1、第第4 4章章 传感检测技术传感检测技术机电一体化技术机电一体化技术4.2 4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器 位移传感器分为线位移传感器和角位移传感器两类，分别用于线位移传感器分为线位移传感器和角位移传感器两类，分别用于线位移测量和角位移测量。位移测量和角位移测量。常用位移传感器有电容式传感器、电感式传感器、感应同步器、常用位移传感器有电容式传感器、电感式传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器、光电编码器和旋转变压器等。其中，光电光栅传感器、磁栅传感器、光电编码器和旋转变压器等。其中，光电编码器和旋转变压器只能测量角位移。编码器和旋转变压器只能测量角位移。4
2、.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器1、位移、位置传感器、位移、位置传感器位移传感器位移传感器2 与位移传感器不同，位置传感器用于检测被测对象是否达到或接与位移传感器不同，位置传感器用于检测被测对象是否达到或接近某一位置，其输出信号为开关量。近某一位置，其输出信号为开关量。根据被测对象与测量元件接触与否，位置传感器分为接触式和非根据被测对象与测量元件接触与否，位置传感器分为接触式和非接触式两类。接触式两类。接触式位置传感器主要以限位开关为代表；非接触式位置传感器接触式位置传感器主要以限位开关为代表；非接触式位置传感器即接近开关，主要有光电开关和接近开关。即接近开关，主
3、要有光电开关和接近开关。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器位置传感器位置传感器3（1）光电开关光电开关光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，判断检测物体的有无。被检测物体不限于金属，判断检测物体的有无。被检测物体不限于金属，任何能够反射或遮挡光束的物体均可以被检测。任何能够反射或遮挡光束的物体均可以被检测。光电开关根据结构特点可以分为光电开关根据结构特点可以分为对射式对射式、镜反射镜反射式式、漫反射式漫反射式、槽式槽式和和光纤式光纤式。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器41)对射式光电开关
4、对射式光电开关对射式光电开关的发射器和接收器独立封装在各自的壳体中，发射器和对射式光电开关的发射器和接收器独立封装在各自的壳体中，发射器和接收器同轴对向安装。工作时，发射器发出光束，接收器检测接收光束接收器同轴对向安装。工作时，发射器发出光束，接收器检测接收光束强度，当被测物体经过发射器与接收器之间且阻断光束的情况下产生一强度，当被测物体经过发射器与接收器之间且阻断光束的情况下产生一个开关信号。个开关信号。适用范围：适用范围：对射式光电开关适用于大距离、不透明物体的检测。对射式光电开关适用于大距离、不透明物体的检测。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器52)2)镜反
5、射式光电开关镜反射式光电开关镜反射式光电开关的发时器和接收器集成在同一壳体内，光电开关轴向方镜反射式光电开关的发时器和接收器集成在同一壳体内，光电开关轴向方向安装专用反射能，发射器的及出光策被反明镜反射回接收器，当被测物向安装专用反射能，发射器的及出光策被反明镜反射回接收器，当被测物体遮挡光来时产生一个开关信号。体遮挡光来时产生一个开关信号。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器63)3)漫反射式光电开关漫反射式光电开关漫反射式光电开关的发射器和接收器集成在同一壳体内，无漫反射式光电开关的发射器和接收器集成在同一壳体内，无需专用反射镜，但对被测物体表面的反光率具有较高
6、要求。需专用反射镜，但对被测物体表面的反光率具有较高要求。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器74)4)槽式光电开关槽式光电开关槽式光电开关通常采用槽式光电开关通常采用U型结构，发射器和接收器分别安装于型结构，发射器和接收器分别安装于U型槽的两边，并在型槽的两边，并在(型槽内部形成具有一定宽度的光束幅。当型槽内部形成具有一定宽度的光束幅。当被测物体经过并遮挡光束幅时产生一个开关信号。被测物体经过并遮挡光束幅时产生一个开关信号。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器85)5)光纤式光电开关光纤式光电开关用途：用途：光纤式光电开关是一种特殊的光
7、电开关，通过光纤传输光信号可光纤式光电开关是一种特殊的光电开关，通过光纤传输光信号可实现长距离大型物体检测，可以在油污环境或水实现长距离大型物体检测，可以在油污环境或水(液体液体)环境下进行环境下进行检测，还可以对黑橡胶等低反射率物体进行检测。检测，还可以对黑橡胶等低反射率物体进行检测。分类：分类：光纤头根据结构特点可以分为反射型和对射型两种。实际的光纤光纤头根据结构特点可以分为反射型和对射型两种。实际的光纤式光电开关由光纤放大器和光纤头两部分组成。不同的工况下，式光电开关由光纤放大器和光纤头两部分组成。不同的工况下，可选用不同的光纤头。可选用不同的光纤头。优点：优点：由于光纤传输的是光信号，
8、因此传感器具有良好的抗噪能力。由于光纤传输的是光信号，因此传感器具有良好的抗噪能力。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器9（2 2）光电编码器光电编码器 光电编码器是一种光学式角度光电编码器是一种光学式角度-数字检测传感器数字检测传感器,将将机械角位移转换为数字信号，具有高精度、高分辨率和机械角位移转换为数字信号，具有高精度、高分辨率和高可靠性的特点，广泛应用于数控机床、回转台、伺服高可靠性的特点，广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、雷达、机器人等需要角位移测量的装置和设备中传动、雷达、机器人等需要角位移测量的装置和设备中。光电编码器主要由光源、码盘、光电检测装置
9、、测光电编码器主要由光源、码盘、光电检测装置、测量电路等部分组成。根据码盘的刻便方法与输出信号形量电路等部分组成。根据码盘的刻便方法与输出信号形式，光电编码器分为增量式式，光电编码器分为增量式光电式编码器光电式编码器和和绝对式光电绝对式光电编码器编码器两类。两类。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器101)1)增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器的码盘沿圆周方向均匀分布增量式光电编码器的码盘沿圆周方向均匀分布n条狭缝条狭缝(对应增量式对应增量式光电编码的角度分辨率光电编码的角度分辨率)，每转过一个狭缝产生一个电脉冲。在转速，每转过一个狭缝产生一个电脉冲。
10、在转速测量中，请能式光电编码器与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘测量中，请能式光电编码器与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转。经光电二极管等电子元件组成的检测接收装置与电动机同速旋转。经光电二极管等电子元件组成的检测接收装置输出得到转速、角度信号脉冲序列，其原理如图输出得到转速、角度信号脉冲序列，其原理如图4.9所示。所示。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器11 1)增量式光电编码器增量式光电编码器 增量式光电旋转编码器具有增量式光电旋转编码器具有A、B和和Z三路脉冲信号输出。三路脉冲信号输出。A、B脉冲脉冲序列相位差为序列相位差为90，从而可方便地
11、判断出旋转方向。同时还有用作，从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的参考零位的Z相标志相标志(指示指示)脉冲信号，编码器的码盘每旋转一周，只脉冲信号，编码器的码盘每旋转一周，只发出一个标志脉冲信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累发出一个标志脉冲信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零，故增量式编码器适用于正反向旋转场合。量清零，故增量式编码器适用于正反向旋转场合。增量式光电旋转编码器具有成本低、精度高、结构简单、寿命长、增量式光电旋转编码器具有成本低、精度高、结构简单、寿命长、抗干扰能力强、可靠性高的特点，但增量式光电编码器无法输出转抗干扰能力强、可靠性高的特点，但增
12、量式光电编码器无法输出转动时的绝对位置信息。动时的绝对位置信息。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器122)绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器码盘由按照二进制规则排列的一系列透明区和不绝对式光电编码器码盘由按照二进制规则排列的一系列透明区和不透明区构成透明区构成(透明区域用透明区域用1表示，不透明区域用表示，不透明区域用0表示表示)，故可直接输，故可直接输出数字量。绝对式光电编码器中码盘的透明区和不透明区均匀分布出数字量。绝对式光电编码器中码盘的透明区和不透明区均匀分布在若干个相邻的圆周在若干个相邻的圆周(即码道即码道)上。其中，码道的数目为编码器二进
13、上。其中，码道的数目为编码器二进制数的位数。显然，码道越多，分辨率越高。为保证低位码的精度制数的位数。显然，码道越多，分辨率越高。为保证低位码的精度，将内侧码道作为编码器的高位，外侧码道作为编码器的低位。，将内侧码道作为编码器的高位，外侧码道作为编码器的低位。以以4位绝对式光电编位绝对式光电编码器为例，其结构如码器为例，其结构如图图4.10所示。所示。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器132)绝对式光电编码器绝对式光电编码器 绝对式光电编码器每一条码道对应有一个光电元件。当码盘转动绝对式光电编码器每一条码道对应有一个光电元件。当码盘转动到装一位置时，对应的光电元件
14、根据感光情况将光信号转换为电到装一位置时，对应的光电元件根据感光情况将光信号转换为电信号，输出数字编码信息。信号，输出数字编码信息。绝对式光电编码密无需计数器就能够直接获取每个转角的数字信绝对式光电编码密无需计数器就能够直接获取每个转角的数字信息，在断电后也能实持转轴的转角信息，重新上电后无需寻找参息，在断电后也能实持转轴的转角信息，重新上电后无需寻找参考零点即可继续工作。但转动超过一周时，么须采用减速机构连考零点即可继续工作。但转动超过一周时，么须采用减速机构连接两个以上的编码器组成多级检测装置，导致测量装置结构较为接两个以上的编码器组成多级检测装置，导致测量装置结构较为复杂，成本较高。复杂
15、，成本较高。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器144.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器153)光电编码器的应用光电编码器的应用转速测量转速测量4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器164.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器17（3 3）光栅传感器光栅传感器光栅传感器是指采用光栅莫尔条纹现象测量位移的高精度传感器，光栅传感器是指采用光栅莫尔条纹现象测量位移的高精度传感器，如图如图4.12所示。光栅是在玻璃或金属基体上密集等间距平行的刻线，所示。光栅是在玻璃或金属基体上密集等间距平行的刻线
16、，刻线密度刻线密度(每毫米长度上的刻线数每毫米长度上的刻线数)通常为通常为4线线/mm、25线线/mm、50线线/mm、100线线/mm、200线线/mm和和250线线/mm等。由于光栅形成的等。由于光栅形成的叠栅条纹具有光学放大和误差平均效应，使其具有测量精度高叠栅条纹具有光学放大和误差平均效应，使其具有测量精度高(可可达达1 m)、响应快、量程大、响应快、量程大(一般为一般为12 m，连续使用时可达，连续使用时可达10 m)、易于实现数字输出等特点。、易于实现数字输出等特点。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器181）光栅的种类和结构）光栅的种类和结构根据制造方
17、法和光学原理，光栅分为透射光栅和反根据制造方法和光学原理，光栅分为透射光栅和反射光栅。射光栅。透射光栅在玻璃表面上等间距制成透明和不透明的透射光栅在玻璃表面上等间距制成透明和不透明的线纹，利用光的透射现象进行检测；反射光栅在金线纹，利用光的透射现象进行检测；反射光栅在金属表面上等间距制成全反射和漫反射的线纹，利用属表面上等间距制成全反射和漫反射的线纹，利用光的反射现象进行检测。根据光栅形状特征，分为光的反射现象进行检测。根据光栅形状特征，分为用于线位移测量的光栅尺用于线位移测量的光栅尺(又称长光栅或直线光栅又称长光栅或直线光栅)和角位移测量的圆光栅。光栅传感器主要由主光栅和角位移测量的圆光栅。
18、光栅传感器主要由主光栅(标尺光栅标尺光栅)、指示光栅、光源、透镜和光电元件组、指示光栅、光源、透镜和光电元件组成，如图成，如图4.13所示。所示。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器192）光栅传感器的测量原理）光栅传感器的测量原理光栅传感器测量是基于主光栅和指示光栅之间的莫尔条纹现象实现光栅传感器测量是基于主光栅和指示光栅之间的莫尔条纹现象实现的。主光栅与指示光栅以极小的间隙平行重叠放置，并使两者刻线的。主光栅与指示光栅以极小的间隙平行重叠放置，并使两者刻线保持一个微小的夹角保持一个微小的夹角。由于光的干涉效应，在与两光栅刻线角平分。由于光的干涉效应，在与两光栅刻
19、线角平分线垂直方向上形成明暗相间的平行条纹，即莫尔条纹，如下图所示。线垂直方向上形成明暗相间的平行条纹，即莫尔条纹，如下图所示。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器20(4-3)4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器21莫尔条纹具有的特点：莫尔条纹具有的特点：(3)莫尔条纹具有误差平均效应。莫尔条纹是由光栅的一系莫尔条纹具有误差平均效应。莫尔条纹是由光栅的一系列刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，极大地削弱列刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，极大地削弱了刻线误差所引起的局部和短周期误差影响。了刻线误差所引起的局部和短周期误差影响。
20、4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器22（4 4）磁栅传感器磁栅传感器原理：原理：磁栅传感器是利用电磁感应原理将静态位置或动态磁栅传感器是利用电磁感应原理将静态位置或动态位移转换成数字量输出，应用数字信号处理电路进行信息位移转换成数字量输出，应用数字信号处理电路进行信息处理的数字式传感器，处理的数字式传感器，适用范围：适用范围：主要用于大型机床的定位反馈或位移量的测量主要用于大型机床的定位反馈或位移量的测量装置。相对于光栅，磁栅具有结构简单、测量范围大装置。相对于光栅，磁栅具有结构简单、测量范围大(120 m)、成本低、磁信号可以重新录制等特点，但安装中需、成本低、
21、磁信号可以重新录制等特点，但安装中需要进行防尘和屏蔽处理。要进行防尘和屏蔽处理。分类：分类：根据磁栅形状特征，磁栅传感器分为用于线位移测根据磁栅形状特征，磁栅传感器分为用于线位移测量的长磁栅传感器和用于角位移测量的圆磁栅传感器。量的长磁栅传感器和用于角位移测量的圆磁栅传感器。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器231）磁栅传感器的结构）磁栅传感器的结构磁栅传感器主要由磁栅磁栅传感器主要由磁栅(磁尺磁尺)、磁头和检测电路等组成。磁栅是指、磁头和检测电路等组成。磁栅是指在非导磁的基体上均匀涂覆、化学沉积或电镀一层磁性薄膜，并采在非导磁的基体上均匀涂覆、化学沉积或电镀一层
22、磁性薄膜，并采用录磁的方法将节距的周期变化信号用录磁的方法将节距的周期变化信号(正弦波或锯齿波正弦波或锯齿波)记录在磁尺记录在磁尺上，形成等间距的磁信号。磁头负责检测磁栅上的磁信号并将其转上，形成等间距的磁信号。磁头负责检测磁栅上的磁信号并将其转换为电信号。检测电路进一步将磁头检测的电信号转换为数字脉冲换为电信号。检测电路进一步将磁头检测的电信号转换为数字脉冲信号，送入后续的显示装置、信号处理装置或控制装置。信号，送入后续的显示装置、信号处理装置或控制装置。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器242）磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的工作原理破栅传感器检测中，磁头读取
23、磁栅上的磁信号实现磁破栅传感器检测中，磁头读取磁栅上的磁信号实现磁-电转电转换。根据信号读取方式的类型，融头分为动态磁头和静态换。根据信号读取方式的类型，融头分为动态磁头和静态磁头。动态磁头磁头。动态磁头(又称为速度响应式磁头又称为速度响应式磁头)是一种非调制式码是一种非调制式码头，其结构中只有一组线圈。当动态磁头与磁栅之间以一头，其结构中只有一组线圈。当动态磁头与磁栅之间以一定的速度相对运动时，根据电破感应原理，动态磁头的输定的速度相对运动时，根据电破感应原理，动态磁头的输出绕组线圈产生相应的感应电动势，其值与相对运动速度出绕组线圈产生相应的感应电动势，其值与相对运动速度成正比，故该类型磁斗
24、仪适用于连续匀速测量，不适用于成正比，故该类型磁斗仪适用于连续匀速测量，不适用于静态位移测量。静态位移测量。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器254.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器262）磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的工作原理由式由式(4-4)可知，输出信号的频率为励磁电源频率的可知，输出信号的频率为励磁电源频率的2倍，其倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦(或余弦或余弦)关系。关系。由于输出信号和磁头与磁尺的相对运动速度无关，故静态由于输出信号和磁头与磁尺的相对运动速度无关，故静态磁头
25、可以实现静态位移测量。为了实现测向功能，磁头必磁头可以实现静态位移测量。为了实现测向功能，磁头必须成对安装，且磁头间距为须成对安装，且磁头间距为(n1/4)W。因此，两个磁头可。因此，两个磁头可输出两个相位相差输出两个相位相差90的正交信号，并可根据两个正交信的正交信号，并可根据两个正交信号的超前或滞后判定移动方向。号的超前或滞后判定移动方向。静态磁头的信号处理方式分为鉴幅法和鉴相法。静态磁头的信号处理方式分为鉴幅法和鉴相法。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器272）磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的工作原理鉴幅法是利用输出信号幅值大小判定磁头位移量的处理方法。两个
26、鉴幅法是利用输出信号幅值大小判定磁头位移量的处理方法。两个磁头相距磁头相距(n1/4)W安装，且输入相位相同的激励信号，则两磁头输安装，且输入相位相同的激励信号，则两磁头输出信号为出信号为(4-5)sin()coscos()cosxeUtWxeUtW1m2m2222 4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器282）磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的工作原理经包络检波滤除高频载波后，则有经包络检波滤除高频载波后，则有(4-6)sin()cos()xEUWxEUW1m2m22 4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器29(4-7)(4-8)sin()c
27、oscos()cos()xeUtWxeUtW1m2m222245 4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器304.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器31机电一体化系统中，速度的测量有机电一体化系统中，速度的测量有线速度测量线速度测量和和转速测量转速测量两类，其两类，其测量可采用速度传感器直接测量或利用位移、加速度等物理量计算求测量可采用速度传感器直接测量或利用位移、加速度等物理量计算求出。出。加速度既可作为速度、位移的计算基准，也是振动、冲击和状态监加速度既可作为速度、位移的计算基准，也是振动、冲击和状态监测重要指标，其值可由加速度传感器直接获
28、取。测重要指标，其值可由加速度传感器直接获取。工程中常采用直流测速发电机、光电编码器、加速度传感器等传感工程中常采用直流测速发电机、光电编码器、加速度传感器等传感器测量速度、加速度。器测量速度、加速度。2 2、速度、加速度传感器、速度、加速度传感器4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器32直流测速发电机直流测速发电机可将机械转速转换成直流电压信号，其输出电压与可将机械转速转换成直流电压信号，其输出电压与输入转速成正比。按照定子主磁极的励磁方式分为输入转速成正比。按照定子主磁极的励磁方式分为电磁式电磁式和和永磁式永磁式。（1 1）、直流测速发电机）、直流测速发电机测量转
29、速测量转速定子励磁方式定子励磁方式特点特点应用应用直流电源产生磁场易受励磁电源、环境等影响，输出电压易波动应用有限矫顽力高的永磁磁钢受温度影响较小，输出电压稳定，线性误差小应用广泛4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器33（1 1）、直流测速发电机）、直流测速发电机测量转速测量转速电磁式直流测速发电机原理图电磁式直流测速发电机原理图永磁式直流测速发电机原理图永磁式直流测速发电机原理图永磁式直流测速发电机实物图永磁式直流测速发电机实物图4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器34（1 1）、直流测速发电机）、直流测速发电机测量转速测量转速 永磁式
30、直流测速发电机永磁式直流测速发电机的测量原理：恒定磁场内，的测量原理：恒定磁场内，旋转的电枢导体切割磁通产旋转的电枢导体切割磁通产生感应电动势，经换向器和生感应电动势，经换向器和电刷转换为直流输出信号。电刷转换为直流输出信号。空载时（即负载电阻空载时（即负载电阻RL=），电机的输出电压与转速），电机的输出电压与转速成正比；随着负载电阻成正比；随着负载电阻RL降降低，输出特性斜率变小。低，输出特性斜率变小。OUnLR L 1R，L 2R，L 2L 2RR，实线虚线理想特性实测特性直流测速发电机特性曲线4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器35（1 1）、直流测速发电机）
31、、直流测速发电机测量转速测量转速机电一体化系统中，对直流测速发电机的选用要求：机电一体化系统中，对直流测速发电机的选用要求：直流测速发电机输出特性的线性区域广；直流测速发电机输出特性的线性区域广；直流测速发电机输出特性的斜率大；直流测速发电机输出特性的斜率大；直流测速发电机输出特性对温度变化不敏感；直流测速发电机输出特性对温度变化不敏感；直流测速发电机输出电压的纹波小；直流测速发电机输出电压的纹波小；直流测速发电机正、反转的输出特性一致。直流测速发电机正、反转的输出特性一致。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器36用途用途加速度传感器用于测量物体受到各种外力（包括重
32、力）所产生的加速度传感器用于测量物体受到各种外力（包括重力）所产生的加速度。加速度。工作原理工作原理根据牛顿第二定律，即惯性质量受加速度所产生的惯性力导致的根据牛顿第二定律，即惯性质量受加速度所产生的惯性力导致的各种物理效应，进一步转换为电信号，间接地测量被测物体的加速度。各种物理效应，进一步转换为电信号，间接地测量被测物体的加速度。适用范围适用范围通常可适应于各种形式的加速度测量通常可适应于各种形式的加速度测量从静止到缓慢移动再到从静止到缓慢移动再到强冲击和振动。强冲击和振动。（2 2）、加速度传感器）、加速度传感器4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器371 1）
33、加速度传感器的分类）加速度传感器的分类根据敏感元件的不同，加速度传感器分为电容式、应变式、压电式等。根据敏感元件的不同，加速度传感器分为电容式、应变式、压电式等。电容式加速度传感器电容式加速度传感器 电容式加速度传感器本质是基于改电容式加速度传感器本质是基于改变电容极距的传感器，具有微型化、精变电容极距的传感器，具有微型化、精度高、成本低、可靠性高等特点。度高、成本低、可靠性高等特点。+rAACdd 0 0dA4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器38 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 由于电容式加速度传感器中极板的由于电容式加速度传感器中极板的最大位移为最大位移
34、为20 m，为提高精度，克服，为提高精度，克服漂移和干扰的影响，通常采用差动式结漂移和干扰的影响，通常采用差动式结构构，如右图所示。如右图所示。差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器 两个定极板和一个可动质量块形成两个定极板和一个可动质量块形成两个电容器两个电容器C1和和C2，上下极板接入相位上下极板接入相位差差180的正弦信号。的正弦信号。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器39 电容式加速度传感器电容式加速度传感器当上下极板处于平衡位置时当上下极板处于平衡位置时差动式电容加速度传感器差动式电容加速度传感器CC 1212，输出信号，输出信号outU 0 0当
35、质量块向下移动当质量块向下移动d 时时CC 1212，输出信号，输出信号outU 0 04.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器40 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 传感器安装在被测物体上，当传感器安装在被测物体上，当被测物体运动加速度为被测物体运动加速度为a，传感器，传感器质量块产生惯性力质量块产生惯性力F=ma。惯性力作用下板簧变形，粘惯性力作用下板簧变形，粘在板簧根部（此处灵敏度最高）在板簧根部（此处灵敏度最高）的电阻应变片亦产生相应变形；的电阻应变片亦产生相应变形；通过应变电桥测量应变获得加速通过应变电桥测量应变获得加速度值。度值。ma质量块质量块电阻应变
36、片电阻应变片板板簧簧硅硅油油外外壳壳 壳体内注有阻尼液，低频特性好。该传感器性价比高，广泛应用在振壳体内注有阻尼液，低频特性好。该传感器性价比高，广泛应用在振动测量领域。动测量领域。应变片式加速度传感器原理图应变片式加速度传感器原理图4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器41 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 工作原理：工作原理：利用压电效应将机械能直接转换为电能测量物体加速度，利用压电效应将机械能直接转换为电能测量物体加速度，输出信号为电荷输出信号为电荷。特点：特点：工作频率范围大，输出线性度高，噪音抑制能力强，工作环境工作频率范围大，输出线性度高，噪音抑制能力
37、强，工作环境温度适应性好。温度适应性好。压电晶体材料压电晶体材料：以压电陶瓷为主，常采用钛酸钡、锆钛酸钡和偏铌酸以压电陶瓷为主，常采用钛酸钡、锆钛酸钡和偏铌酸铅等。铅等。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器42 压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电晶体在传感器中安装方式压电晶体在传感器中安装方式（a a）压紧连接）压紧连接（b b）柔性连接）柔性连接（c c）剪切连接）剪切连接4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器43 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 根据加速度测量的方向，压电式加速度传感器分为根据加速度测量的方向，压电式加速度传
38、感器分为单轴加速度传感单轴加速度传感器器和和三轴加速度传感器三轴加速度传感器。单轴仅能实现一个轴向加速度的测量，三轴可。单轴仅能实现一个轴向加速度的测量，三轴可实现实现x x、y y、z z三个轴向加速度的测量。三个轴向加速度的测量。单轴加速度传感器实物单轴加速度传感器实物三轴加速度传感器实物三轴加速度传感器实物4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器442 2）加速度传感器应用实例加速度传感器应用实例 压电式加速度传感器常压电式加速度传感器常应用于滚动轴承状态检测和应用于滚动轴承状态检测和故障诊断。轴承故障诊断测故障诊断。轴承故障诊断测试中，加速度传感器安装在试中，加
39、速度传感器安装在轴承负荷区不同位置，以监轴承负荷区不同位置，以监测轴承系统的振动响应的特测轴承系统的振动响应的特征。征。轴承运行的加速度信号轴承运行的加速度信号（a a）正常）正常（b b）故障）故障4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器45（1）概述）概述3.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器 力和扭矩是机电一体化系统中十分常见且非常重要的一类参量。力和扭矩是机电一体化系统中十分常见且非常重要的一类参量。实现力实现力(扭矩扭矩)测量的力测量的力(扭矩扭矩)传感器在动力设备、工程机械、各类传感器在动力设备、工程机械、各类工业母机和工业自动化装置中广泛应用。根据力工业母机
40、和工业自动化装置中广泛应用。根据力(扭矩扭矩)传感器的测传感器的测量原理可分为电阻应变式、电感式、电容式、压电式、位移式等。量原理可分为电阻应变式、电感式、电容式、压电式、位移式等。其中电阻应变式力其中电阻应变式力(扭矩扭矩)传感器以其测量范围大、结构简单、性价传感器以其测量范围大、结构简单、性价比高等特点应用最为广泛。比高等特点应用最为广泛。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器46（2）力传感器）力传感器3.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器 电阻应变式力传感器工作原理是电阻应变式力传感器工作原理是:当力施当力施加在弹性元件上，弹性元件发生变形，同时加在弹性元件上，
41、弹性元件发生变形，同时粘贴在弹性元件上的电阻应变片将应变转换粘贴在弹性元件上的电阻应变片将应变转换为电阻值输出，经电桥转化为电压或电流输为电阻值输出，经电桥转化为电压或电流输出。应变片作为该类传感器的敏感元件，是出。应变片作为该类传感器的敏感元件，是由敏感栅、基片由敏感栅、基片(基底基底)、覆盖层、覆盖层(盖片盖片)和引和引线等部分组成的，如图所示。线等部分组成的，如图所示。(a)(a)结构结构(b)(b)实物实物4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器47（2）力传感器）力传感器3.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器 根据测量和精度要求，电阻应变式力传感器具有多种规格根
42、据测量和精度要求，电阻应变式力传感器具有多种规格类型，不同规格类型之间主要区别在于弹性元件的结构和应变类型，不同规格类型之间主要区别在于弹性元件的结构和应变片的粘贴位置。常见电阻应变式力传感器的弹性元件结构有柱片的粘贴位置。常见电阻应变式力传感器的弹性元件结构有柱式、梁式、环式、轮辐式等。式、梁式、环式、轮辐式等。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器483.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（2）力传感器）力传感器 柱式或筒式力传感器柱式或筒式力传感器(a)(a)柱式柱式(b)(b)筒式筒式 柱式或筒式弹性元件结构简单可承柱式或筒式弹性元件结构简单可承受较大的拉受较大
43、的拉(压压)力，主要用于中等及大力，主要用于中等及大载荷的拉载荷的拉(压压)力传感器中，但该类传感力传感器中，但该类传感器结构高度大，抗偏心载荷和偏向能器结构高度大，抗偏心载荷和偏向能力差。柱式或筒式力传感器应变片分力差。柱式或筒式力传感器应变片分布及桥接电路如图所示。应变片粘贴布及桥接电路如图所示。应变片粘贴在弹性元件外壁应力分布均匀的中间在弹性元件外壁应力分布均匀的中间部分，且对称粘贴多组。部分，且对称粘贴多组。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器493.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（2）力传感器）力传感器 柱式或筒式力传感器柱式或筒式力传感器(c)(c)圆
44、柱面展开图圆柱面展开图(d)(d)桥接电路图桥接电路图 应变片桥接时应尽量减少载荷偏心与弯应变片桥接时应尽量减少载荷偏心与弯矩的影响，矩的影响，R1与与R3串接且置于桥路对壁上。串接且置于桥路对壁上。应变片应变片R5R8横向粘贴，为温度补偿片。当横向粘贴，为温度补偿片。当弹性元件受到压力弹性元件受到压力F时，弹性元件产生的应时，弹性元件产生的应变为变为:AEF 式中，A为弹性元件截面积，单位为m2；E为弹性元件材料的弹性模量，单位为MPa。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器503.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（2）力传感器）力传感器 梁式力传感器梁式力传感器(
45、a)(a)原理图原理图(b)(b)实物实物 梁式力传感器是一种低外形、高精度、抗偏及抗侧性梁式力传感器是一种低外形、高精度、抗偏及抗侧性能优越的力传感器，其采用弹性梁及电阻应变片作为敏能优越的力传感器，其采用弹性梁及电阻应变片作为敏感元件。当垂直压力或拉力作用在弹性梁上时，应变片感元件。当垂直压力或拉力作用在弹性梁上时，应变片随金属弹性梁一起变形，利用电桥输出与压力或拉力成随金属弹性梁一起变形，利用电桥输出与压力或拉力成正比的电压信号。梁式力传感器测量范围广，最小可测正比的电压信号。梁式力传感器测量范围广，最小可测几十克重，最大可达几十吨，且测量精度可达几十克重，最大可达几十吨，且测量精度可达
46、0.002%FS，广泛应用于质量测量领域，如右图所示的电子秤。广泛应用于质量测量领域，如右图所示的电子秤。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器513.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（2）力传感器）力传感器 梁式力传感器梁式力传感器(a)(a)等截面梁等截面梁(b)(b)等强度梁等强度梁 梁式力传感器弹性梁分为等截面梁和等强度梁两种，梁式力传感器弹性梁分为等截面梁和等强度梁两种，如右图所示。如右图所示。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器523.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（2）力传感器）力传感器 梁式力传感器梁式力传感器-等截面梁等
47、截面梁 等截面梁的横截面处处相等，在靠近梁固定端上、下表明沿梁的长度方向等截面梁的横截面处处相等，在靠近梁固定端上、下表明沿梁的长度方向分别贴上分别贴上R1、R4和和R2、R3(下表面下表面)。当梁的自由端受到压力。当梁的自由端受到压力F时，固定端处的时，固定端处的应变最大，应变片粘贴处的应变为应变最大，应变片粘贴处的应变为:026Flbh E 自由端受到压力自由端受到压力F,若应变片若应变片R1、R4受到拉力，则受到拉力，则R2、R3将受到压力，两将受到压力，两者应变相等，但极性相反，由他们组成差动全桥，则电桥的灵敏度为单臂者应变相等，但极性相反，由他们组成差动全桥，则电桥的灵敏度为单臂工作
48、时的工作时的4倍。倍。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器533.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（2）力传感器）力传感器 梁式力传感器梁式力传感器-等强度梁等强度梁 等强度梁的横截面面积沿长度方向按一定规律变化，当自由端受到等强度梁的横截面面积沿长度方向按一定规律变化，当自由端受到压力压力F作用时，距作用点任何距离截面上的应力相等，故应变片沿长度作用时，距作用点任何距离截面上的应力相等，故应变片沿长度方向的粘贴位置要求不严格。等强度梁应变片粘贴处的应变为方向的粘贴位置要求不严格。等强度梁应变片粘贴处的应变为:26Flbh E4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电
49、一体化系统中常用的传感器543.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（3）扭矩传感器）扭矩传感器(a)(a)旋转扭矩传感器旋转扭矩传感器(b)(b)反作用扭矩传感器反作用扭矩传感器 扭矩是使物体发生转动效应或扭转变形的力矩，等扭矩是使物体发生转动效应或扭转变形的力矩，等于力和力臂的乘积。在机电一体化系统中于力和力臂的乘积。在机电一体化系统中,为监测电机、为监测电机、风机、齿轮箱等旋转装置的运行状态风机、齿轮箱等旋转装置的运行状态,对其扭矩的测量对其扭矩的测量必不可少必不可少,通常以转轴扭转应变通常以转轴扭转应变(或应力或应力)或转轴两横截或转轴两横截面之间的相对扭转角的测量为基础而计算求出。根据面
50、之间的相对扭转角的测量为基础而计算求出。根据转动形式转动形式,扭矩传感器分为旋转扭矩传感器和反作用扭扭矩传感器分为旋转扭矩传感器和反作用扭矩传感器矩传感器,如图所示。根据测量原理如图所示。根据测量原理,扭矩传感器分为扭矩传感器分为应变式、磁电式、光电式、压电式等。应变式、磁电式、光电式、压电式等。4.2 机电一体化系统中常用的传感器机电一体化系统中常用的传感器553.3.力、扭矩传感器力、扭矩传感器（3）扭矩传感器）扭矩传感器应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器 应变式扭矩传感器在转轴上粘贴应变片组成测量电应变式扭矩传感器在转轴上粘贴应变片组成测量电桥，当转轴受扭矩产生微小变形后，应变电桥将变形桥
