞性迟滞性 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出输入特性曲线的不重合程度称为迟滞，程中，输出输入特性曲线的不重合程度称为迟滞，迟滞性误差一般以满量程输出迟滞性误差一般以满量程输出yFSFS的百分数表示的百分数表示：%100FSmHyH式中:Hm输出值在正、反行程间的最大差值。1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 n 迟滞性一般由实验方法确定，如图迟滞性一般由实验方法确定，如图3-43-4所示。所示。图图3-4 迟滞特性迟滞特性 yFSHm0

10、xFSyx 1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 (4)(4)重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出作全量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲输入曲线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即程输出的百分数表示，即100%FSmyRR式中式中:Rm最大重复性误差。最大重复性误差。1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 图4-5 重复特性yFS0 xFSxRm1yRm2 1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 （5 5）分辨力

11、）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。输入零点附近的分辨力称为阈值。（6 6）零漂）零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。1 1、传感器的静态特性、传感器的静态特性 2 2、传感器的动态特性、传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性特性是指传感器测量动态信号

12、时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调节时间、频率响应范围、临界频率等。时间、调节时间、频率响应范围、临界频率等。1 1、新型传感器的开发、新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有

13、新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向 2 2、传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是器，或是同一功能的多个敏感元件同一功能的多个敏感元件排列成线性、面排列成线性、面型的阵列型传感器；或是型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件多种不同功能

14、的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或是传感器与或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路放大、运算、温度补偿等电路集成一集成一体具有多种功能。体具有多种功能。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向3 3、传感器的智能化、传感器的智能化 “电五官电五官”与与“电脑电脑”的相结合，就是传感器的的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应诊断、自校准、自适应等功能

15、。如进一步将传感器等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于与计算机的这些功能集成于同一芯片同一芯片上，就成为智上，就成为智能传感器。能传感器。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向4 4、传感器的网络化、传感器的网络化 主要表现为两个方面：主要表现为两个方面：n 一是为了解决现场总线的多样性问题，一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准。）标准。n 二是以二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展。无线传感器网络技术得以迅速发展。n 信息的短

16、距离无线传输方式：数传模块，蓝牙信息的短距离无线传输方式：数传模块，蓝牙三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向23n 快速、准确、可靠、经济快速、准确、可靠、经济的获取信号是对的获取信号是对传感器的基本要求。传感器的选择所要考虑的传感器的基本要求。传感器的选择所要考虑的问题主要包括：问题主要包括：n1）足够的量程；）足够的量程；n2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；n3）精度适当、稳定性高；）精度适当、稳定性高；n4）反应速度快、工作可靠；）反应速度快、工作可靠；n5）实用性和适应性强；）实用性和适应性强；n6）使用经济；）使用经济；四、传感器的选用

17、原则四、传感器的选用原则第二节第二节 位移测量传感器位移测量传感器 目前广泛采用电容式、电感式、应变片式、目前广泛采用电容式、电感式、应变片式、及及数字式传感器数字式传感器（光栅、感应同步器及光电编（光栅、感应同步器及光电编码器）码器）来进行位移或力的测量。来进行位移或力的测量。一、电阻应变效应：一、电阻应变效应：金属或半导体材料的电金属或半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而变化的现象。阻值随它承受的机械变形大小而变化的现象。slR式中：式中：l导体长度；导体长度；s截面积；截面积；电阻率。电阻率。二、应变式传感器的特点：二、应变式传感器的特点：n 1 1、结构简单，尺寸小，重量轻，使用

18、方便，、结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠。性能稳定可靠。n 2 2、分辨率高，能测出极微小的应变。、分辨率高，能测出极微小的应变。n 3 3、灵敏度高，测量范围大，测量速度快，、灵敏度高，测量范围大，测量速度快，适合动静态测量。适合动静态测量。n 4 4、价格较便宜，工艺较成熟，可以测量多、价格较便宜，工艺较成熟，可以测量多种物理量，如力、压力、位移、速度、加速度种物理量，如力、压力、位移、速度、加速度等。等。三、敏感元件三、敏感元件应变片应变片 组成：组成：1 1、敏感栅：、敏感栅：康铜或其它合金丝绕成康铜或其它合金丝绕成 2 2、覆盖层、基底：、覆盖层、基底：绝缘材料，用于

19、固定和绝缘材料，用于固定和保护敏感栅保护敏感栅 3 3、引线：引线：通常为镀银或锡的铜丝通常为镀银或锡的铜丝1、敏感栅；2、覆盖层；3、引线；4、基底四、弹性元件四、弹性元件功能：功能：将传感器所受的拉（压）力将传感器所受的拉（压）力 机械变形机械变形 1 1、柱式弹性元件、柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉拉(压压)力传感器。力传感器。n 2 2、悬臂梁式弹性元件、

20、悬臂梁式弹性元件 其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、牛顿到几千牛顿的拉、压力。压力。R3R1bR1(R3)R2(R4)lhp五、转换电路五、转换电路n 通过通过直流电桥直流电桥将应变将应变片的电阻变化转换为电压片的电阻变化转换为电压输出。输出。n 直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件（桥压（桥压USC0，U0=0）：）：n 温度补偿：温度补偿：应变片 六、多个传感器的连接方式六、多个传感器的连接

21、方式n单独连接：单独连接：n串联连接：串联连接：n并联连接：并联连接：输出灵敏度：输出灵敏度：在额定负载下，单位供桥电压（在额定负载下，单位供桥电压（V）所对应的输出电压所对应的输出电压mV，mV/V七、传感器的主要参数七、传感器的主要参数31 2 数字式位移传感器数字式位移传感器数字式位移传感器主要有：数字式位移传感器主要有：一、光栅一、光栅 二、感应同步器二、感应同步器 三、光电编码器三、光电编码器 32 光栅由光栅由标尺光栅标尺光栅和和指示光栅指示光栅组成，两组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多，者的光刻密度相同，但体长相差很多，其结构如图其结构如图3-9所示。所示。一、光栅一、光栅

22、 图图3-9 光栅测量原理光栅测量原理 1 1透射式光栅传感器透射式光栅传感器342 2反射式光栅传感器反射式光栅传感器35图图3-10 莫尔条纹示意图莫尔条纹示意图一、光栅一、光栅 莫尔条纹是沿着与光栅条纹几乎成垂莫尔条纹是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的，如图直的方向排列的，如图3-10所示。所示。莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 光栅的光栅的栅距栅距P莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度W WP/（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度）夹角，弧度）莫尔条纹莫尔条纹演示演示莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用举例光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光

23、栅，每毫米刻线数为50，主光栅与，主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 =1.8，则：，则：分辨力分辨力 =栅距栅距P=1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）W P/=0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）=0.02mm/0.0314=0.637mm 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍：由于由于W较大，因此可以用小面积的较大，因此可以用小面积的光电池光电池“观察观察”莫尔条纹光强的莫尔条纹光强的变化。变化。39光栅莫尔条纹的特点是起放大作用光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用用W表示条纹宽

24、度，表示条纹宽度，P表示栅距，表示栅距，表示光表示光栅条纹间的夹角栅条纹间的夹角,则有则有若若P0.01mm，把莫尔条纹的宽度调，把莫尔条纹的宽度调成成10mm，则放大倍数相当于，则放大倍数相当于1000倍，即倍，即利用光的干涉现象把光栅间距放大利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍，因而大大减轻了电子线路的负担。倍，因而大大减轻了电子线路的负担。PW 40图图3-17 光栅测量系统光栅测量系统差 动放 大 器差 动放 大 器整 形 器整 形 器方向判别门电路可逆计数器正 向脉 冲反 向脉 冲控 制回 路光 电 池 组abcd4W标 尺 光 栅聚 光 镜光 源指 示 光 栅一、光栅一、光栅

25、图为利用图为利用光栅传感光栅传感器直接测器直接测量数控机量数控机床工作台床工作台位移量的位移量的现场照片现场照片工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向 安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部43二、感应同步器二、感应同步器 感应同步器是一种应用电磁感应原感应同步器是一种应用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种检测元件，有直线式和圆盘信号的一种检测元件，有直线式和圆盘式

26、两种，分别用作检测直线位移和转角。式两种，分别用作检测直线位移和转角。44滑尺表面刻有两个绕组滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和即正弦绕组和余弦绕组，见图余弦绕组，见图3-18。图图3-18 感应同步器原理图感应同步器原理图1/4W定尺滑尺cossin二、感应同步器二、感应同步器45圆盘式感应同步器如图圆盘式感应同步器如图3-19所示所示,其转子相其转子相当于直线感应同步器的滑尺当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。节距。图图3-19 圆盘式感应同步器圆盘式感应同步器（a）定子；定子；（b）转子转子二、感

27、应同步器二、感应同步器46（1）鉴相式。鉴相式。所谓鉴相式，就是根据感应电势的相所谓鉴相式，就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。位来鉴别位移量。即即uA=Umsint，uB=Umcost时，则定时，则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图激磁电压同频率的交变感应电势。图3-13说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。对位置的关系。感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式47图图3-13 滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系定尺绕组12345ABABA

28、BABABeA12043510eB2345滑尺绕组位置定尺感应电势变化情况仅对 A绕组激磁仅对 B绕组激磁48滑尺在定尺上每滑动一个节距滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组定尺绕组感应电势就变化了一个周期，即感应电势就变化了一个周期，即 eA=KuAcos （3-26）式中式中:K滑尺和定尺的电磁耦合系数；滑尺和定尺的电磁耦合系数；滑尺和定尺相对位移的折算角。滑尺和定尺相对位移的折算角。若绕组的节距为若绕组的节距为W，相对位移为，相对位移为l，则，则 360Wl感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式49同样，当仅对正弦绕组同样，当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压施加交流激磁电压UB时，定尺绕组

29、感应电势为时，定尺绕组感应电势为e B=-KuB sin （3-27）对滑尺上两个绕组同时加激磁电压，则定尺绕对滑尺上两个绕组同时加激磁电压，则定尺绕组上所感应的总电势为组上所感应的总电势为 e=eA+eB=KuA cos-KuBsin =KUm sint cos-KUm costsin =KUm sin(t-)（3-28）感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式50上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移尺的位移l的变化转成感应电势相角的变化转成感应电势相角的变化。的变化。因此，只要测得相角因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相，就可以知道滑尺的相对位

30、移对位移l：（3-29）Wl360感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式51（2）鉴幅式）鉴幅式 在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同，在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同，但幅值不同的交流激磁电压但幅值不同的交流激磁电压uA和和uB。uA=Umsin1sint （3-30）uB=Umcos1 sint （3-31）式中式中:1指令位移角。指令位移角。设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为，则定尺绕组上的感应电势为则定尺绕组上的感应电势为e=KuA cos-KuB sin=KUm(sin1cos-cos1sin)sint =KUm sin(1-)si

31、nt感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式三、光电编码器三、光电编码器n用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。的电信号的转换部件。1 1光源光源 2 2柱面镜柱面镜 3 3码盘码盘 4 4狭缝狭缝 5 5光电元件光电元件 n根据输出的不同，光电码盘可以分为：根据输出的不同，光电码盘可以分为：n绝对式码盘：绝对式码盘：每个位置对应一个确定的数字码，每个位置对应一个确定的数字码，输出为一串二进制的编码；输出为一串二进制的编码；n增量式码盘：增量式码盘：将位移转换成周期性的电信号，将位移转换成周期性的电信号，再转变成计数脉冲

32、，用脉冲的个数表示位移的再转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。大小。三、光电编码器三、光电编码器光电码盘实物图光电码盘实物图 绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V+5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 采用编码器间采用编码器间接测量工作台位移。接测量工作台位移。测量到的回转运动测量到的回转运动参数仅仅是中间值，参数仅仅是中间值，但可由这中间值再但可由这中间值再推算出与之关联的推算出与之关联的移动部件的直线位移动部件的直线位移。间接测量须使移。间接测量须使用丝杠用丝杠-螺母、齿螺母、

33、齿轮轮-齿条等传动机齿条等传动机构。构。工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器进给电机进给电机 x57作业作业1、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？的莫尔条纹最主要的作用是什么？2、已知光电脉冲编码器的周脉冲数、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在在t=10s的时间内测轴的脉冲数的时间内测轴的脉冲数N=6000，则，则光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转速是多少？速是多少？第三节第三节 速度、加速度传感器速度、加速度传感器本节介绍的主要内容：本节介绍的主要内容：n一、磁电式转

34、速传感器一、磁电式转速传感器n二、测速发电机二、测速发电机n三、舌簧开关三、舌簧开关n四、接近开关四、接近开关n五、霍尔开关五、霍尔开关n六、转速传感器的测量电路原理六、转速传感器的测量电路原理一、变磁阻式（磁电式）一、变磁阻式（磁电式）1 1、特点：、特点：又称为又称为变磁通式传感器变磁通式传感器。传传感器采用电磁感应的原理来达感器采用电磁感应的原理来达到测速目的，具有到测速目的，具有输出信号大，输出信号大，不需要放大，抗干扰性能好，不需要放大，抗干扰性能好，不需外接电源，可在烟雾、油不需外接电源，可在烟雾、油气、水气、煤气等恶劣环境中气、水气、煤气等恶劣环境中使用使用等特点。等特点。齿轮材

35、料：应采用导磁率强齿轮材料：应采用导磁率强的金属材料。的金属材料。2 2、结构组成及工作原理、结构组成及工作原理1-1-永久磁铁；永久磁铁；2-2-铁芯；铁芯；3-3-感应线圈；感应线圈；4-4-齿轮齿轮 磁电式转速传感器的结构示意图磁电式转速传感器的结构示意图（1 1）结构组成结构组成（2 2）工作原理）工作原理 使用时在被测量转速的轴上装一齿轮，将传感器安装在支架上，调使用时在被测量转速的轴上装一齿轮，将传感器安装在支架上，调整传感器与齿轮顶之间隙为整传感器与齿轮顶之间隙为1mm左右。当轴旋转带动齿轮旋转时，由于左右。当轴旋转带动齿轮旋转时，由于齿轮的齿顶与铁芯端部的间隙发生变化，造成磁路

36、中的齿轮的齿顶与铁芯端部的间隙发生变化，造成磁路中的磁阻发生变化磁阻发生变化，每，每转过一个齿，在传感器内部线圈的两端就产生一个脉冲（正弦）信号，轴转过一个齿，在传感器内部线圈的两端就产生一个脉冲（正弦）信号，轴转动一圈时就产生转动一圈时就产生Z个电压脉冲信号，根据下式就可计算出转速：个电压脉冲信号，根据下式就可计算出转速：n(F/Z)60 式中：式中：n被测轴转速，被测轴转速，rmin；F脉冲频率，脉冲频率，Hz；Z齿轮齿数。齿轮齿数。3 3、传感器的、传感器的正确使用正确使用1、输入导线、输入导线 2、航空插头、航空插头 3、锁紧螺母、锁紧螺母4、同定支架、同定支架 5、磁电传感器、磁电传

37、感器 6、199内任意个内任意个齿齿 7、被测轴、被测轴 R：2025mm T：10.5mm 齿轮材料要求：各种导磁钢铁材料均可。齿轮材料要求：各种导磁钢铁材料均可。模数：模数：2以上即可。以上即可。齿数：齿数：l99齿任意。齿任意。（1 1）注意安装间隙；）注意安装间隙；（2 2）注意传感器端部）注意传感器端部的清洁；的清洁；（3 3）在被测轴跳动较在被测轴跳动较大时，应注意适当放大间大时，应注意适当放大间隙，避免损坏。隙，避免损坏。常 用 频 率 范 围：常 用 频 率 范 围：025KHz。航空插头航空插头 5、磁电式转速传感器技术参数（、磁电式转速传感器技术参数（S-CZ型）：型）：（

38、1）齿轮模数：）齿轮模数：2 4 齿宽：大于齿宽：大于 5mm （2）直流电阻：）直流电阻：20015(25)（3）工作温度：）工作温度：-10+120 （4）抗）抗 振振 动：动：20g （5）螺纹规格：）螺纹规格：16传感器（传感器（M161）（6）重）重 量：约量：约120g （7）安装间隙：）安装间隙：15mm （8）转速与输出电压关系（传感器与齿轮间隙为）转速与输出电压关系（传感器与齿轮间隙为0.8mm,60齿，传感器输出电压为峰峰值）：齿，传感器输出电压为峰峰值）：4 4、信号整形：、信号整形：将传感器输出的交流信号转变成直流方波将传感器输出的交流信号转变成直流方波脉冲信号。通常用

39、运放实现。脉冲信号。通常用运放实现。1 1、分类、分类 交流：同步、异步交流：同步、异步 直流：电磁式、永磁式直流：电磁式、永磁式 2 2、结构原理、结构原理 测速发电机的结构有多种，但原测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。右图所示为理基本相同。右图所示为永磁式测速永磁式测速发电机发电机原理电路图。恒定磁通由定子原理电路图。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，经换向器绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。和电刷转换成正比的直流电势。二、测速发电机二、测速发电机 3 3、特性曲线、特性曲线 直流测速机的输

40、出特性曲线如图所示。直流测速机的输出特性曲线如图所示。直流测速机的输出特性直流测速机的输出特性 4 4、测速电机的特点、测速电机的特点 线性度好，灵敏度高，输出信号大，性能稳定，但由线性度好，灵敏度高，输出信号大，性能稳定，但由于电刷和换向器的存在，构造较复杂，维护不方便，摩擦于电刷和换向器的存在，构造较复杂，维护不方便，摩擦阻力矩也较大。一般测量范围为阻力矩也较大。一般测量范围为2020400400r/min。5 5、测速电机的应用、测速电机的应用 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速直流测速发电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，尽可能和校正元

41、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把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。速发电机。典型应用：典型应用：沥青混凝土搅拌站沥青混凝土搅拌站冷料供给装置（见图）冷料供给装置（见图）的的电磁调速电机电磁调速电机，用于转速反馈。，用于转速反馈。沥青混凝土搅拌站结构组成沥青混凝土搅拌站结构组成冷料供给部分冷料供给部分带测速电机的电磁调速电机带测速电机的电磁调速电机电磁调速电机结构组成电磁调速电机结构组成DEC系列电磁调速电机控制器系列电磁调速电机控制器 TKZ-1、TKZ-2系列调速系列调速 电动机控制组合装置电动机控制组合装置 与

42、电磁调速电机配套的控制器与电磁调速电机配套的控制器电磁调速电机的工作原理电磁调速电机的工作原理三、舌簧开关三、舌簧开关1 1、概述、概述 又称又称干簧管干簧管(reed switch)，是一种由磁场控是一种由磁场控制的开关，一种能感知磁制的开关，一种能感知磁场的开关型传感器。场的开关型传感器。特点特点：动作轻巧，吸：动作轻巧，吸合、释放时间短，体积小，合、释放时间短，体积小，重量轻，便于安装使用，重量轻，便于安装使用，价格低。价格低。（1 1）组成：组成：1）常开触点）常开触点 2）簧片（导磁、导电）簧片（导磁、导电）3）玻璃管，玻璃管内抽空）玻璃管，玻璃管内抽空或充入惰性气体。或充入惰性气体

43、。（2 2）工作原理）工作原理 当磁铁移近舌簧开关时，当磁铁移近舌簧开关时，簧片被磁化，触点闭合。簧片被磁化，触点闭合。3 3、干簧管的应用：、干簧管的应用：（1 1）干干簧继电器簧继电器 组成：干簧管，线圈组成：干簧管，线圈 应用：电源的过载保护应用：电源的过载保护干簧继电器干簧继电器（2 2）转速检测）转速检测:（3 3）其他应用：）其他应用：液位测量：液位测量：车身高度测量：车身高度测量：运动位置测量：运动位置测量：舌簧液位传感器四、接近开关四、接近开关1 1、概述、概述 接近开关接近开关(Proximity Switch)又称接近又称接近传感器，传感器，是一种无需与运动部件进行机械是一

44、种无需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关。接触而可以操作的位置开关。当金属当金属/非非金属检测体接近开关的感应区域时，开关金属检测体接近开关的感应区域时，开关就能迅速发出电气指令，准确反应出运动就能迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程机构的位置和行程。接近开关是一种开关型传感器，它即接近开关是一种开关型传感器，它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，传感性能，且具有且具有工作可靠、工作可靠、性能稳定、性能稳定、使用寿命长、重复定位精度高、动作速度使用寿命长、重复定位精度高、动作速度快、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振快、无机械磨

45、损、无火花、无噪音、抗振能力及能力及抗干扰能力抗干扰能力强强等特点。等特点。接近开关是一种理想的电子开接近开关是一种理想的电子开关量传感器。即使用于一般的行程关量传感器。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般劣环境的适用能力，是一般机械式机械式行程开关（见右图）行程开关（见右图）所不能相比的。所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为统中可作为限位、计数、限位、计数、

46、测速、测速、定定位控制和自动保护环节位控制和自动保护环节。机械式行程开关机械式行程开关四、接近开关四、接近开关2 2、接近开关的主要功能、接近开关的主要功能 （1 1）检验位置）检验位置 检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。（2 2

47、）尺寸控制）尺寸控制 金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。积。（3 3）检测物体存在）检测物体存在 检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。（4 4）转速与速度控制）转速与速度控制 控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。冲发生器一起控制转速和转数。（5 5）计数及控制）计数及控制 检测生产

48、线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。计量；零部件计数。（6 6）检测异常）检测异常 检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。2 2、接近开关的主要功能、接近开关的主要功能 （7 7）计量控制）计量控制 产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表的指针范产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表

49、的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。控制，水平面控制。2 2、接近开关的主要功能、接近开关的主要功能3 3、接近开关分类、接近开关分类（1）按工作原理：）按工作原理：电磁感应式：用以检测导磁或不导磁金属电磁感应式：用以检测导磁或不导磁金属 电容式：用以检测各种导电或不导电的液体或固体电容式：用以检测各种导电或不导电的液体或固体 磁性式：用以检测带磁性的物体磁性式：用以检测带磁性的物体 光电式：用以检测所有不

50、透光物质光电式：用以检测所有不透光物质 超声波式：用以检测不透过超声波的物质超声波式：用以检测不透过超声波的物质（2）按供电方式分：）按供电方式分：直流型和交流型直流型和交流型（3）按输出型式分：）按输出型式分：直流两线制、三线制和四线制；交流两线制和三线直流两线制、三线制和四线制；交流两线制和三线制。制。直流三线式接近开关的输出型有直流三线式接近开关的输出型有NPN和和PNP两种。两种。4 4、接近开关的原理、接近开关的原理 （1 1）电感式（）电感式（涡流式涡流式）接近开关由接近开关由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。等组成。振荡器中的检测线圈