機(jī)電一體化講議課件

1、機(jī)電一體化講議PPT課件第二章第二章 傳感器及測(cè)量系統(tǒng)（傳感器及測(cè)量系統(tǒng)（3 3）機(jī)電一體化講議PPT課件2.9線位移傳感器 2.9.1線位移傳感器概述線位移傳感器概述n 用途用途：測(cè)量距離，高度、寬度等n種類種類：接觸型與非接觸型。n常用類型常用類型：電阻式、電容式、電感式、光電式，霍爾效應(yīng)式等。n重點(diǎn)介紹重點(diǎn)介紹：半導(dǎo)體激光位移傳感器、電蝸流位移傳感器，屬非接觸型位移傳感器 機(jī)電一體化講議PPT課件2.9.2半導(dǎo)體激光位移傳感器半導(dǎo)體激光位移傳感器 n圖2-9-1半導(dǎo)體激光位移傳感器 圖2-9-2電蝸流位移傳感器機(jī)電一體化講議PPT課件2.9.2半導(dǎo)體激光位移傳感器半導(dǎo)體激光位移傳感器n結(jié)

2、構(gòu)結(jié)構(gòu)：包括一個(gè)發(fā)光元件（發(fā)光二極管、激光器）、一個(gè)位置敏感檢測(cè)器n原理原理：采用三角測(cè)量。通過檢測(cè)聚焦到位置敏感檢測(cè)器上的光柱點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即可確定工作物體的位移量。n特點(diǎn)特點(diǎn)： (1)具有高分辨率，可對(duì)各種不同的材料進(jìn)行精確測(cè)量。(2)測(cè)量范圍寬，可對(duì)高溫快速移動(dòng)的物體進(jìn)行測(cè)量。(3)具有先進(jìn)的激光安全性，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體或人造成傷害。(4)在任何安裝位置均可實(shí)現(xiàn)精確0V設(shè)定。(5)易于安裝。機(jī)電一體化講議PPT課件2.9.3電蝸流位移傳感器電蝸流位移傳感器 n基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：由探頭（線圈、骨架、殼體、射頻電纜和射頻插頭）、與前置器構(gòu)成。n測(cè)量原理測(cè)量原理： 前置放大器 高頻信號(hào)激勵(lì) 線圈 產(chǎn)生

3、高頻磁場(chǎng) 金屬表面會(huì)感應(yīng)出渦流 渦流損耗 線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度變化 經(jīng)前置器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) 距離（線性關(guān)系）機(jī)電一體化講議PPT課件2.9.3電蝸流位移傳感器電蝸流位移傳感器n特點(diǎn)特點(diǎn)：n非接觸式測(cè)量n線性范圍寬，080mmn動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，0-10kHzn長(zhǎng)期連續(xù)可靠工作，抗干擾能力強(qiáng)n在水、油等惡劣環(huán)境條件下工作n可長(zhǎng)線傳輸n直接與A、D接口相連配計(jì)算機(jī)使用機(jī)電一體化講議PPT課件2.10光柵傳感器 2.10.1光柵傳感器概述光柵傳感器概述n用途用途：精密直線位移、角位移測(cè)量，應(yīng)用甚廣n舉例舉例：如高精度數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)輪廓儀、直徑測(cè)量?jī)x器。n精度精度：直線位移測(cè)量精度可達(dá)0.5m，轉(zhuǎn)角位移測(cè)量精度

4、可分度1(1、3600度)。n組成組成：一塊測(cè)量柵，一塊指示光柵。n結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理：兩柵均有相間條紋，間距相等，兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)條紋間距。用光電元件接收透過兩塊光柵的光能量，根據(jù)計(jì)數(shù)器累計(jì)的信號(hào)數(shù)，就可測(cè)得移動(dòng)長(zhǎng)度或移過轉(zhuǎn)角。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.10光柵傳感器圖2-10-1長(zhǎng)光柵模爾條紋 圖2-11-1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與工作原理 機(jī)電一體化講議PPT課件2.11感應(yīng)同步器n特點(diǎn)特點(diǎn)：是一種數(shù)字傳感器，n分類分類：直線式與旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用來檢測(cè)直線位移，后者用來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角位移。n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)式（定子、轉(zhuǎn)子），直線式（定尺、滑尺）?；呱侠@阻接成S組(正弦

5、繞組)與C組(余弦繞阻)。n安裝安裝：定尺安裝于固定部分，滑尺安裝在運(yùn)動(dòng)部分，二者作間隙很小的非接觸移動(dòng)。n原理原理： 正弦電壓 S組 或C組 定尺上產(chǎn)生幅值按正弦或余弦變化的感應(yīng)電勢(shì)輸出信號(hào)可用幅值與相位來描述，通過鑒幅或鑒相系統(tǒng)可以檢測(cè)出位移信號(hào)并進(jìn)行數(shù)值顯示。機(jī)電一體化講議PPT課件2.12接近傳感器2.12.1接近傳感器概述接近傳感器概述n用途：用途：屬無觸點(diǎn)接近開關(guān)，用于導(dǎo)電、導(dǎo)磁金屬材料的限位置、固體料位和液體液位檢測(cè)等n常用的接近傳感器：常用的接近傳感器：感應(yīng)式接近傳感器，電容式接近傳感器，及電磁式接近傳感器n高精度的接近傳感器高精度的接近傳感器，還能檢測(cè)金屬薄板及渡層的厚度。n

6、優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不直接接觸被測(cè)物體，開關(guān)及被測(cè)物均沒有機(jī)械磨損，使壽命很長(zhǎng)，可適用于高速檢測(cè)。n原理原理：但當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入接近開關(guān)的靈敏區(qū)時(shí)，就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。n靈敏區(qū)形狀靈敏區(qū)形狀：探頭附近的一個(gè)近似半球區(qū)域。機(jī)電一體化講議PPT課件2.12.2感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式接近傳感器 n適用適用：空間有限情況的金屬的非接觸接近測(cè)量n探頭結(jié)構(gòu)分類分類：有屏蔽的、無屏蔽的兩種。后者測(cè)量距離較前者為大。n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：振蕩器、感應(yīng)線圈、斯密特電路及輸出電路組成。n工作原理工作原理：振蕩器在探頭端部產(chǎn)生磁場(chǎng)作用區(qū)，當(dāng)金屬進(jìn)入該作用區(qū)時(shí)，引起振蕩器停振。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.12.2感應(yīng)式接近傳感器感應(yīng)式

7、接近傳感器圖2-12-1感應(yīng)式接近傳感器的工作原理 機(jī)電一體化講議PPT課件2.12.3電容式接近傳感器電容式接近傳感器n適用適用：非接觸、空間有限。如各種管道內(nèi)流體的測(cè)量、料位測(cè)量及對(duì)金屬物品測(cè)量。n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：由振蕩器、斯密特電路及輸出電路組成，電容器的一個(gè)電極是傳感電極，另一個(gè)電極是大地。n原理原理：加電后，兩極間產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)與大地連接的金屬物體靠近電容器時(shí)引起振蕩器停振。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.12.3電容式接近傳感器電容式接近傳感器圖2-12-2電容式接近傳感器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理 機(jī)電一體化講議PPT課件2.12.4電磁式接近傳感器電磁式接近傳感器n適用適用：非接觸式導(dǎo)磁材料測(cè)

8、量n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：內(nèi)部有4個(gè)磁鐵和一個(gè)常開觸點(diǎn)的干簧繼電器。n原理原理：導(dǎo)磁材料外界物體 靠近電磁式接近開關(guān)誘導(dǎo)面 磁場(chǎng)失去平衡 干簧繼電器的觸點(diǎn)閉合機(jī)電一體化講議PPT課件2.13流量傳感器n用途用途：對(duì)流動(dòng)的介質(zhì)液體或氣體的流量進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。n按工作原理分類按工作原理分類：電子流量傳感器、電磁流量傳感器、超聲波流量傳感器、渦流流量傳感器等。n重點(diǎn)介紹重點(diǎn)介紹：電子流量傳感器與電磁流量傳感器。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.13.1電子流量傳感器電子流量傳感器n工作原理工作原理：基于熱傳導(dǎo)理論。兩個(gè)精確溫度電阻放置介質(zhì)中，一個(gè)只受介質(zhì)溫度的影響，另一個(gè)被熱源加熱，介質(zhì)流動(dòng)時(shí)該電阻被冷卻，比較兩

9、個(gè)電阻值，可得到傳感信號(hào)，經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的流量值。n實(shí)際的流量傳感器將兩個(gè)電阻裝于同一同一個(gè)傳感器殼體內(nèi)個(gè)傳感器殼體內(nèi)。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.13.1電子流量傳感器電子流量傳感器圖2-13-1電子流量感器原理 圖2-13-2電磁流量感器原理 機(jī)電一體化講議PPT課件2.13.2電磁流量傳感器電磁流量傳感器n測(cè)量原理測(cè)量原理：基于法拉弟電磁感應(yīng)定律。交流驅(qū)動(dòng) 傳感器內(nèi)磁芯產(chǎn)生交變磁場(chǎng) 被測(cè)介質(zhì)為（水、或酸、堿、鹽等導(dǎo)電液體）流動(dòng)時(shí)相當(dāng)于導(dǎo)體切害磁力線 兩個(gè)電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 引出檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 確定流速 確定流量n構(gòu)成構(gòu)成：電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器。機(jī)電一體化講議PPT課件

10、2.14溫度傳感器n分類分類：n高溫傳感器（熱電偶、鉑電阻以及紅外輻射測(cè)溫計(jì)）；n常溫傳感器（熱敏電阻、銅電阻等）；n低溫傳感器（銅電阻等）。機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.1熱敏電阻熱敏電阻n說明說明：熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導(dǎo)體元件。n特點(diǎn)特點(diǎn)：體積小，靈敏度高，價(jià)格崐低，所以應(yīng)用最為廣泛。n分類分類：一類電阻值隨溫度升高而增加（正的溫度系數(shù)），一類隨溫度升高而降低（負(fù)的溫度系數(shù)，常用）。n特性特性：熱電特性、伏安特性。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性n定義定義：電阻值隨溫度變化的關(guān)系，以坐標(biāo)圖表示它是一條指數(shù)曲線：式中：RT溫度為T時(shí)的電阻值； T

11、絕對(duì)溫度，K； A、B由材料及制造工藝決定的系數(shù)熱敏電阻材料材料：鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等氧化物做成。改變這些混合物的成分，就可以改變熱敏電阻的測(cè)量范圍、阻值及A、B值。TBTAeR 機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性 圖2-14-1熱敏電阻的熱電特性圖 圖2-14-2熱敏電阻的伏安特性圖機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.1.2熱敏電阻伏安特性n說明：說明：熱敏電阻的伏安特性是指通過熱敏電阻的電流與其兩端電壓之間的關(guān)系。n原理原理：當(dāng)熱敏電阻的電流很小時(shí)，熱敏電阻的伏安特性遵循歐姆定律；n但當(dāng)電流大到一定程度時(shí)，流過熱敏電阻的電流使其自身溫度升高，因而其阻值減小。n

12、因此在使用熱敏電阻伏安特性時(shí)應(yīng)防止電流過電流過大大。機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.2熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器n說明說明：是較早的一種接觸式溫度傳感器，測(cè)量可從室溫至1800。所以至今仍是應(yīng)用最廣的溫度傳感器。n發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)：標(biāo)準(zhǔn)化（我國(guó)已8個(gè)品種）、小型化（最小的鎧裝熱電偶直徑為24mm）。n測(cè)溫原理測(cè)溫原理：熱電效應(yīng)。n將不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B組成閉合回路，使兩個(gè)接點(diǎn)處于不同的溫度，回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.2熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器n輸出電動(dòng)勢(shì)輸出電動(dòng)勢(shì)：與兩種材料的性質(zhì)及兩接點(diǎn)的溫度差有關(guān)，與導(dǎo)體的大小，接觸面積及連接方式無關(guān)。n其輸

13、出電勢(shì)為：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)n如果使熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)溫度t0保持不變，設(shè)fAB(t0)=C，則上式可寫成： EAB(t，t0)=fAB(t)-C機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.2熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器n表明表明：產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(t，t0)只與溫度t有關(guān)，成為溫度的單值函數(shù)。n實(shí)際實(shí)際：使t端與工作介質(zhì)接觸，進(jìn)行測(cè)溫，稱為工作端，t0端稱為熱電偶自由端或參考端或冷端。n冰點(diǎn)槽裝置冰點(diǎn)槽裝置：用于在工作中將自由端保持0恒溫，然后將工作端的溫度與電勢(shì)關(guān)系列成表格，供測(cè)量人員使用。機(jī)電一體化講議PPT課件2.14.2熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器圖2-1

14、4-3熱電偶效應(yīng)圖 2-14-4冰點(diǎn)槽裝置 機(jī)電一體化講議PPT課件2.15轉(zhuǎn)速及角位移傳感器n編碼器就是近年來出現(xiàn)的一種新型的高精度、數(shù)字化、大尺寸測(cè)量元件，用作旋轉(zhuǎn)軸和線性軸的反饋裝置。n用途用途：用于數(shù)控機(jī)床、木工機(jī)械、機(jī)器人和裝卸設(shè)備、紡織機(jī)械、繪圖儀和仿形裝置，測(cè)量和測(cè)試設(shè)備。n特點(diǎn)特點(diǎn)：n(1)能借助于微電子技術(shù)，達(dá)到足夠高的精度，沒有人為的讀數(shù)誤差；n(2)易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速、自動(dòng)和數(shù)字化；n(3)測(cè)量系統(tǒng)量程大，長(zhǎng)度可以達(dá)數(shù)米甚至更長(zhǎng)，角度可以在360范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量；n(4)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)量系統(tǒng)安全方便，使用和維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.15

15、轉(zhuǎn)速及角位移傳感器n2.15.1絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器n可直接從分度盤的編碼圖案中得出角度位置，然后轉(zhuǎn)換成編碼信號(hào)。n即使電源有瞬間掉電，只要主軸轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)，都能通過控制器或計(jì)算機(jī)編譯成編碼信號(hào)。n2.15.2增量式旋轉(zhuǎn)編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器n以脈沖形式輸出，被測(cè)物體每走過一個(gè)當(dāng)量距離，編碼器就輸出一個(gè)脈沖。機(jī)電一體化講議PPT課件2.16 圖像傳感器n在機(jī)電控制、機(jī)器人的領(lǐng)域中起著重要的作用，尤以CCD圖像傳感器和紅外線圖像傳感器應(yīng)用最為廣泛。nCCD圖像傳感器圖像傳感器：典型例，日本KEYENCE公司生產(chǎn)的VH系列圖像顯微檢測(cè)儀。n紅外線圖像傳感器紅外線圖像傳感器：典型例，

16、AVIONICS公司生產(chǎn)的TVS-2000系列熱圖像系統(tǒng)。 機(jī)電一體化講議PPT課件2.16.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器n命名命名：CCD(Charge couple Device)即電荷耦合器件的簡(jiǎn)稱，是一種金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路的簡(jiǎn)稱。n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：由感光部和CCD移位寄存器組成。n原理原理：成像在CCD上的景物 感光部電信號(hào) 電子圖像 CCD移位寄存器 放大器 輸出n分類分類：中按結(jié)構(gòu)和信號(hào)電荷傳送方式，又可分為線陣(一維)和面陣兩種。機(jī)電一體化講議PPT課件2.16.1.1線陣CCD圖像傳感器n中間是一列感光單元（光電二極管陣），兩側(cè)分別設(shè)置了CCD移位寄存器。n感光單元

17、按位置的奇偶性，分別把其所存儲(chǔ)的電荷向兩側(cè)移位寄存器傳送，最后在輸出部匯合輸出。n在其感光部和兩側(cè)CCD移位寄存器之間設(shè)有轉(zhuǎn)移柵。n移位寄存器停頓時(shí)，轉(zhuǎn)移柵開放，光電二極管所積累的電荷可以送到兩側(cè)的CCD移位寄存器中。n接著轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉，感光部的光電二極管開始進(jìn)行下一次讀出的電荷積累。n線陣CCD圖像傳感器廣泛應(yīng)用于傳真等場(chǎng)合。機(jī)電一體化講議PPT課件2.16.1.1線陣CCD圖像傳感器圖2-16-2048位線陣CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) 機(jī)電一體化講議PPT課件2.16.1.2面陣CCD圖像傳感器n分類分類：按構(gòu)成分為兩種：幀傳送方式和行間傳送方式。n在幀傳送方式幀傳送方式垂直消影期中，感光部所積累

18、的信號(hào)電荷快速轉(zhuǎn)送到存儲(chǔ)部，然后由輸出寄存器順次讀出。n在行間傳送方式行間傳送方式中積累的電荷一次轉(zhuǎn)送到鄰接的垂直移位寄存器，以后從輸出移位寄存器中讀出信號(hào)。n400500像素和800500像素的CCD圖像傳感器適用于工業(yè)監(jiān)視工業(yè)監(jiān)視及工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人。n1024800的CCD圖像傳感器也已用于TV攝像機(jī)攝像機(jī)。機(jī)電一體化講議PPT課件2.16.1.2面陣CCD圖像傳感器圖2-16-2幀傳送面陣CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu) 圖2-16-3行間傳送面陣CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu) 機(jī)電一體化講議PPT課件2.16.2紅外圖像傳感器紅外圖像傳感器n功能：功能：把波長(zhǎng)為220m的紅外圖像TV時(shí)間系列掃描信號(hào)。n構(gòu)成構(gòu)成：紅外傳感（量子型和熱型）和電子掃描兩部分。n分類分類：量子型紅外圖像傳感器、熱型紅外圖像傳感器兩大類。n量子型量子型紅外圖像傳感器：采用固體電子掃描，如單片型CCD、混合型CCD或肖特基勢(shì)壘型CCD等。n熱型熱型紅外圖像傳感器：采用熱