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单元三机电一体化传感检测技术A教学目标B引言3.1传感器组成与分类3.2典型常用传感器3.3传感器的选择方法3.4传感器数据采集及其与计算机接口小结A教学目标1.掌握传感器组成及工作原理2.熟悉传感器的分类3.掌握常用传感器在工业中的应用4.掌握开关量、数字量、模拟量传感器输出信号处理方法下一页返回B引言人类为了进一步认识和改造自然,依靠自身的感觉器官显得很不够用。于是,一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生,从而出现了各种用途的传感器。随着电子设备水平不断提高以及功能不断加强,传感器也越来越显得重要。一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。随着武器装备和国防科技的发展，对传感器的配套需求不断增加，对传感器的技术水平和质量提出了更高的要求，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术,传感器技术已成为高新技术竞争的核心技术之一,并且发展十分迅速。从市场来看，力、压力、加速度、物位、温度、湿度、水分等传感器应用更为广泛。上一页下一页返回3.1传感器组成与分类传感器(sensor)是能够检测出自然界中的各种物理量(或者化学量)，并转换成相应非电量或电量的装置，又称为变送器、换能器或探测器。目前，传感器在所有领域的工业制品中已经是不可缺少的重要部件。在机电一体化系统中，被测量主要指各种物理量。机电一体化中涉及的重要物理量主要有:位置(位移)、速度、加速度、角度、转速，以及温度、湿度、光量、电量、流量、磁场、AE、超声波、红外线等。上一页下一页返回3.1传感器组成与分类3.1.1传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成，如图3-1所示。(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，而输入、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)传感元件是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。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件状态的变化。上一页下一页返回3.1传感器组成与分类(3)基本转换电路是将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。有些传感器(如热电偶)只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传感器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。上一页下一页返回3.1传感器组成与分类3.1.2传感器的分类传感器分类方法很多，概括起来可按以下几方面分类。(1)按工作的物理原理分为机械式、电气式、辐射式、流体式传感器等。(2)按信号的变换特征分为物性型和结构型传感器。结构型传感器主要通过机械结构几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。目前应用最为普遍。物性型传感器利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质等作为敏感材料的固态器件。上一页下一页返回3.1传感器组成与分类(3)按传感器输出信号类型分为模拟型、开关型和数字型传感器开关型传感器只有“1”和“0”两个值，或开和关两个状态。如行程控制时使用的限位开关就是开关量输出信号。数字型传感器分为计数型和代码型。计数型常用于检测通过传送带上产品的个数，又称为脉冲数字型;代码型传感器又称为编码器，输出的信号为数字代码。模拟型传感器输出信号为一定范围的电流或电压模拟信号。对于热敏电阻器和应变片等传感器信号来说，其阻抗值变化而引起的信号变化是连续的，因此，这些传感器信号是模拟信号。上一页下一页返回3.1传感器组成与分类一般情况下，传感器信号需要由控制器来进行处理，当处理传感器信号时，需要把模拟信号和数字信号区别开。因此，必须掌握传感器信号的性质，才能利用控制器正确完成传感器信号的处理(4)按与被测量间关系分为能量转换型和能量控制型。(5)市场上销售的传感器的类型主要按被测物理量来分类。一般分为位移传感器、位置传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。表3-1列出部分传感器的工作原理和主要用途供读者参考。上一页返回3.2典型常用传感器在本节中，根据被测物理量的不同分别介绍几类常用的传感器。3.2.1位置传感器目前，工厂设备若要实现自动化和无人化管理，位置传感器必不可少，特别是对CNC机床和工业机器人进行控制时，位置传感器起着非常重要的作用。按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接触式开关等。接触式开关包含封入式、微动开关、精密式等极限开关;非接触式又分为接近开关和光电开关。近年来，非接触式的接近传感器和光电传感器获得了极为广泛的应用。下一页返回3.2典型常用传感器1.极限开关(微动开关)接触式极限开关主要用于极限位置的检测，当机械挡块撞击到极限开关滚轮上时，极限开关动作。极限开关的外观和内部结构如图3-2所示。这种极限开关具有以下特点。①能够实现大容量(10A,250VAC)的开闭②寿命长「机械寿命2000万次以上，电气寿命50万次以上(10A,250VAC)③具有优良的动作位置精度。动作位置精度可达10.4mm④取得各国安全标准认证(UL,CSA,SEMKO)图3-3所示为利用极限开关对CNC机床的进给平台进行位置控制时的一个实例。上一页下一页返回3.2典型常用传感器接触式极限开关的优点是:可以制成各种大小和形状来适应安装环境，以供使用者选择，同时，价格便宜。其缺点主要有两点:一是由于是接触式，使用时故障率较高;二是会产生电气噪声，需要采取措施来防止噪声。由于接触式极限开关和微动开关存在上述不足之处，近年来普遍使用噪声较小的非接触式位置传感器。非接触式位置传感器主要有接近传感器和光电传感器等。有代表性的接近传感器主要有舌簧传感器;有代表性的光电传感器主要有光电开关等。上一页下一页返回3.2典型常用传感器2.接近传感器接近传感器是一种非接触式位置传感器，能够感知物体的靠近，利用位移传感器对接近物体所具有的敏感特性，达到识别物体靠近、并输出开关信号的目的。它具有速度快、频率高等特点。其代表舌簧传感器结构如图3-4所示。舌簧传感器由两个簧片组成，在常态下处于断开状态，当与磁块接近时，簧片被磁化结合，转为接通状态，发出信号表明物体的靠近，当用于自动生产线时，可用于检测物体的有无。其位置控制方法如图3-5所示。上一页下一页返回3.2典型常用传感器3.光电传感器光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光电开关。光电二极管是最常见的光电传感器。光电二极管外形与一般二极管一样，在管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光电二极管工作在反向偏置工作状态，并与负载电阻串联。当有光照时，在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。上一页下一页返回3.2典型常用传感器光敏三极管除了具有光电二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三极管的外形与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极—发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。在物理上，由光引起的效应主要有3种类型，见表3-2。光电传感器一般由发光元件(发光二极管，即LED)和受光元件(光敏三极管)组合构成。其原理如图3-6所示。其中发光元件将电信号变换成光信号，而受光元件则把光信号重新变换为电信号。上一页下一页返回3.2典型常用传感器图(a)所示传感器可检测出物体是否从两元件间通过，称为透过型光电传感器。图(b)所示传感器则将光投向物体，然后检测其反射光，称为反射型光电传感器。3.2.2位移传感器按照运动形态，位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器。直线式位移传感器主要有差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移测定装置等。角位移传感器主要有旋转编码器等。上一页下一页返回3.2典型常用传感器位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等;数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。1.模拟式位移传感器由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，所以下面以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。上一页下一页返回3.2典型常用传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。(1)可变磁阻式电感传感器。典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图3-7所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙8，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙8发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。上一页下一页返回3.2典型常用传感器该传感器的灵敏度与空气隙8的平方成反比，愈小，灵敏度愈高，但该传感器会出现非线性误差。为了减小非线性误差，通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般为0.001-1mm。(2)差动变压器式电感传感器。互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。上一页下一页返回1.0/3.2典型常用传感器差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-8(a),(b)所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2,ey=0;当活动衔铁向上移时，即e1e2,ey0;当活动衔铁向下移时，即e1e2,ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压ey也随之变化，输出特性如图3-8(c)所示。上一页下一页返回3.2典型常用传感器值得注意的是:首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流电压，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁心位移的大小，而不能反应移动的极性;其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。上一页下一页返回3.2典型常用传感器2.数字式位移传感器数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线形和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数字式传感器的工作原理。(1)光栅位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种它的特点是测量精确高(可达±1μm)、响应速度快和量程范围大(一般为1~2m，连接使用可达到10m)等。上一页下一页返回3.2典型常用传感器光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度