機電一體化講議課件

1、機電一體化講議PPT課件第二章第二章 傳感器及測量系統(tǒng)（傳感器及測量系統(tǒng)（3 3）機電一體化講議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，霍爾效應式等。n重點介紹重點介紹：半導體激光位移傳感器、電蝸流位移傳感器，屬非接觸型位移傳感器 機電一體化講議PPT課件2.9.2半導體激光位移傳感器半導體激光位移傳感器 n圖2-9-1半導體激光位移傳感器 圖2-9-2電蝸流位移傳感器機電一體化講議PPT課件2.9.2半導體激光位移傳感器半導體激光位移傳感器n結(jié)

2、構(gòu)結(jié)構(gòu)：包括一個發(fā)光元件（發(fā)光二極管、激光器）、一個位置敏感檢測器n原理原理：采用三角測量。通過檢測聚焦到位置敏感檢測器上的光柱點的運動即可確定工作物體的位移量。n特點特點： (1)具有高分辨率，可對各種不同的材料進行精確測量。(2)測量范圍寬，可對高溫快速移動的物體進行測量。(3)具有先進的激光安全性，不會對被測物體或人造成傷害。(4)在任何安裝位置均可實現(xiàn)精確0V設(shè)定。(5)易于安裝。機電一體化講議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測量原理測量原理： 前置放大器 高頻信號激勵 線圈 產(chǎn)生

3、高頻磁場 金屬表面會感應出渦流 渦流損耗 線圈磁感應強度變化 經(jīng)前置器轉(zhuǎn)換成電壓信號 距離（線性關(guān)系）機電一體化講議PPT課件2.9.3電蝸流位移傳感器電蝸流位移傳感器n特點特點：n非接觸式測量n線性范圍寬，080mmn動態(tài)響應好，0-10kHzn長期連續(xù)可靠工作，抗干擾能力強n在水、油等惡劣環(huán)境條件下工作n可長線傳輸n直接與A、D接口相連配計算機使用機電一體化講議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、角位移測量，應用甚廣n舉例舉例：如高精度數(shù)控機床、三坐標輪廓儀、直徑測量儀器。n精度精度：直線位移測量精度可達0.5m，轉(zhuǎn)角位移測量精度

4、可分度1(1、3600度)。n組成組成：一塊測量柵，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，兩光柵相對移動一個柵距，莫爾條紋也移動一個條紋間距。用光電元件接收透過兩塊光柵的光能量，根據(jù)計數(shù)器累計的信號數(shù)，就可測得移動長度或移過轉(zhuǎn)角。 機電一體化講議PPT課件2.10光柵傳感器圖2-10-1長光柵模爾條紋 圖2-11-1感應同步器的結(jié)構(gòu)與工作原理 機電一體化講議PPT課件2.11感應同步器n特點特點：是一種數(shù)字傳感器，n分類分類：直線式與旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用來檢測直線位移，后者用來檢測旋轉(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，滑尺安裝在運動部分，二者作間隙很小的非接觸移動。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電勢輸出信號可用幅值與相位來描述，通過鑒幅或鑒相系統(tǒng)可以檢測出位移信號并進行數(shù)值顯示。機電一體化講議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：屬無觸點接近開關(guān)，用于導電、導磁金屬材料的限位置、固體料位和液體液位檢測等n常用的接近傳感器：常用的接近傳感器：感應式接近傳感器，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，還能檢測金屬薄板及渡層的厚度。n

6、優(yōu)點優(yōu)點：不直接接觸被測物體，開關(guān)及被測物均沒有機械磨損，使壽命很長，可適用于高速檢測。n原理原理：但當被測物體進入接近開關(guān)的靈敏區(qū)時，就會發(fā)出一個脈沖信號。n靈敏區(qū)形狀靈敏區(qū)形狀：探頭附近的一個近似半球區(qū)域。機電一體化講議PPT課件2.12.2感應式接近傳感器感應式接近傳感器 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。后者測量距離較前者為大。n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：振蕩器、感應線圈、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)生磁場作用區(qū)，當金屬進入該作用區(qū)時，引起振蕩器停振。 機電一體化講議PPT課件2.12.2感應式接近傳感器感應式

7、接近傳感器圖2-12-1感應式接近傳感器的工作原理 機電一體化講議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)流體的測量、料位測量及對金屬物品測量。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，電容器的一個電極是傳感電極，另一個電極是大地。n原理原理：加電后，兩極間產(chǎn)生電場，當與大地連接的金屬物體靠近電容器時引起振蕩器停振。 機電一體化講議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：非接觸式導磁材料測

8、量n結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：內(nèi)部有4個磁鐵和一個常開觸點的干簧繼電器。n原理原理：導磁材料外界物體 靠近電磁式接近開關(guān)誘導面 磁場失去平衡 干簧繼電器的觸點閉合機電一體化講議PPT課件2.13流量傳感器n用途用途：對流動的介質(zhì)液體或氣體的流量進行檢測的傳感器。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重點介紹重點介紹：電子流量傳感器與電磁流量傳感器。 機電一體化講議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：基于熱傳導理論。兩個精確溫度電阻放置介質(zhì)中，一個只受介質(zhì)溫度的影響，另一個被熱源加熱，介質(zhì)流動時該電阻被冷卻，比較兩

9、個電阻值，可得到傳感信號，經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的流量值。n實際的流量傳感器將兩個電阻裝于同一同一個傳感器殼體內(nèi)個傳感器殼體內(nèi)。 機電一體化講議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測量原理測量原理：基于法拉弟電磁感應定律。交流驅(qū)動 傳感器內(nèi)磁芯產(chǎn)生交變磁場 被測介質(zhì)為（水、或酸、堿、鹽等導電液體）流動時相當于導體切害磁力線 兩個電極上產(chǎn)生感應電動勢 引出檢測感應電動勢 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溫計）；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體元件。n特點特點：體積小，靈敏度高，價格崐低，所以應用最為廣泛。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（負的溫度系數(shù)，常用）。n特性特性：熱電特性、伏安特性。 機電一體化講議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，以坐標圖表示它是一條指數(shù)曲線：式中：RT溫度為T時的電阻值； T

11、絕對溫度，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量范圍、阻值及A、B值。TBTAeR 機電一體化講議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：當熱敏電阻的電流很小時，熱敏電阻的伏安特性遵循歐姆定律；n但當電流大到一定程度時，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應防止電流過電流過大大。機電一體化講議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，測量可從室溫至1800。所以至今仍是應用最廣的溫度傳感器。n發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢：標準化（我國已8個品種）、小型化（最小的鎧裝熱電偶直徑為24mm）。n測溫原理測溫原理：熱電效應。n將不同的導體或半導體A、B組成閉合回路，使兩個接點處于不同的溫度，回路中就產(chǎn)生電動勢。機電一體化講議PPT課件2.14.2熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器n輸出電動勢輸出電動勢：與兩種材料的性質(zhì)及兩接點的溫度差有關(guān)，與導體的大小，接觸面積及連接方式無關(guān)。n其輸

13、出電勢為：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)n如果使熱電偶的一個接點溫度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EAB(t，t0)只與溫度t有關(guān)，成為溫度的單值函數(shù)。n實際實際：使t端與工作介質(zhì)接觸，進行測溫，稱為工作端，t0端稱為熱電偶自由端或參考端或冷端。n冰點槽裝置冰點槽裝置：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關(guān)系列成表格，供測量人員使用。機電一體化講議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熱電偶效應圖 2-14-4冰點槽裝置 機電一體化講議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)控機床、木工機械、機器人和裝卸設(shè)備、紡織機械、繪圖儀和仿形裝置，測量和測試設(shè)備。n特點特點：n(1)能借助于微電子技術(shù)，達到足夠高的精度，沒有人為的讀數(shù)誤差；n(2)易于實現(xiàn)系統(tǒng)的快速、自動和數(shù)字化；n(3)測量系統(tǒng)量程大，長度可以達數(shù)米甚至更長，角度可以在360范圍內(nèi)進行測量；n(4)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，測量系統(tǒng)安全方便，使用和維護簡單，工作可靠。 機電一體化講議PPT課件2.15

15、轉(zhuǎn)速及角位移傳感器n2.15.1絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器絕對式旋轉(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。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算機編譯成編碼信號。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，被測物體每走過一個當量距離，編碼器就輸出一個脈沖。機電一體化講議PPT課件2.16 圖像傳感器n在機電控制、機器人的領(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稱，是一種金屬氧化物半導體(MOS)集成電路的簡稱。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 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)和信號電荷傳送方式，又可分為線陣(一維)和面陣兩種。機電一體化講議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，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行下一次讀出的電荷積累。n線陣CCD圖像傳感器廣泛應用于傳真等場合。機電一體化講議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、的信號電荷快速轉(zhuǎn)送到存儲部，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。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)機器人工業(yè)機器人。n1024800的CCD圖像傳感器也已用于TV攝像機攝像機。機電一體化講議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：把波長為220m的紅外圖像TV時間系列掃描信號。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或肖特基勢壘型CCD等。n熱型熱型紅外圖像傳感器：采用熱