机电一体化讲议第一二章.ppt

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1、第一章 机电一体化技术概论,吉林大学 机械电子工程学科赵丁选,一、引言,新技术革命：以信息技术为中心，提高工作效率为目标。信息技术三大支柱，即：测量与控制技术、计算机技术、通信技术。在这种新技术革命的影响和冲击下，使机电工业发生了极大变化。定义：机械技术与微电子技术、信息技术相结合，通称机电一体化。,例：机床，纯机械时，其加工精度、加工能力较低，数控机床后，使其功能增强、性能提高，而且成为可以代替人工操作的自动化机床。微电子技术与信息技术的引入，将使机械工业焕发青春机械向机电一体化方向发展，不但是机械本身的需要，而且是现代化生产装备向大型化、高效化方向发展的客观需要。机电一体化技术是保证科学操

2、作和科学管理的有效工具。,二、发展史,六十年代，日本通产省为扩大机械功能，在机械上采用电气和电子技术，曾结合数控机床做过不少实验，但末能获得成功。七十年代，微电子技术成熟，微机商品化，大规模集成电路问世，构成微机的基本单元CPU、ROM、RAM和接口电路已经模块化，自己制造计算机成为可能。机电一体化得以现实。71年，日刊工业新闻社发行机电一体化入门和机电一体化月刊，专门刊载机电一体化的新产品。,76年，机电一体化正式名字(英文名字是Mechatronics，是由Mechanism的前半部和Electronics后半部缩合而成)，我国现译为机电一体化。71到78年日本政府颁发机电法和机信法，对机

3、电一体化的发展起到积极推动作用，这个时期称之为萌芽时期。八十年代，在机信法指导下，机电一体化的产品如雨后春笋不断涌现，这个时期可称之为成长时期。九十年代，集成度提高，价格下降，机电一体化技术在世界范围内得到迅猛发展，机电一体化技术遍及社会各个领域。全盛时期开始。,三、现状,我国，目前机电一体化技术还相当落后，机械系统有万个品种，约有万个品种需要实现程度不同的机电一体化。但是从目前生产的机电产品来看，实现机电一体化的还比较少。例如：国内数控机床在机床中总拥有量较少，国外数控机床已占机床总拥有量的3080；国内柔性制造系统、工业机器人等还处于研制阶段。,3.1 国内情况,国外大型电站大都已实现计算

4、机控制，汽车工业已大量应用微机点火控制、安全报警、制动控制等，在这些方面我国还有较大差距，甚至近于空白。其它如家用电器、电子医疗机械、电气传动调速系统、低压电器、印刷机械、照相机械等，国外已普遍实现了机电一体化，我国大多还处于起步阶段。国此在我国机电产品中实现机电一体化，大力推广机电一体化技术，是我国四化建设中的一个重要课题，是振兴我国机电工业的一项战略决策。,3.2 产品范围,在新技术革命的浪潮中，自动化技术已深入到社会的各个方面，有人称之为全盘自动化。在这些自动化的系统中，主要是由很多种机电一体化产品所构成。从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。具体

5、地说，包括:,1._大型成套设备2._数控机床3._仪器仪表电子化4._自动化管理系统5._电子化量具量仪6._工业机器人7._电子化家用电器8._电子化电机传动与调整系统9._电子化电站自动装置与开关板10._电子医疗器械11._电子化低压电器12._微电脑控制加热炉,13._电子控制汽车或内燃机14._微电脑控制印刷机械15._微电脑控制食品机械或包装机械16._微电脑控制办公机械17._电子式照相机18._电子控制农业机械19._电子控制塑料加工机械20._电子控制电焊机21._计算机辅助设计系统(CAD)22._计算机辅助制造系统(CAM)23._计算机集成制造系统(CIM),四、几个

6、技术问题,机械与电子的溶合方式机械电子的技术构成机电一体化的效果,1、机械与电子的溶合方式,在机械本体上采用电子控制设备实现高性能和多功能。如数控机床用电子技术部分地代替原来由机械组成的控制部分，机械技术与电子技术最佳结合。如电子照相机以电子技术几乎全部代替机械式的信息处理机构，例如：电子表、按扭式电话机。机械部分比较简单，以电子部分开发为主的电子与机械共存的产品，使机械结构大为简化。如复印机械等。,2、机械电子的技术构成,机电一体化系统的构成可以由右图形象地表示出来。广义构成：硬件与软件硬件：机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元,传感器,执行机构,动力,人机交互设备,计算机,A、机械本体

7、,为了发挥机电一体化的特长，机械本体必须改善性能、减轻重量和提高精度。(1)减轻重量(2)提高刚性(3)实现组件化、标准化和系列化(4)提高系统整体的可靠性,B、传感器,分类：检测自身内部信息传感器、检测对象的外部信息传感器。模拟系统、数字系统（包括混合系统）等。组成：由检测、转换、指示、信息处理、记录等部分组成。传感信息方式有：光、电、流体、机械等。评价指标有：功能、范围、灵敏度、分辨率、耐环境性、抗干扰性、可靠性等。,传感器的问题：集中在提高可靠性，灵敏度和精确性方面。提高可靠性与抗干扰有直接关系。为了避免干扰，目前有采用光纤电缆传感的趋势。对外部信息传感器来说，目前发展非接触型检测技术。

8、传感器向高级方向发展，主要实现功能元件化和智能化。所谓功能元件化，就是用一片集成电路功能元件，实现传感与信息处理一体化。智能化就是发展具有自修功能的传感器。,C、信息处理技术,信息处理设备：包括计算机主机或可编程控制器及其配套输入输出设备、显示器和外部存储器。存在问题：重量、处理速度、可靠性、抗干扰及标准化。,D、驱动技术,动力源：液压、气动、电动三种前两种驱动系统比较复杂。包括：泵、阀、油缸（气缸）、过滤器、管路等。目前存在着功能、可靠性、标准化以及减轻重量、减小体积等问题。电动机作为驱动机构已被广泛采用，但目前在快速响应和效率等方面还存在一些问题，不能满足要求。今后有待于研制内装编码器的电

9、动机以及控制专用组件、传感器、电动机三为一体的伺服驱动单元。,E、接口技术,定义：将机电一体化产品各组成部分连接起来的元件就是接口。接口标准化：不仅给信息传送和维修上带来方便，而且可以简化设计。今后方向：研制成本低、高速串行接口，解决信号电缆非接触化，光导纤维以及光耦合器的大容量化、小型化、标准化等问题，积极引进光信号传输技术。,F、软件与综合技术,软件与硬件如同一辆车子的两个轮子，必须协调一致地发展，如果失去平衡车子就无法前进。软件标准化：减少研制成本，提高维修效率。包括：子程序标准化、程序模块化、软件程序的固化等。应予以关注的的问题：数据库的建立，作业描述语言的开发，语言理解、文字理解软件

10、等。,机电一体化产品是一个系统，存在着许多综合技术问题。例如：由机械传动零件间隙造成的精度问题；机械零部件与电子元件相比响应速度慢的问题；连接电缆与接线柱的可靠性问题；零件标准化、互换性、兼容性以及检测自动化等问题。,3、机电一体化的效果,机电一体化的效果：功能增多，体积减少，重量减轻，可靠性提高，性能价格比大大改善。,A、性能提高、功能增强,例如，过去精密机床采用的是机械校正，只能校正机床的系统误差，现在数控机床，可克服随机误差和系统误差，从而可以达到前所未有的高精度。调整切削阻尼，减少颤振，保证很高的生产率与很高的加工表面光洁度。粗加工与精加工工序集成，深刻地改变了传统机床的结构布局，冲破

11、了传统的机床按类别的划分。,B、结构简化,因采用微处理机、集成电路、新型传动技术，代替电气控制柜和传动装置，使产品体积小，零部件数量减小，结构简化。例如：传统的电机控制靠用户，而实现机电一体化后出现了无换向器电机，提高了电机寿命，缩小了体积。“电脑”电动机用单片机控制电机的功率因素，根据负荷情况调节施加的电压，从而解决了不少电气传动中的“大马拉小车”问题，在空载提高效率3040，满载提高10。,3.矢量控制异步电动机，采用微型计算机对交流异步电动机实现矢量控制，使异步电机既具有直流电机一样的调节特性，而且还具有结构简单、可靠、电机容量不受限制、机械惯性小、体积小、效率高等优点。,C、可靠性提高

12、性,在电子元件质量可靠性高的前提下，机电一体化可以改善耐久性，减少故障。机电一体化产品具有自动监视诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电对策等，提高了安全可靠性,D、节约能源,机电一体化的产品，可以节约材料、节约能源。例如：我国目前各类电风扇的调整器为电磁机械式，如果用电子式调整器每年全国可节约电600万度；汽油机电子点火；液压挖掘机电子节能。,E、改善操作,机电一体化产品采用计算机控制，具有数字显示，减少了操作按扭及手柄，具有程序控制等功能，因而可以改善设备操作性能，减少训练操作人员时间。,F、提高灵活性（柔性）,机电一体化产品具有更大的灵活性，可以适应用户多样化的要求，是当代新技术革命

13、的一大趋向。例如，柔性制造系统，和工业机器人对于多品种小批量生产特别能发挥它的优越性。,五、先进械电系统举例,观看录相片：救火机器人系统（PAL，5分钟）机器人足球（NTSC，45分钟）具有临场感提示的远距离操纵工程机器人系统（NTSC，15分钟）,思考题,什么是机电一体化？以打夯机为例，内含机械与电气，问这是不是机电一体化产品？机电一体化产品由哪五部分构成？机电一体化的技术构成是什么？机电一体化技术中，机与电有几种溶合方式？产品实现机电一体化后，可以取得哪些成效？,第二章 传感器及测量系统(1),吉林大学 机械电子工程学科赵丁选,2.1 传感器及测量系统概述,在机电一体化产品中，传感器及测量

14、系统是一个十分重要的环节是获取信息与处理信息的手段只有在获得既准确又可靠的信息基础上，才能实现自动化，节省能源和原材料，提高机器效率。信息采集与处理：模拟量数字量。A/D转换器、D/A转换器。,发展趋势：(1)集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。(2)多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能传感器。(3)智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。(4)数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。,2.2 模拟量传感器及测量电路,35,2.2 模

15、拟量传感器及测量电路,传感器及测量电路：物理量、化学性能电信号F（U，I，f）模拟量传感：(1)直接传感器；(2)差动传感器（信号相加，干扰相减）；(3)补偿传感器（抗干扰）。模拟量传感器性能指标：精确度、稳定性、输入/输出特性。,图2-2-1模拟量传感器及其测量电路结构,2.3 模拟量传感器性能指标,36,2.3 模拟量传感器性能指标,精确度精确度指标：共有三个：精密度、准确度、精度。在工程上常用精度等级来表示传感器的精度（相对误差）。传感器的精度等级一般分为：0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。,2.3 模拟量传感器性能指标,37

16、,稳定性传感器的稳定性有两个方面：(1)稳定度：传感器的输出在所有条件恒定的情况下，于规定的时间内，维持其值不变的能力。如：3.454mV/h。(2)影响量：传感器的输出在外界条件变化的情况下而引起输出的变化量。例0.002mV/。,2.3 模拟量传感器性能指标,38,输入输出特性分类：静特性、动特性。1、静特性定义：静特性是指输入量不随时间而变化，只考虑它们之间的静态关系静特性的主要指标：线性度、灵敏度与滞环。(1)线性度：是指传感器输入/输出特性曲线用一条直线来近似代替时其准确程度。传感器输入与输出的典型特性曲线如图2-3-1所示。,2.3 模拟量传感器性能指标,39,(2)灵敏度：传感器

17、输出量增量与输入量增量之比，即传感器输入输出特性曲线上各点的斜率。(3)滞环:传感器输入/输出静特性在输入量上升时和下降时输出特性的不一致性。,图2-3-1传感器输入/输出的曲型特性曲线,2.3 模拟量传感器性能指标,40,滞环误差和滞环率为:滞环是由于传感器吸收能量所产生，所以滞环效应常伴着死区效应。,图2-3-2滞环与滞环误差图 2-3-3一阶动力学系统,2.3 模拟量传感器性能指标,41,2、动特性定义：当输入量随时间变化很快时，输入量与输出量之间的动态关系。传感器输入输出的动态特性是含有时间变量的微分方程。表达式为：bny(n)+bn-1y(n-1)+b1y(1)+b0y=bx(t)式

18、中：b0、b1、bn对线性系统来说是常数y、y(1)、y(n)输出信号的各阶导数输入信号x(t)与输出信号y(t)具有相同的量纲。,2.3 模拟量传感器性能指标,42,(1)一阶系统的动态响应一阶动力学系统可由刚度为的弹簧和粘性阻尼系数为的阻尼器并联组成，见图2-3-3(a)；也可由质量为的物体和粘性阻尼系数为的阻尼器串联组成，见图2-3-3(b)，动力学方程分别为：cy(1)+ky=kx(t)和 my(2)+cy(1)=cx(1)(t)可以写成同一个一阶惯性公式:T1y(1)+y=x(t),2.3 模拟量传感器性能指标,43,正弦信号激励下其幅频及相频响应为:,单位阶跃函数输入一阶系统时,通

19、过拉氏变换方法可以求得其响应为：,(2)二阶系统的动态响应二阶动力学系统可由质量为的物体、刚度为的弹簧和粘性阻尼系数为的阻尼器串联组成：其动力学方程为：my(2)+cy(1)+ky=kx(t),2.3 模拟量传感器性能指标,44,图2-3-4动力学系统在正弦输入信号时的响应曲线,2.3 模拟量传感器性能指标,45,图2-3-5 对单位阶跃输入信号的响应,图2-3-6 二阶动力学系统,2.3 模拟量传感器性能指标,46,正弦信号的激励下其幅频响应及相频响应为:,单位阶跃函数输入二阶系统时,通过拉氏变换方法可以求得其响应为:,2.4 数字量传感器及其测量电路,47,2.4数字量传感器及其测量电路,

20、数字量传感器有两种：直接数字量传感器可直接得到数字量输出的传感器，如角度数字编码器。间接数字量传感器通过A/D转换器得到数字量输出的传感器如光栅和感应同步器。按结构可分为三种类型：1、直接式数字量传感器其分辨率决定于数字量传感器的位数。被测物理量数字编码器信息提取装置数字量输出,2.4 数字量传感器及其测量电路,48,2、周期计数式数字量传感器数字量传感器的结构方框图如图2-4-2所示。其分辨率决定于周期信号发生器的性质。可采用电子细分来提高传感器的精度且具有辨向功能。,图2-4-2周期计数式数字量传感器的结构方框图,2.4 数字量传感器及其测量电路,49,2.4.3 频率式数字量传感器结构：

21、如图2-4-3所示。分类：带晶体振荡器、不带晶体振荡器其敏感元件可以是直接的和差动的，为了提高频率式数字量传感器的分辨率，一般采用倍频措施。,图2-4-3频率式数字量传感器的结构方框图,2.5 数字量传感器性能指标,50,2.5 数字量传感器性能指标,(1)分辨率(Q)改变一个测量计数所对应的被测量的变化值。式中xmax，xmin数字量传感器的测量上限与下限N数字量传感器的输出值Q越小，说明数字量测量装置的精度越高。,2.5 数字量传感器性能指标,51,(2)精度()测量误差值与实际测量值之比。数字量传感器测量装置的精度为：式中n测量值与实际值之差。(3)检测时间对被测参数进行两次采样之间的时

22、间间隔。(4)计数器字长根据检测装置的最大测量值xmax及分辨率(Q)可以确定计数器的最大计数值:,2.6 数字检测方法,52,2.6 数字检测方法,法数字检测定义：在一定时间T内，测取数字量传感器测量电路发出脉冲的个数来计算被测参数的方法。例如，图2-6-2中测量转速时，脉冲发生器每旋转一周输出P个脉冲，则转速n为:式中m在检测时间T内所得的脉冲数 T在设定的检测周期，单位s,2.6 数字检测方法,53,测速装置的分辨率为:测量装置的分辨率在不同的区段是不同的。在低段的分辨率低(精度低)，而在高段的分辨率高(精度高)。图2-6-1M法测量原理图 图2-6-2转速测量脉冲发生器,2.6 数字检

23、测方法,54,法数字检测定义：通过测量脉冲发生器发出的相邻两脉冲之间的间隔时间来计算被测参数的方法为T法例如，图2-6-2中测量转速时，脉冲发生器每旋转一周输出P个脉冲数。若采用频率为c的时钟脉冲进行计数，则转速n为:式中m在检测时间内所测得的脉冲数。分辨率为：,2.6 数字检测方法,55,测量装置的分辨率在不同的区段是不同的，在低段的分辨率高，而在高段的分辨率低。时钟脉冲频率fc越高，则检测装置的分辨率越灵敏。但这样会增加检测装置计数器字长，时钟脉冲频率fc由下式确定:式中nmin测量的最低转速。,图2-6-3法测量原理图 图2-6-4/法测量原理图,2.6 数字检测方法,56,2.6.3

24、M/T法数字检测定义：在固定的时间间隔内，由一个计数器对脉冲发生器的输出计数，得脉冲数m1，同时用另一计数器在同样的时间间隔内同步地对时钟脉冲进行计数，得另一脉冲数m2。计算公式：设脉冲发生器每转一周输出个脉冲数，若采用频率为fc的时钟进行计数，则转速n为:式中 m1在检测时间TC内所测得的信号脉冲数m2在检测时间TC内所测得的时钟脉冲数,2.6 数字检测方法,57,分辨率为:测量装置的分辨率是一个常数，与转速的高低无关。思考题1.简述机电一体化技术中传感器的发展趋势？2.什么是模拟量传感器，什么是数字量传感器，二者有什么区别？3.模拟量传感器的性能指标包括哪些内容？为什么要研究模拟量传感器的

25、动特性？4.数字量传感具有哪三种类型？它们有什么区别？5.数字量传感器的性能指标包括哪些内容？6.数字检测方法有哪三种？三者有什么区别？,第二章 传感器及测量系统（2）,吉林大学 机械电子工程学科赵丁选,2.7 光电传感器,59,2.7光电传感器,在车辆自动控制过程中充当着重要的角色分类：光束传感器、反射传感器、散射传感器原理：通过发射器发出可见、不可见或红外光，被接收器所接收，并转换成电信号。特点：(1)无接触检测，减少了被测物及探头的磨损，确保产品的使用寿命与安全操作。(2)被测物的材料不受限制，可测玻璃、塑料、木质及液体等各种的被测材料。(3)长距离检测，反射传感器的检测距离可达。(4)

26、反应速度快，其反应能力在50s之内。,2.7 光电传感器,60,(5)可分辨颜色。高精度检测，利用奇特的视觉系统和精确的电子线路可以实现对物体的精确测量。光电传感器分为亮通型与暗通型两类。光电器件分类：光电发射器、光电探测器2.7.1.1 光电发射器件(1)热辐射光源：如白炽灯。光谱连续、价格便宜(2)气体放电光源：如氙灯光源等。气体超高压放电发光。特点：效率高，发热少。(3)电致发光器：PN结发光（发光二极管）。特点：功率低，驱动电压低，效率高，可直接调制，小型化等。,2.7 光电传感器,61,(4)激光器：a.氦氖激光器：特点：输出连续，频率稳定，相干性与方向性极强，居各类激光之首。但效率

27、低体积大，电源复杂。b.半导体激光器：特点：效率相当高，容易调制，体积小，结构简单，抗振性能好，但方向性差，PN结掺杂影响大。2.7.1.1 光电探测器件原理：光电探测器件是利用物体的光电效应。分类：光电导效应，光伏效应和光电子发射效应三种。,2.7 光电传感器,62,1.光电导器件(光敏电阻)注意：光敏电阻必须在适当的波长光照射下，电阻才会改变。,图2-7-1光敏电阻的原理图 2-7-2 CdS、CdSe光谱响应曲线,2.7 光电传感器,63,2.光伏效应器件(光电二极管与光敏三极管)原理：利用光照在半导体器件上产生伏特效应而制成的器件，应用极广。(1)光电二极管原理：在光的照射下，光电二极

28、管产生光电流。注意：光电流向光电二极管的反方向流动。伏安特性：见图2-7-3（a）。等效电路：电流源与二极管的并联，如图2-7-3(b)所示光谱特性：如图2-7-4。,2.7 光电传感器,64,(2)光电三极管工作原理：光电转换，其功能同光电二极管；光电流放大，将光电流放大几十部至几百倍。分类：无基极引线、有极基引线两种。a)无基极引线光电管靠光的注入代替基极的信号输入，并将集电结产生的光电流放大。,图2-7-3光电二极管伏安特性 图2-7-4光电二极管光谱响应曲线,2.7 光电传感器,65,b)有基极引线光电管设置基极的主要目的是为了预置一个基极电流优点：减小了光电三极管发射极的电阻，可以改

29、善弱光下的响应时间；使光电三极管的交流放大系数进入线性区，这对调制光的检测特别有利。(3)光电池分类：硅光电池（最受欢迎）、硒光电池、硫化镉光电池、氧化亚铜光电池、砷化钾光电池等。硅光电池：性能稳定，光谱范围宽；频率特性好；换能效率高；能耐高能辐射等。,2.7 光电传感器,66,图2-7-5光电三极管输出特性图 2-7-6硅光电池光照特性曲线,2.7 光电传感器,67,光束传感器特点：发射器与接收器分开。,图2-7-7光束传感的电气结构图,2.7 光电传感器,68,反射传感器特点：发射器与接收器放于同一个外壳内。常规反射传感器：不能检测反光体，易产生误动作。带偏振片的反射传感器：无论是否反射体

30、在遮住光通路后就一定能被检出。与常规反射传感器的区别：(1)在发射器与接收器的光通道上分别安装互成直角的偏振片；(2)采用三角反射镜，经它反射的偏振光其振荡面旋转90。,图2-7-8带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构,2.7 光电传感器,69,2.7.4 散射传感器，结构：发射器与接收器也置于同一个外壳内，发出的光照在被测物体上，并被反射回来，被接收器接收。特点：对传感区域内发光与不发光的物体只要在传感器的灵敏度范围内，都可被检测。,图2-7-9散射传感器的工作原理,2.7 光电传感器,70,红外传感器图2-7-10曲型红外传感器的电气结构构成：光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成用途

31、：红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测,2.8 光纤传感器,71,2.8光纤传感器,光纤传感器概述起步：光纤传感器技术是70年代末发展起来的一项新型传感技术。技术构成：光纤传感技术是传统的光检测技术和纤维光学应用的结合应用范围：位移、振动、转速、温度、压力、电场、流量、浓度、PH值等70多项参数的检测。适用：普通光电传感器所不能适应的条件，例如有限空间、高温、或危险地区，因而具有广泛的应用潜力。测量原理：外界待测信号调制光参数光纤光电探测器。,2.8 光纤传感器,72,调制参数：光可以看成简谐振荡的电磁波，其电场分量表达式为：E=E0sin(t+)因此光可以被调制的参数有四个，即光强度、相

32、位、偏振角及频率。按调制形式分类：强度调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调制型。大部分传感器属于前三类。按光纤光纤作用分类：非功能型传感、功能传感两种。（1）非功能型传感器：利用外加的敏感元件对光进行调制而光纤仅仅作为传光之用。（2）能型光纤传感器：光纤不仅有用作传光，本身也是敏感元件。功能型光纤传感器的调制原理：温度、压力、振动 光纤 光纤的长度、形状、折射率等发生变化 光纤中传输光的强度、相位、偏振态等发生变化,2.8 光纤传感器,73,特点：(1)检则精度与灵敏度高。强度调制型光纤传感器的灵敏度与一般传感器不相上下，而相位调制型光纤传感器的灵敏度比普通传感器高出几个数量级，具有较大的动

33、态范围。(2)响应速度高，频响宽，可实现非接触高速检测。(3)环境适应性强，由于光纤具有可挠曲、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰，本质安全防暴，因而光纤传感器适用于一切场合。(4)体积小、重量轻，因而具有可集成的替力。随着集成光学的发展，将有可能出现将敏感元件、光学元件、光纤等集成一体的光纤传感器。,2.8 光纤传感器,74,图2-8-1强度调制型光纤传感器的几种基本形式及工作原理,2.8 光纤传感器,75,光纤传感器工作原理(1)强度调制型光纤传感器特点：结构简单、可靠性高、对光纤要求不高，信号检测简单等。(2)相位调制型光纤传感器原理：外界待测信号作用于光纤时，引起光纤中传输的光的相位必生变化。

34、测量：光相位变化难以直接检测出来，通常用光的干涉效应将光相位的变化转换为干涉强度的变化来检测。相位调制型光纤传感器又称为干涉型光纤传感器。相位调制型光纤传感器一般具有极高的灵敏度和动态范围。光纤干涉仪可以检测出小于10-6rad的相位变化。,2.8 光纤传感器,76,例 温度变化11m长的光纤中光相位变化100rad分辨率达到10-8,图2-8-2相位调制型光纤传感器的干涉系统及基本结构,2.8 光纤传感器,77,(3)偏振调制型光纤传感器 原理：法拉弟旋光效应（检测磁场与电场）；泡克尔效应（检则电场与电压）；光弹效应（测量应力）光弹效应原理：透明晶体在受到应力时，其内部对光的折射率发生变化。

35、,图2-8-3 偏振调制原理,2.8 光纤传感器,78,光导纤维光传输的载体，应用很广。结构：一种透明的圆柱形细丝，中间是折射率极高的透明介质，外面一层是折射率较低的透明介质，再外层一般涂上环氧树脂和硅胶保护层，并在最外层加上套管。特点：可以弯曲，但弯曲后将对子午线光的传输产生一定的影响，但引起的损耗是很小的。,图2-8-4光导纤维的结构及其损耗与波长的关系,第二章 传感器及测量系统（3）,吉林大学 机械电子工程学科赵丁选,2.9线位移传感器,线位移传感器概述用途：测量距离，高度、宽度等种类：接触型与非接触型。常用类型：电阻式、电容式、电感式、光电式，霍尔效应式等。重点介绍：半导体激光位移传感

36、器、电蜗流位移传感器，属非接触型位移传感器,半导体激光位移传感器,图2-9-1半导体激光位移传感器 图2-9-2电蜗流位移传感器,半导体激光位移传感器,结构：包括一个发光元件（发光二极管、激光器）、一个位置敏感检测器原理：采用三角测量。通过检测聚焦到位置敏感检测器上的光柱点的运动即可确定工作物体的位移量。特点：(1)具有高分辨率，可对各种不同的材料进行精确测量。(2)测量范围宽，可对高温快速移动的物体进行测量。(3)具有先进的激光安全性，不会对被测物体或人造成伤害。(4)在任何安装位置均可实现精确0V设定。(5)易于安装。,电蜗流位移传感器,基本结构：由探头（线圈、骨架、壳体、射频电缆和射频插

37、头）、与前置器构成。测量原理：前置放大器 高频信号激励 线圈 产生高频磁场 金属表面会感应出涡流 涡流损耗 线圈磁感应强度变化 经前置器转换成电压信号 距离（线性关系）,电蜗流位移传感器,特点：非接触式测量线性范围宽，080mm动态响应好，0-10kHz长期连续可靠工作，抗干扰能力强在水、油等恶劣环境条件下工作可长线传输直接与A、D接口相连配计算机使用,2.10光栅传感器,光栅传感器概述用途：精密直线位移、角位移测量，应用甚广举例：如高精度数控机床、三坐标轮廓仪、直径测量仪器。精度：直线位移测量精度可达0.5m，转角位移测量精度可分度1(1、3600度)。组成：一块测量栅，一块指示光栅。结构原

38、理：两栅均有相间条纹，间距相等，两光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹也移动一个条纹间距。用光电元件接收透过两块光栅的光能量，根据计数器累计的信号数，就可测得移动长度或移过转角。,2.10光栅传感器,图2-10-1长光栅模尔条纹 图2-11-1感应同步器的结构与工作原理,2.11感应同步器,特点：是一种数字传感器，分类：直线式与旋转式两种，前者用来检测直线位移，后者用来检测旋转角位移。结构：旋转式（定子、转子），直线式（定尺、滑尺）。滑尺上绕阻接成S组(正弦绕组)与C组(余弦绕阻)。安装：定尺安装于固定部分，滑尺安装在运动部分，二者作间隙很小的非接触移动。原理：正弦电压 S组 或C组 定尺上产生幅值

39、按正弦或余弦变化的感应电势输出信号可用幅值与相位来描述，通过鉴幅或鉴相系统可以检测出位移信号并进行数值显示。,2.12接近传感器,接近传感器概述用途：属无触点接近开关，用于导电、导磁金属材料的限位置、固体料位和液体液位检测等常用的接近传感器：感应式接近传感器，电容式接近传感器，及电磁式接近传感器高精度的接近传感器，还能检测金属薄板及渡层的厚度。优点：不直接接触被测物体，开关及被测物均没有机械磨损，使寿命很长，可适用于高速检测。原理：但当被测物体进入接近开关的灵敏区时，就会发出一个脉冲信号。灵敏区形状：探头附近的一个近似半球区域。,感应式接近传感器,适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量探头结

40、构分类：有屏蔽的、无屏蔽的两种。后者测量距离较前者为大。结构：振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路组成。工作原理：振荡器在探头端部产生磁场作用区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。,感应式接近传感器,图2-12-1感应式接近传感器的工作原理,电容式接近传感器,适用：非接触、空间有限。如各种管道内流体的测量、料位测量及对金属物品测量。结构：由振荡器、斯密特电路及输出电路组成，电容器的一个电极是传感电极，另一个电极是大地。原理：加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。,电容式接近传感器,图2-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理,电磁式接近传感器,适

41、用：非接触式导磁材料测量结构：内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧继电器。原理：导磁材料外界物体 靠近电磁式接近开关诱导面 磁场失去平衡 干簧继电器的触点闭合,2.13流量传感器,用途：对流动的介质液体或气体的流量进行检测的传感器。按工作原理分类：电子流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器、涡流流量传感器等。重点介绍：电子流量传感器与电磁流量传感器。,电子流量传感器,工作原理：基于热传导理论。两个精确温度电阻放置介质中，一个只受介质温度的影响，另一个被热源加热，介质流动时该电阻被冷却，比较两个电阻值，可得到传感信号，经二次仪表转化为介质的流量值。实际的流量传感器将两个电阻装于同一个传感器壳

42、体内。,电子流量传感器,图2-13-1电子流量感器原理 图2-13-2电磁流量感器原理,电磁流量传感器,测量原理：基于法拉弟电磁感应定律。交流驱动 传感器内磁芯产生交变磁场 被测介质为（水、或酸、碱、盐等导电液体）流动时相当于导体切害磁力线 两个电极上产生感应电动势 引出检测感应电动势 确定流速 确定流量构成：电磁流量传感器、电磁流量转换器。,2.14温度传感器,分类：高温传感器（热电偶、铂电阻以及红外辐射测温计）；常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）；低温传感器（铜电阻等）。,热敏电阻,说明：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体元件。特点：体积小，灵敏度高，价格崐低，所以应用最为广泛。分类：一

43、类电阻值随温度升高而增加（正的温度系数），一类随温度升高而降低（负的温度系数，常用）。特性：热电特性、伏安特性。,热敏电阻的热电特性,定义：电阻值随温度变化的关系，以坐标图表示它是一条指数曲线：式中：RT温度为T时的电阻值；T绝对温度，K；A、B由材料及制造工艺决定的系数热敏电阻材料：铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等氧化物做成。改变这些混合物的成分，就可以改变热敏电阻的测量范围、阻值及A、B值。,热敏电阻的热电特性,图2-14-1热敏电阻的热电特性图 图2-14-2热敏电阻的伏安特性图,热敏电阻伏安特性,说明：热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻的电流与其两端电压之间的关系。原理：当热敏电阻的电流很

44、小时，热敏电阻的伏安特性遵循欧姆定律；但当电流大到一定程度时，流过热敏电阻的电流使其自身温度升高，因而其阻值减小。因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止电流过大。,热电偶温度传感器,说明：是较早的一种接触式温度传感器，测量可从室温至1800。所以至今仍是应用最广的温度传感器。发展趋势：标准化（我国已8个品种）、小型化（最小的铠装热电偶直径为24mm）。测温原理：热电效应。将不同的导体或半导体A、B组成闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。,热电偶温度传感器,输出电动势：与两种材料的性质及两接点的温度差有关，与导体的大小，接触面积及连接方式无关。其输出电势为：EAB(t，t0)=f

45、AB(t)-fAB(t0)如果使热电偶的一个接点温度t0保持不变，设fAB(t0)=C，则上式可写成：EAB(t，t0)=fAB(t)-C,热电偶温度传感器,表明：产生的热电势EAB(t，t0)只与温度t有关，成为温度的单值函数。实际：使t端与工作介质接触，进行测温，称为工作端，t0端称为热电偶自由端或参考端或冷端。冰点槽装置：用于在工作中将自由端保持0恒温，然后将工作端的温度与电势关系列成表格，供测量人员使用。,热电偶温度传感器,图2-14-3热电偶效应图 2-14-4冰点槽装置,2.15转速及角位移传感器,编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的

46、反馈装置。用途：用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。特点：(1)能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差；(2)易于实现系统的快速、自动和数字化；(3)测量系统量程大，长度可以达数米甚至更长，角度可以在360范围内进行测量；(4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，使用和维护简单，工作可靠。,2.15转速及角位移传感器,绝对式旋转编码器可直接从分度盘的编码图案中得出角度位置，然后转换成编码信号。即使电源有瞬间掉电，只要主轴转速在允许范围内，都能通过控制器或计算机编译成编码信号。增量式旋转编码器以脉冲形式输出，被测物体每走

47、过一个当量距离，编码器就输出一个脉冲。,2.16 图像传感器,在机电控制、机器人的领域中起着重要的作用，尤以CCD图像传感器和红外线图像传感器应用最为广泛。CCD图像传感器：典型例，日本KEYENCE公司生产的VH系列图像显微检测仪。红外线图像传感器：典型例，AVIONICS公司生产的TVS-2000系列热图像系统。,2.16.1 CCD图像传感器,命名：CCD(Charge couple Device)即电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路的简称。结构：由感光部和CCD移位寄存器组成。原理：成像在CCD上的景物 感光部电信号 电子图像 CCD移位寄存器 放大器 输出分

48、类：中按结构和信号电荷传送方式，又可分为线阵(一维)和面阵两种。,线阵CCD图像传感器,中间是一列感光单元（光电二极管阵），两侧分别设置了CCD移位寄存器。感光单元按位置的奇偶性，分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。移位寄存器停顿时，转移栅开放，光电二极管所积累的电荷可以送到两侧的CCD移位寄存器中。接着转移栅关闭，感光部的光电二极管开始进行下一次读出的电荷积累。线阵CCD图像传感器广泛应用于传真等场合。,线阵CCD图像传感器,图2-16-2048位线阵CCD图像传感器结构,面阵CCD图像传感器,分类：按构成分为两种：

49、帧传送方式和行间传送方式。在帧传送方式垂直消影期中，感光部所积累的信号电荷快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。在行间传送方式中积累的电荷一次转送到邻接的垂直移位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。400500像素和800500像素的CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。1024800的CCD图像传感器也已用于TV摄像机。,面阵CCD图像传感器,图2-16-2帧传送面阵CCD图像传感器的结构 图2-16-3行间传送面阵CCD图像传感器的结构,红外图像传感器,功能：把波长为220m的红外图像TV时间系列扫描信号。构成：红外传感（量子型和热型）和电子扫描两部分。分类：量子型红外图像

50、传感器、热型红外图像传感器两大类。量子型红外图像传感器：采用固体电子扫描，如单片型CCD、混合型CCD或肖特基势垒型CCD等。热型红外图像传感器：采用热电光导摄像管式的电子扫描 或 采用热电红外CCD型的固体电子扫描。,热电光导摄像管,特征：靶电极用热电材料，采用镍铬和黄金黑体等吸收红外线的材料，其窗口采用能透过红外线的玻璃。原理：基于热电效应。景物 透镜 成像在热电光导摄像管上 红外热图像 在靶面上感应出相应的电压分布 被电子束拾取 做为时间序列信号读出,红外CCD,特征：是采用固体电子扫描的原理。最新的肖特基势垒型CCD图像传感器可制成灵敏度均匀的大面积图像传感器。,图2-16-4热电光导