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第二章 检测与传感技术第二章第二章 机电一体化系统中的传感器技术机电一体化系统中的传感器技术n2.1 概述概述n2.2 线位移检测传感器线位移检测传感器n2.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n2.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n2.5 测力传感器测力传感器n2.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用n2.7 检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理第二章 检测与传感技术2.1 概述概述n一、定义及分类：一、定义及分类：n1、定义：传感器是将力、温度、位移、速、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。度等量转换成电信号的元件。“传感器技传感器技术是机电一体化的第一基础术是机电一体化的第一基础”n2、分类、分类n 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分：n 按输出的信号分：按输出的信号分：物理传感器物理传感器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器化学传感器化学传感器第二章 检测与传感技术 计数型（二次型计数型（二次型计数型（二次型计数型（二次型+计数型）计数型）计数型）计数型）电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶,Cds,Cds电池）电池）电池）电池）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）有接点型有接点型有接点型有接点型(微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，行程开关行程开关行程开关行程开关)传感器传感器传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型非电量型非电量型非电量型二值型二值型二值型二值型电量电量电量电量无接点型无接点型无接点型无接点型(光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关)模拟型模拟型模拟型模拟型数字型数字型数字型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）第二章 检测与传感技术二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性n1.传感器的静特性传感器的静特性n 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：线性度线性度、灵敏度灵敏度、迟滞迟滞和和重复性重复性等。等。n(1).线性度线性度n 传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出输入特输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即之比，即第二章 检测与传感技术二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性(2).(2).灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).(3).迟滞迟滞迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出程中，输出程中，输出程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 第二章 检测与传感技术二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性(4).(4).重复性重复性重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的输入曲线的输入曲线的输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即近似计算近似计算近似计算近似计算精确计算精确计算精确计算精确计算第二章 检测与传感技术二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性5.5.分辨力分辨力分辨力分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为阈值。6.6.零漂零漂零漂零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。第二章 检测与传感技术n2.传感器的动态特性传感器的动态特性n 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性第二章 检测与传感技术n1.新型传感器的开发新型传感器的开发n 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向第二章 检测与传感技术n2.传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化n 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵实现了横向和纵向的多功能。向的多功能。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向第二章 检测与传感技术n3.传感器的智能化传感器的智能化n “电五官电五官”与与“电脑电脑”的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。就成为智能传感器。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向第二章 检测与传感技术2.2 线位移检测传感器线位移检测传感器n一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n二、感应同步器二、感应同步器n三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器第二章 检测与传感技术一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器1 1、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造：第二章 检测与传感技术n2、工作原理、工作原理一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器 把两块栅距把两块栅距把两块栅距把两块栅距WW相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角 时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。第二章 检测与传感技术n莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：n1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动过一个条过一个条纹间距纹间距B n2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为n3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器第二章 检测与传感技术n 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。所示。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：第二章 检测与传感技术n 将此电压信号放大、整形变换为方波，将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。量分辨率等于栅距。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器第二章 检测与传感技术n1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器 sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节距（0.5mm0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺第二章 检测与传感技术n 包包括括定定尺尺和和滑滑尺尺，用用制制造造印印刷刷线线路路板板的的腐腐蚀蚀方方法法在在定定尺尺和和滑滑尺尺上上制制成成节节距距T(一一般般为为2mm)的的方方齿齿形形线线圈圈。定定尺尺绕绕组组是是连连续续的的，滑滑尺尺上上分分布布着着两两个个励励磁磁绕绕组组，分分别别称称为为正正弦弦绕绕组组和和余余弦弦绕绕组组。当当正正弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组相相位位相相同同时时，余余弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组错错开开1/4节节距距。滑滑尺尺和和定定尺尺相相对对平平行行安安装装，其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（0.050.2mm）。）。二、感应同步器二、感应同步器第二章 检测与传感技术n2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理n 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。尺的相对位置有关。n 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距为，节距为T，则正弦绕组单独，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为供电时，在定尺上感应电势为二、感应同步器二、感应同步器第二章 检测与传感技术n余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器二、感应同步器由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为第二章 检测与传感技术n式中式中：nK定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；n 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）度）nT节距，表示直线感应同步器的周期，标准式节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为直线感应同步器的节距为2mm。n 利用感应电压的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行，从而进行位置检测。位置检测。二、感应同步器二、感应同步器第二章 检测与传感技术n3.测量方法测量方法n 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。二、感应同步器二、感应同步器第二章 检测与传感技术n(1)鉴相式工作法鉴相式工作法n 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差幅值，但相位相差90o的两个电压，设的两个电压，设二、感应同步器二、感应同步器则则则则 从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移的相对位移的相对位移的相对位移x x：第二章 检测与传感技术二、感应同步器二、感应同步器n2.鉴幅工作法鉴幅工作法n 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：则：则：则：由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。第二章 检测与传感技术n1.磁栅式位移传感器的结构磁栅式位移传感器的结构 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器1 1磁性膜磁性膜 2 2基体基体 3 3磁尺磁尺 4 4磁头磁头 5 5铁芯铁芯 6 6励磁励磁绕组绕组 7 7拾磁绕组拾磁绕组第二章 检测与传感技术n2.原理：原理：n 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：压为：三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器UU0 0输出电压系数；输出电压系数；输出电压系数；输出电压系数；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。式中：式中：式中：式中：在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向第二章 检测与传感技术n3.测量方式测量方式n(1)鉴幅测量方式鉴幅测量方式 n如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为掉后则得到相位差为/2的两组信号的两组信号n 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。杂的信频电路，所以不常采用。三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器第二章 检测与传感技术n2.鉴相测量方式鉴相测量方式n将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电，则得到输出电压为压为n在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压UU的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置的相对位置的相对位置的相对位置 变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。定磁头的位置。定磁头的位置。定磁头的位置。第二章 检测与传感技术2.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n一、旋转变压器一、旋转变压器n二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n1.结构如图所示结构如图所示n 旋转变压器一般做旋转变压器一般做n成两极电机的形式。成两极电机的形式。n在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组n和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的n轴线相互成轴线相互成90。在。在n转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组n正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成90，一般，一般将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。）短接。一、旋转变压器一、旋转变压器第二章 检测与传感技术n2.原理原理n 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为通常为400Hz、500Hz、1000Hz及及5000Hz等等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。用于小角位移的相对测量。一、旋转变压器一、旋转变压器第二章 检测与传感技术n3.测量方式测量方式n当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势得到感应电势U3，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，U3值为值为激磁电压激磁电压U1和和U2的感应电势之和，即的感应电势之和，即一、旋转变压器一、旋转变压器式中式中式中式中:k k=ww1 1/ww2 2旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比 ww1 1、ww2 2转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数第二章 检测与传感技术n 线性旋转变压器实际上线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比采用了特定的变压比k和和接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内（一般为（一般为60），其输），其输出电压和转子转角出电压和转子转角成线成线性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为一、旋转变压器一、旋转变压器第二章 检测与传感技术n1.增量式增量式编码器结构编码器结构二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n2.增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理n 鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检两组透明检测窄缝，它们彼此错开测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使节距，以使A、B两个两个光电变换器的输出信号在相位上相差光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器器A、B的输出电压相位差为的输出电压相位差为90。经逻辑电路处。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n3.绝对式编码器原理绝对式编码器原理n 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。盘有光电式、接触式和电磁式三种。n 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码制黑白等间隔图案，形成一套编码 二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n 黑色不透光区和白黑色不透光区和白色透光区分别代表二色透光区分别代表二进制的进制的“0”和和“1”。在一个四位光电码。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示道，每一个码道表示二进制的一位，里侧二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，是高位，外侧是低位，在在360范围内可编数范围内可编数码数为码数为24=16个。个。二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n 工作时，码盘的一工作时，码盘的一侧放置电源，另一边侧放置电源，另一边放置光电接受装置，放置光电接受装置，每个码道都对应有一每个码道都对应有一个光电管及放大、整个光电管及放大、整形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光电元件接同位置，光电元件接受光信号，并转成相受光信号，并转成相应的电信号，经放大应的电信号，经放大整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n4.绝对式编码器非单值性误差的消除绝对式编码器非单值性误差的消除n(1).循环码盘循环码盘n(或称格雷码盘或称格雷码盘)n右图所示为四位二右图所示为四位二n进制循环码。这种进制循环码。这种n编码的特点是任意编码的特点是任意n相邻的两个代码间相邻的两个代码间n只有一位代码有变只有一位代码有变n化，即化，即“0”变为变为“1”n或或“1”变为变为“0”。因。因n此，在两数变换过此，在两数变换过n程中，所产生的读程中，所产生的读n数误差最多不超过数误差最多不超过n“1”，只可能读成，只可能读成n相邻两个数中的一个数。相邻两个数中的一个数。二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术n(2).带判位光电装置带判位光电装置的二进制循环码盘的二进制循环码盘n 该码盘最外圈上的该码盘最外圈上的信号位的位置正好与信号位的位置正好与状态交线错开，只有状态交线错开，只有当信号位处的光电元当信号位处的光电元件有信号时才读数，件有信号时才读数，这样就不会产生非单这样就不会产生非单值性误差。值性误差。二、光电编码器二、光电编码器第二章 检测与传感技术2.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n一、直流测速发电机一、直流测速发电机n二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器n三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器n四、加速度传感器四、加速度传感器第二章 检测与传感技术n 测速发电机的结构有多种，测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图但原理基本相同。图217所示为永磁式测速发电机原所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。换成正比的直流电势。一、直流测速发电机一、直流测速发电机n n 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。已安装了测速发电机。已安装了测速发电机。已安装了测速发电机。第二章 检测与传感技术n 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔的时间间隔t，则可测得速度为，则可测得速度为二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器第二章 检测与传感技术n 光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数内的脉冲数N，则可测得转速为，则可测得转速为二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器第二章 检测与传感技术n 差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工作原理如差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，即下图所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，即三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器第二章 检测与传感技术 当差动变压器以被测速度当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度度v（m/s）相对应的电压输出，即）相对应的电压输出，即 差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围102000mm/s（可调），输出电压（可调），输出电压10V（max），输出电流），输出电流10mA（max），频带），频带宽度宽度500Hz。三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器第二章 检测与传感技术n 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。式和压电式等。四、加速度传感器四、加速度传感器第二章 检测与传感技术n 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。用。这一系统的固有频率可以做得很低。四、加速度传感器四、加速度传感器第二章 检测与传感技术n 压电加速度传感压电加速度传感器结构原理如右图器结构原理如右图所示。使用时，传所示。使用时，传感器固定在被测物感器固定在被测物体上，感受该物体体上，感受该物体的振动，惯性质量的振动，惯性质量块产生惯性力，使块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生变形。压电元件产生压电元件产生四、加速度传感器四、加速度传感器n n的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。n n 压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。第二章 检测与传感技术n 下图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极相对质量块产生位移，使电容使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增大，中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速度传另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。值。四、加速度传感器四、加速度传感器第二章 检测与传感技术n（一）柱式弹性元件（一）柱式弹性元件n 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压压)力传感器。力传感器。2.5 测力传感器测力传感器第二章 检测与传感技术n2.悬臂梁式弹性元悬臂梁式弹性元n其特点是结构简单、其特点是结构简单、加工方便、应变片粘加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感精度的拉、压力传感器中。可测量器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同压力。在同2.5 测力传感器测力传感器n n一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P P，则应变，则应变，则应变，则应变与与与与P P力的关系为：力的关系为：力的关系为：力的关系为：件件件件第二章 检测与传感技术2.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用n一、传感器的选择一、传感器的选择n二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用第二章 检测与传感技术n 1.测试要求和条件。测量目的、被测物理量选测试要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。量精度要求、测量所需时间要求等。n 2.传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。期、输入端保护等。n 3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率（温度、湿度、振动等）、测量时间、