机电一体化技术(三)

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1、机电一体化技术机电一体化技术 开始开始 前页前页 后页后页 结束结束第第3章章 检测与传感系统设计技术检测与传感系统设计技术知识点：知识点：传感器的组成和分类常见传感器及其工作原理传感器的发展趋势模拟信号、数字信号的处理传感器的测量电路传感器的计算机接口开始开始 前页前页 后页后页 结束结束本章导读本章导读传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.1传感器的组成和分类传感器的组成和分类3.1.1传

2、感器的组成传感器的组成通常传感器有敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。 图3-1传感器的组成开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.2 常见传感器及其工作原理常见传感器及其工作原理3.2.1 光电编码器光电编码器编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测的传感器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1、增量式光电编码器、增量式光电编码器图3-2 增量式光电编码器开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2、绝对式光电编

3、码器、绝对式光电编码器绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。绝对式编码器能够直接给出对应于每个转角位置的二进制数码，便于计算机处理。 开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 (a) 4位二进制绝对式编码器的编码盘 (b) 4位格雷码盘示意图 图3-4 绝对式光电编码器的编码盘开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 图3-5 绝对式光电编码器的结构示意 1光源；2透镜；3编码盘；4狭缝；5光电元件开始开始 前页前页 后页后页 结束结束光电编码器的应用光电编码器的应用转速测量转速测量转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量

4、。 图3-6(a) 脉冲频率法测转速开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 图3-6（b）脉冲周期法测转速 开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.2.2光栅尺光栅尺光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器。图3-7 光栅尺的结构示意图开始开始 前页前页 后页后页 结束结束2、莫尔条纹与参数间的关系、莫尔条纹与参数间的关系光栅的莫尔条纹有如下特点：（1）起放大作用。（2）莫尔条纹的移动与栅距成正比。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束图3-8 光电元件 开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3、信号处理、信号处理光栅尺输出的信号有两种：一种是正弦波信号；一种是方波信号。光栅尺除了增量式

5、测量外，还有绝对式测量，输出二进制BCD码子或格雷码编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.2.3电阻应变计电阻应变计电阻应变计是根据应变电阻效应，将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器，广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束电阻应变计的结构电阻应变计的结构电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。图3-9 电阻

6、应变计的构造 1敏感栅；2引出线；3粘结剂（未示出）；4覆盖层；5基底开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3、应变计的类型、应变计的类型电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、 温度以及用途的不同来分类。（1）按敏感栅的制造方法分类1）金属丝式应变计开始开始 前页前页 后页后页 结束结束箔式应变计箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的，箔栅厚度一般为0.002mm0.005mm,最薄的达0.00035mm。箔式应变计，工艺上能保证敏感栅尺寸的准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好，因此得到了广泛的应用，现在已经基本上取代金属

7、丝应变计。金属薄膜应变计所谓薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图形制成的掩膜版，在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜，从而制成金属薄膜应变计。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束4、电阻应变计的应用、电阻应变计的应用电阻应变计主要有以下两种应用方式：（1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图所示。图3-11 构件应力测定的应用开始开始 前页前页

8、后页后页 结束结束（2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。 1质量块；2应变梁；3应变片；4阻尼液； 5密封圈；6接线板；7底座 图 3-12 应变式加速度传感器开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.2.4温度传感器温度传感器温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，因此也叫做热电式传感器。温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类开始开始 前页前页 后页后页 结束结束1、热电效应、热电效应热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常

9、我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应 图3-13 热电效应 开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3、热电偶的种类、热电偶的种类热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器，它在很多方面都具备一种理想温度传感器的条件。（1）标准化和非标准化热电偶标准化热电偶的工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能成批生产（2）普通型热电偶。这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸气和液体气体、蒸汽和液体介质的温度。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束 图3-14 普通型热电偶外形 （a）固定螺纹形 (b) 无固定装置形 (c) 固定法兰形 (d) 活动法兰形 (e) 角形开始开始 前页前页 后页后

10、页 结束结束（3）铠装热电偶 铠装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。 图3-15 铠装热电偶外形及结构（a）外形 (b)结构开始开始 前页前页 后页后页 结束结束4、热电偶的特点、热电偶的特点（1）温度测量范围宽（2）性能稳定、准确可靠（3）信号可以远传和记录5、热电阻传感器、热电阻传感器利用热敏电阻可以制成温度传感器。所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体，其电阻值随温度的变化而显著改变。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束6、温度传感器的应用、温度传感器的应用图3-16 热电偶检测电路 开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.2.5 霍尔效应式线位移传感器霍尔效应式线位移传感器图 3-1

11、7霍尔效应线位移传感器工作原理 图 3-18 霍尔效应线位移传感器输出特性开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.2.6 超声波传感器超声波传感器 超声波传感器用超声波来测量距离，在机器人上用来检测障碍物。其原理与蝙蝠通过感觉自己所发出的超声波来测定距离的道理相同。发射脉冲导通时，开始发射超声波。反射回来的超声波接收后，经过放大和检波得到的波形上升沿由施密特触发器提取。开始开始 前页前页 后页后页 结束结束开始开始 前页前页 后页后页 结束结束3.3检测数据的处理方法检测数据的处理方法日常生活、工业生产和科学研究中所遇到的绝大多数物理量，如温度、压力、流量、湿度等非电量都是连续变化的模拟量。