機電一體化講義-3

1、2.7光電傳感器l 在車輛自動控制過程中充當著重要的角色l 分類：光束傳感器、反射傳感器、散射傳感器l 原理：通過發(fā)射器發(fā)出可見、不可見或紅外光，被接收器所接收，并轉(zhuǎn)換成電信號。l 特點：(1) 無接觸檢測，減少了被測物及探頭的磨損，確保產(chǎn)品的使用壽命與安全操作。(2) 被測物的材料不受限制，可測玻璃、塑料、木質(zhì)及液體等各種的被測材料。(3) 長距離檢測，反射傳感器的檢測距離可達。(4) 反應速度快，其反應能力在50s之內(nèi)。(5) 可分辨顏色。(6) 高精度檢測，利用奇特的視覺系統(tǒng)和精確的電子線路可以實現(xiàn)對物體的精確測量。l 光電傳感器分為亮通型與暗通型兩類。2.7.1光電器件l 分類：光電發(fā)

2、射器、光電探測器2.7.1.1 光電發(fā)射器件 (1)熱輻射光源：如白熾燈。光譜連續(xù)、價格便宜 (2)氣體放電光源：如氙燈光源等。氣體超高壓放電發(fā)光。特點：效率高，發(fā)熱少。 (3)電致發(fā)光器：PN結(jié)發(fā)光（發(fā)光二極管）。特點：功率低，驅(qū)動電壓低，效率高，可直接調(diào)制，小型化等。 (4)激光器：a. 氦氖激光器：l 特點：輸出連續(xù)，頻率穩(wěn)定，相干性與方向性極強，居各類激光之首。但效率低體積大，電源復雜。b.半導體激光器：l 特點：效率相當高，容易調(diào)制，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，抗振性能好，但方向性差，PN結(jié)摻雜影響大。2.7.1.1 光電探測器件l 原理：光電探測器件是利用物體的光電效應。l 分類：光電導效應

3、，光伏效應和光電子發(fā)射效應三種。1.光電導器件(光敏電阻)l 注意：光敏電阻必須在適當?shù)牟ㄩL光照射下，電阻才會改變。圖2-7-1光敏電阻的原理圖 2-7-2 CdS、CdSe光譜響應曲線2.光伏效應器件(光電二極管與光敏三極管)l 原理：利用光照在半導體器件上產(chǎn)生伏特效應而制成的器件，應用極廣。圖2-7-3光電二極管伏安特性 圖2-7-4光電二極管光譜響應曲線(1)光電二極管l 原理：在光的照射下，光電二極管產(chǎn)生光電流。注意：光電流向光電二極管的反方向流動。l 伏安特性：見圖2-7-3（a）。l 等效電路：電流源與二極管的并聯(lián)，如圖2-7-3(b)所示l 光譜特性：如圖2-7-4。(2)光電三

4、極管l 工作原理：光電轉(zhuǎn)換，其功能同光電二極管；光電流放大，將光電流放大幾十部至幾百倍。l 分類：無基極引線、有極基引線兩種。a)無基極引線光電管靠光的注入代替基極的信號輸入，并將集電結(jié)產(chǎn)生的光電流放大。b)有基極引線光電管設(shè)置基極的主要目的是為了預置一個基極電流l 優(yōu)點： 減小了光電三極管發(fā)射極的電阻，可以改善弱光下的響應時間； 使光電三極管的交流放大系數(shù)進入線性區(qū)，這對調(diào)制光的檢測特別有利。(3)光電池l 分類：硅光電池（最受歡迎）、硒光電池、硫化鎘光電池、氧化亞銅光電池、砷化鉀光電池等。l 硅光電池：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬；頻率特性好；換能效率高；能耐高能輻射等。圖2-7-5光電三極管輸出

5、特性圖 2-7-6硅光電池光照特性曲線2.7.2光束傳感器l 特點：發(fā)射器與接收器分開。圖2-7-7光束傳感的電氣結(jié)構(gòu)圖2.7.3反射傳感器l 特點：發(fā)射器與接收器放于同一個外殼內(nèi)。圖2-7-8帶偏振片的反射傳感器工作原理及電氣結(jié)構(gòu)l 常規(guī)反射傳感器：不能檢測反光體，易產(chǎn)生誤動作。l 帶偏振片的反射傳感器：無論是否反射體在遮住光通路后就一定能被檢出。與常規(guī)反射傳感器的區(qū)別：（1） 在發(fā)射器與接收器的光通道上分別安裝了互成直角的偏振片；（2） 采用三角反射鏡，經(jīng)它反射的偏振光其振蕩面旋轉(zhuǎn)90°。2.7.4散射傳感器，l 結(jié)構(gòu)：發(fā)射器與接收器也置于同一個外殼內(nèi)，發(fā)出的光照在被測物體上，并

6、被反射回來，被接收器接收。l 特點：對傳感區(qū)域內(nèi)發(fā)光與不發(fā)光的物體只要在傳感器的靈敏度范圍內(nèi)，都可被檢測。圖2-7-9散射傳感器的工作原理2.7.5紅外傳感器圖2-7-10曲型紅外傳感器的電氣結(jié)構(gòu)l 用途：紅外傳感器用于高溫物體遠距離、非接觸檢測。l 構(gòu)成：光電管、前置放大器、比較整形及輸出級構(gòu)成。2.8光纖傳感器2.8.1光纖傳感器概述l 起步：光纖傳感器技術(shù)是70年代末發(fā)展起來的一項新型傳感技術(shù)。l 技術(shù)構(gòu)成：光纖傳感技術(shù)是傳統(tǒng)的光檢測技術(shù)和纖維光學應用的結(jié)合l 應用范圍：位移、振動、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、電場、流量、濃度、PH值等70多項參數(shù)的檢測。l 適用：普通光電傳感器所不能適應的條件，

7、例如有限空間、高溫、或危險地區(qū)，因而具有廣泛的應用潛力。l 測量原理：外界待測信號調(diào)制光參數(shù)光纖光電探測器。l 調(diào)制參數(shù)：光可以看成簡諧振蕩的電磁波，其電場分量表達式為：E=E0sin(t+)因此光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個，即光強度、相位、偏振角及頻率。l 按調(diào)制形式分類：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型。大部分傳感器屬于前三類。l 按光纖光纖作用分類：非功能型傳感、功能傳感兩種。（1） 非功能型傳感器：利用外加的敏感元件對光進行調(diào)制而光纖僅僅作為傳光之用。（2） 功能型光纖傳感器：光纖不僅有用作傳光，本身也是敏感元件。l 功能型光纖傳感器的調(diào)制原理： 溫度、壓力、振動 光纖 光纖

8、的長度、形狀、折射率等發(fā)生變化 l 特點： 光纖中傳輸光的強度、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化(1)檢則精度與靈敏度高。強度調(diào)制型光纖傳感器的靈敏度與一般傳感器不相上下，而相位調(diào)制型光纖傳感器的靈敏度比普通傳感器高出幾個數(shù)量級，具有較大的動態(tài)范圍。(2)響應速度高，頻響寬，可實現(xiàn)非接觸高速檢測。(3)環(huán)境適應性強，由于光纖具有可撓曲、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾，本質(zhì)安全防暴，因而光纖傳感器適用于一切場合。(4)體積小、重量輕，因而具有可集成的替力。隨著集成光學的發(fā)展，將有可能出現(xiàn)將敏感元件、光學元件、光纖等集成一體的光纖傳感器。2.8.2光纖傳感器工作原理(1)強度調(diào)制型光纖傳感器l 特點：結(jié)構(gòu)簡單、

9、可靠性高、對光纖要求不高，信號檢測簡單等。圖2-8-1強度調(diào)制型光纖傳感器的幾種基本形式及工作原理(2)相位調(diào)制型光纖傳感器l 原理：外界待測信號作用于光纖時，引起光纖中傳輸?shù)墓獾南辔槐厣兓?。l 測量：光相位變化難以直接檢測出來，通常用光的干涉效應將光相位的變化轉(zhuǎn)換為干涉強度的變化來檢測。l 相位調(diào)制型光纖傳感器又稱為干涉型光纖傳感器。l 相位調(diào)制型光纖傳感器一般具有極高的靈敏度和動態(tài)范圍。光纖干涉儀可以檢測出小于10-6rad的相位變化。 例 溫度變化11m長的光纖中光相位變化100rad分辨率達到10-8圖2-8-2相位調(diào)制型光纖傳感器的干涉系統(tǒng)及基本結(jié)構(gòu) (3)偏振調(diào)制型光纖傳感器圖2

10、-8-3偏振調(diào)制原理l 原理：法拉弟旋光效應（檢測磁場與電場）；泡克爾效應（檢則電場與電壓）；光彈效應（測量應力）l 光彈效應原理：透明晶體在受到應力時，其內(nèi)部對光的折射率發(fā)生變化。2.8.2光導纖維l 光傳輸?shù)妮d體，應用很廣。l 結(jié)構(gòu)：一種透明的圓柱形細絲，中間是折射率極高的透明介質(zhì)，外面一層是折射率較低的透明介質(zhì)，再外層一般涂上環(huán)氧樹脂和硅膠保護層，并在最外層加上套管。l 特點：可以彎曲，但彎曲后將對子午線光的傳輸產(chǎn)生一定的影響，但引起的損耗是很小的。圖2-8-4光導纖維的結(jié)構(gòu)及其損耗與波長的關(guān)系2.9線位移傳感器2.9.1線位移傳感器概述l 用途：測量距離，高度、寬度等l 種類：接觸型與

11、非接觸型。l 常用類型：電阻式、電容式、電感式、光電式，霍爾效應式等。l 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。2.9.2半導體激光位移傳感器圖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l 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l 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。l 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

12、0V設(shè)定。(5)易于安裝。2.9.3電蝸流位移傳感器l 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。l 測量原理： 前置放大器 高頻信號激勵 線圈 產(chǎn)生高頻磁場 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）l 特點：20 非接觸式測量 線性范圍寬，080mm 動態(tài)響應好，0-10kHz 長期連續(xù)可靠工作，抗干擾能力強 在水、油等惡劣環(huán)境條件下工作 可長線傳輸 直接與A、D接口相連配計算機使用2.10光柵傳感器2.10.1光柵傳感器概述l 用途：精密直線位移、角位移測量，應用甚廣l 舉例：如高精度數(shù)控機床、三坐標輪廓儀、

13、直徑測量儀器。l 精度：直線位移測量精度可達0.5m，轉(zhuǎn)角位移測量精度可分度±1"(1、3600度)。l 組成：一塊測量柵，一塊指示光柵。l 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。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2.11感應同步器l 特點：是一種數(shù)字傳感器，l 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。l 結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)式（定子、轉(zhuǎn)子），直線式（定尺、滑尺）。滑尺上繞阻接成

14、S組(正弦繞組)與C組(余弦繞阻)。l 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。l 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。2.12接近傳感器2.12.1接近傳感器概述l 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l 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l 高精度的接近傳感器，還能檢測金屬薄板及渡層的厚度。l 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

15、，可適用于高速檢測。l 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。l 靈敏區(qū)形狀：探頭附近的一個近似半球區(qū)域。2.12.2感應式接近傳感器圖2-12-1感應式接近傳感器的工作原理l 適用：空間有限情況的金屬的非接觸接近測量l 探頭結(jié)構(gòu)分類：有屏蔽的、無屏蔽的兩種。后者測量距離較前者為大。l 結(jié)構(gòu)：振蕩器、感應線圈、斯密特電路及輸出電路組成。l 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。2.12.3電容式接近傳感器l 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。l 結(jié)構(gòu)：由振蕩器、斯密特電路及輸出電路組成，

16、電容器的一個電極是傳感電極，另一個電極是大地。l 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。圖2-12-2電容式接近傳感器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理2.12.4電磁式接近傳感器l 適用：非接觸式導磁材料測量l 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。l 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2.13流量傳感器l 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。l 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。l 重點介紹：電子流量傳感器與電磁流量傳感器。2.13.1電

17、子流量傳感器l 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。l 實際的流量傳感器將兩個電阻裝于同一個傳感器殼體內(nèi)。圖2-13-1電子流量感器原理 圖2-13-2電磁流量感器原理2.13.2電磁流量傳感器l 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l 構(gòu)成：電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器。2.14溫度

18、傳感器l 分類：高溫傳感器（熱電偶、鉑電阻以及紅外輻射測溫計）；常溫傳感器（熱敏電阻、銅電阻等）；低溫傳感器（銅電阻等）。2.14.1熱敏電阻l 說明：熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導體元件。l 特點：體積小，靈敏度高，價格崐低，所以應用最為廣泛。l 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）。l 特性：熱電特性、伏安特性。2.14.1.1熱敏電阻的熱電特性l 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絕對溫度，K；A、B由材料及制造工藝決定的系數(shù)。圖2-14-1熱敏電阻的熱電特性圖 圖2-

19、14-2熱敏電阻的伏安特性圖l 熱敏電阻材料：鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等氧化物做成。l 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。2.14.1.2熱敏電阻伏安特性l 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。l 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；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。l 因此在使用熱敏電阻伏安特性時應防止電流過大。2.14.2熱電偶溫度傳感器l 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。l 發(fā)展趨勢：標準化

20、（我國已8個品種）、小型化（最小的鎧裝熱電偶直徑為24mm）。l 測溫原理：熱電效應。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。l 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)。其輸出電勢為：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0) 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)-Cl 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)。l 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

21、或冷端。l 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。圖2-14-3熱電偶效應圖 2-14-4冰點槽裝置2.15轉(zhuǎn)速及角位移傳感器l 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。l 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。l 特點：(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；(2)易于實現(xiàn)系統(tǒng)的快速、自動和數(shù)字化；(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；(4)體積小，重

22、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。2.15.1絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器l 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。l 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。2.15.2增量式旋轉(zhuǎn)編碼器l 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。2.16圖像傳感器l 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。l CCD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。l 紅外線圖像傳感器：典型例，AVIONICS公司生產(chǎn)的TVS-

23、2000系列熱圖像系統(tǒng)。2.16.1 CCD圖像傳感器l 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。l 結(jié)構(gòu)：由感光部和CCD移位寄存器組成。l 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l 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。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)l 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。l 感光單元按位置的奇偶性，分別把其所存儲的電荷向兩側(cè)移位寄存器

24、傳送，最后在輸出部匯合輸出。l 在其感光部和兩側(cè)CCD移位寄存器之間設(shè)有轉(zhuǎn)移柵。l 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。l 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。l 線陣CCD圖像傳感器廣泛應用于傳真等場合。2.16.1.2面陣CCD圖像傳感器l 分類：按構(gòu)成分為兩種：幀傳送方式和行間傳送方式。l 在幀傳送方式垂直消影期中，感光部所積累的信號電荷快速轉(zhuǎn)送到存儲部，然后由輸出寄存器順次讀出。l 在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。l 400×500像素和800×500像素的CCD圖像傳感器適用于工業(yè)監(jiān)視及工業(yè)機器人。l