機(jī)電一體化技術(shù) -課件 項目四

機(jī)電一體化技術(shù)主編

張奇良

魯佳

王紅錦PARTONE項目四傳感與檢測目錄/CONTENTS任務(wù)一傳感器的組成與分類任務(wù)二常用傳感器與傳感元件任務(wù)三接近開關(guān)行業(yè)PPT模板/hangye/PARTONE任務(wù)一傳感器的組成與分類一、傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、能量轉(zhuǎn)換元件及基本轉(zhuǎn)換電路3部分組成,如圖4-1所示。

其中,敏感元件可以直接感知被測量,然后按照一定關(guān)系輸出同種或其他種類的物理量;

能量轉(zhuǎn)換元件能將敏感元件輸出的非電量(如位移、力、溫度等)轉(zhuǎn)換成基本電路參數(shù)(如電容、電阻、電感、電壓等)

由于能量轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)一般較為微弱,難以被接下來的環(huán)節(jié)直接測量利用,因此,需要利用基本轉(zhuǎn)換電路將基本電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成易于測量的電量(如電壓、電流等)。轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路有時還需要輔助電源供電。(2)(4)按傳感器工作原理分類,可分為機(jī)械式傳感器、電氣式傳感器、光學(xué)式傳感器、流體式傳感器、磁學(xué)式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、諧振式傳感器、電化學(xué)式傳感器等。按信號變換特征分類,可分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。二、傳感器的分類(1)(3)按被測物理量分類,可分為力傳感器、位移傳感器、速度和加速度傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器等。按被輸出信號分類,可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。(5)

根據(jù)敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系,可分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。PARTTWO任務(wù)二常用傳感器與傳感元件一、位移傳感器

機(jī)電一體化系統(tǒng)中經(jīng)常需要測量位移量,位移傳感器主要用于檢測線位移和角位移等物理量。對于線位移的測量,常見的有電感式位移傳感器、電容式位移傳感器及光柵傳感器等;對于角位移的測量,主要有光電編碼器。1.電感式位移傳感器

電感式位移傳感器是基于電磁感應(yīng)原理將位移轉(zhuǎn)換為電感量變化的傳感器。電感式位移傳感器按照變換方式的不同可分為自感型(包括可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動變壓器式)兩種。

(1)自感型

①可變磁阻式傳感器?？勺兇抛枋絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)原理如圖4-2所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙。

②渦流式傳感器。渦流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。

渦流式傳感器原理圖如圖4-3所示(2)互感型?；ジ鞋F(xiàn)象電路圖如圖4-4所示,差動變壓器式電感傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。

互感型傳感器利用這一原理,將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。實際上,互感型傳感器的本質(zhì)就是一個變壓器,將初級線圈接入穩(wěn)定交流電源,則在次級線圈處可感應(yīng)出輸出電壓。由于經(jīng)常采用兩個次級線圈組成差動式,故也稱差動變壓器式電感傳感器。2.電容式位移傳感器電容式位移傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。由兩個平行極板組成的電容器其電容量為(1)極距變化型。根據(jù)式(4-7),如果兩極板間互相覆蓋面積及極板間介質(zhì)不變,則電容量C與極距δ呈非線性關(guān)系,電容量與極距的關(guān)系如圖4-5所示。當(dāng)極距δ有一微小變化量dδ時,引起電容的變化量dC為(2)面積變化型。面積變化型電容式位移傳感器原理圖如圖4-6所示,一般常用的有角位移型和線位移型兩種。平面線位移型電容式位移傳感器如圖4-6(a)所示,當(dāng)動板沿x方向移動時,動板和定板的重合面積發(fā)生變化,電容量也隨之變化。其電容量C為3.光柵傳感器

光柵傳感器是基于光電轉(zhuǎn)化原理而制成的位移檢測元件,它的測量精度很高,分辨力可以達(dá)到1μm甚至更高,響應(yīng)速度很快,量程很大。光柵的組成結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示,它由光柵尺、指示光柵、光電二極管和光源構(gòu)成,光柵尺長度一般遠(yuǎn)超指示光柵,但光柵尺與指示光柵的光刻密度相同,一般為25條/mm、50條/mm、100條/mm、250條/mm。

使用時,一般將光柵尺安裝在相對固定的基體上,而指示光柵安裝在移動被測物體上,指示光柵平行于光柵尺,兩者的刻線相互傾斜一個很小的角度,這時在指示光柵上就出現(xiàn)了幾條較粗的明暗條紋,稱為莫爾條紋,光柵莫爾條紋原理圖如圖4-8所示4.光電編碼器

光電編碼器與光柵傳感器類似,同樣是基于光電轉(zhuǎn)化原理的。兩者的區(qū)別在于,光電編碼器可以將機(jī)械傳動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字信號。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式,光電編碼器可以分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。

(1)增量式光電編碼器。增量式光電編碼器采用圓光柵,通過光電轉(zhuǎn)換器件,將旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號,經(jīng)過電路處理后,將輸入的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。增量式光電編碼器由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙的編碼圓盤、指示標(biāo)度盤和光電器件組成,其光學(xué)原理圖如圖4-9所示。(2)絕對式光電編碼器。

絕對式光電編碼器的基本構(gòu)成與增量式光電編碼器類似,兩者的主要區(qū)別在于編碼盤不同。絕對式光電編碼器的編碼盤結(jié)構(gòu)如圖4-10所示,由透明區(qū)和不透明區(qū)組成,這些透明區(qū)和不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成,編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù),碼盤含有4個碼道,圖4-10(a)為4位自然二進(jìn)制編碼器的編碼盤,圖4-10(b)所示為4位格雷碼編碼盤。二、位置傳感器1.接觸式極限開關(guān)(微動開關(guān))

接觸式極限開關(guān)主要用于極限位置的檢測,當(dāng)機(jī)械擋塊撞擊到極限開關(guān)滾輪上時,極限開關(guān)動作。極限開關(guān)的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-11所示。這種極限開關(guān)具有以下特點。①能夠?qū)崿F(xiàn)大容量(10A、250VAC)的開閉。②壽命長。機(jī)械壽命2000萬次以上,電氣壽命50萬次以上(10A、250VAC)。③具有優(yōu)良的動作位置精度。動作位置精度可達(dá)±0.4mm。④取得各國安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證(UL、CSA、SEMKO)。2.接近傳感器

接近傳感器是一種非接觸式位置傳感器,能夠感知物體的靠近,利用位置傳感器對接近物體所具有的敏感特性,達(dá)到識別物體靠近,并輸出開關(guān)信號的目的。它具有速度快、頻率高等特點。其代表舌簧傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4-12所示。舌簧傳感器由兩個舌簧片組成,在常態(tài)下處于斷開狀態(tài),當(dāng)與磁塊接近時,舌簧片被磁化結(jié)合,轉(zhuǎn)為接通狀態(tài),發(fā)出信號表明物體的靠近,當(dāng)用于自動生產(chǎn)線時,可用于檢測物體的有無。其位置控制方法如圖4-13所示。3.光電傳感器光電傳感器是能夠?qū)⒖梢姽廪D(zhuǎn)換成某種電信號的傳感器,也稱光電開關(guān)。光電二極管是最常見的光電傳感器。光電傳感器一般由發(fā)光元件(發(fā)光二極管,即LED)和受光元件(光敏三極管)組合構(gòu)成,其位置控制方法如圖4-14所示。其中,發(fā)光元件將電信號變換成光信號,而受光元件將光信號重新變換為電信號。三、速度和加速度傳感器1.測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是利用發(fā)電機(jī)的原理,測量機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。以如圖4-15所示的直流測速發(fā)電機(jī)為例,當(dāng)位于永久磁場中的轉(zhuǎn)子線圈隨機(jī)械設(shè)備以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時,因切割磁力線,在線圈兩端將產(chǎn)生空載感應(yīng)電動勢E0,根據(jù)法拉第定律可知2.光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器,由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成,其結(jié)構(gòu)圖如圖4-16所示。3.加速度傳感器

作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式,它們的工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng),進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量,間接度量被測加速度的。最常用的有應(yīng)變式、電磁感應(yīng)式、壓電式等。

應(yīng)變式加速度傳感器測試原理如圖4-17所示,它通過測試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關(guān)系。

(1)壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)及特性。壓電式加速度傳感器以電荷或兩極間的電勢作為輸出信號。

壓電式加速度傳感器一般由兩片或多片壓電晶體黏合而成,由于壓電晶體有電荷極性,因此,接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種,其示意圖如圖4-18所示。(2)壓電式加速度傳感器應(yīng)用。壓電式加速度傳感器可以用于壓力和加速度檢測、振動檢測、超聲波探測等,還可以應(yīng)用在拾音器、助聽器、點火器等產(chǎn)品中。壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖4-19所示。四、圖像傳感器

根據(jù)元件的不同,圖像傳感器通常可分為CCD(ChargeCoupledDevice,電荷耦合元件)和CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)體元件)兩大類。

(1)CCD圖像傳感器。CCD圖像傳感器分為線陣型和面陣型兩類,線陣型CCD常應(yīng)用于掃描儀、傳真機(jī)等設(shè)備。CCD攝影機(jī)、照相機(jī)就是通過透鏡把外界的景象投射到CMOS電容器面陣上,產(chǎn)生MOS電容器面陣的光電轉(zhuǎn)換和記憶。

CCD圖像傳感器的工作原理是:當(dāng)CCD工作時,在設(shè)定的積分時間內(nèi),光電元件對光信號進(jìn)行取樣,將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光電元的電荷量。取樣結(jié)束后,各光電元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下,轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部移位寄存器的相應(yīng)單元中。

移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖像顯示器或其他信號存儲、處理設(shè)備中,對信號進(jìn)行再現(xiàn)或存儲處理。

(2)CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器,其優(yōu)點是功耗小、成本低、速度快;缺點是分辨率低、動態(tài)范圍小、光照靈敏度弱、圖像質(zhì)量差。常用CMOS圖像傳感器通常由光電單元陣列(像元陣列)、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、片上模擬信號處理器等部分組成,如圖4-20所示。

CMOS圖像傳感器的工作原理是:先將光電二極管的PN結(jié)反向偏置到某一固定電壓,然后斷開,存儲在光電二極管電容上電荷的衰減速度與入射光照度成比例。經(jīng)過一定的積分時間后,讀出二極管兩端的電壓。讀出電壓后,再通過開關(guān)使二極管兩端恢復(fù)到原來的電壓。CMOS圖像傳感器的工作流程如圖4-21所示。五、傳感元件1.磁阻式傳感元件

磁阻式傳感元件的工作原理主要是基于半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別在于,霍爾效應(yīng)是產(chǎn)生電流方向垂直的電壓,而磁阻效應(yīng)是沿電流方向電阻的阻值產(chǎn)生變化。

磁阻效應(yīng)位移傳感器如圖4-22所示。2.霍爾元件

霍爾元件是一種利用霍爾效應(yīng)的傳感元件,霍爾元件具有靈敏度高、線性好、穩(wěn)定性高、體積小、耐高溫等一系列優(yōu)點,并得到了廣泛應(yīng)用?；魻栐脑韴D如圖4-23所示。3.光電轉(zhuǎn)換元件

光電轉(zhuǎn)換元件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng),將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種器件。在應(yīng)用這種元件檢測物理量時,通常先將被測物理量轉(zhuǎn)換為光信號,再通過光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電信號。光柵組成元件的光敏管就是一種典型的光電編碼器。光敏晶體管是利用受光照時載流子增加的半導(dǎo)體光電元件,光敏二極管具有一個PN結(jié),光敏三極管具有兩個PN結(jié),光敏三極管及其伏安特性曲線如圖4-24所示。PARTTHREE任務(wù)三接近開關(guān)一、接近開關(guān)的種類及檢測原理

1.電感式接近開關(guān)

電感式接近開關(guān)是利用高頻電磁感應(yīng)原理設(shè)計的檢測開關(guān)。電感式接近開關(guān)的原理圖如圖4-25所示,開關(guān)內(nèi)部集成有電子