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1、机机机机 电电电电 一一一一 体体体体 化化化化 技技技技 术术术术检测与传感器检测与传感器l 概概 述述l 线位移传感器线位移传感器l 角位移传感器角位移传感器l 速度传感器速度传感器l 加速度传感器加速度传感器l 测力传感器测力传感器l 压力传感器压力传感器l 光电传感器光电传感器l 光纤传感器光纤传感器l 磁感应式接近开关磁感应式接近开关l 温度传感器温度传感器l 传感器的准确选择和使用传感器的准确选择和使用l 传感器的信号采集与处理传感器的信号采集与处理机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 概概 述述 检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生
2、检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过活等各方面的有关信息通过检查与测量检查与测量的方法赋予的方法赋予定性与定量定性与定量结果的过程。结果的过程。大脑大脑感觉感觉器官器官肌肉肌肉关节关节视觉视觉嗅觉嗅觉听觉听觉味觉味觉触觉触觉神经神经神经神经四肢四肢控制器控制器驱动器驱动器执行执行机构机构传感器传感器接口接口/通信通信接口接口/通信通信l机电一体化与人机电一体化与人 传传感感器器相相当当于于人人的的感感觉觉器器官官，控控制制器器相相当当于于人人的的大大脑脑，执执行行机机构构和和驱驱动动器器相相当当于于肌肌肉肉和和关关节节，接接口口及及通通信
3、信系系统统相相当当于于人人的的神神经经系系统统。要要使使机机电电一一体体化化有有效效地地发发挥挥作作用用，必必须须首首先先借借助助传传感感器器获获取取外外部环境和系统内部各种各样的信息。部环境和系统内部各种各样的信息。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 概概 述述l传感器传感器传传感感器器是是一一种种以以测测量量为为目目的的、以以一一定定的的精精度度把把被被测测量量转转换换为为与与之之有有确确定定关关系系的的、便便于于处处理理的的另另一一种种物物理理量量的的测测量量器器件件。传传感感器器的的输输出出信信号号多多为为易易处处理理的的电电量量，如如电电压压、电电流流、频频率率等等
4、。传传感感器器由由敏敏感感元元件件、传传感感元元件件及及测测量量转转换电路组成。换电路组成。敏感元件敏感元件传感元件传感元件测量转换电路测量转换电路非电量非电量非电量非电量电参量电参量电量电量（被测量）（被测量）机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 概概 述述 电 桥 放 大 显 示弹性敏感元件电阻应变片信号处理电路被测压力FRU 在在弹弹性性敏敏感感元元件件上上粘粘贴贴有有一一种种称称电电阻阻应应变变片片的的传传感感元元件件，该该传传感感元元件件能能将将变变形形量量转转换换为为电电阻阻值值（电电参参量量）的的变变化化。应应变变片片电电阻阻值值的的变变化化由由电电桥桥电电路路转
5、转换换成成电电压压输输出出，电电桥桥电路即为测量转换电路。电路即为测量转换电路。因因为为在在转转换换过过程程中中，压压力力、变变形形量量、电电阻阻值值及及电电压压均均成成线线性性关关系系，因因此此，最最终终压压力力与与电电压压成成线线性性对对应应关关系系。压压力力转转换换成成电电压压后后，经经过过放放大大等等一一系系列列处处理理，由由手手持持式式显显示示器器显显示示出压力变化值。出压力变化值。l传感器分类传感器分类（1）按被测量分类按被测量分类位位移移、力力、力力矩矩、转转速速、振振动动、加加速速度度、温温度度、压压力力、流流量量、流流速速等等传传感器。感器。（2）按测量原理分类按测量原理分类
6、电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电偶偶、超超声声波波、激激光光、红红外外、光光导导纤纤维维等等传感器。传感器。很很多多情情况况下下，传传感感器器的的命命名名是是将将被被测测量量和和被被测测原原理理相相结结合合的的，如如电电容容式式加加速速度度传传感感器器，表表示示该该传传感感器器的的测测量量对对象象是是加加速速度度，测测量量原原理理是是电电容容的的变变化化值。值。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 概概 述述机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器1-螺旋管式差动线圈螺旋管式差动线圈2-铁心铁心3-衔铁衔铁4-测杆测杆5-工
7、件工件 测测 微微 是是 指指 测测 量量 几几 个个 微微 米米（m）至至几几个个毫毫米米（mm）位位移移量的变化。量的变化。衔衔铁铁在在线线圈圈中中伸伸入入长长度度的的变变化化将将引引起起螺螺旋旋管管线线圈圈电电感感量量的的变变化化。当当衔衔铁铁偏偏离离中中间间位位置置时时，两两个个线线圈圈的的电电感感量量一一个个增增加加，一一个个减减小小，形形成差动形式。成差动形式。对对于于长长螺螺旋旋管管，衔衔铁铁工工作作在在螺螺旋旋管管中中部部一一定定区区域域时时，线线圈圈电电感感量量与衔铁移动的微小距离成线性关系。与衔铁移动的微小距离成线性关系。差差动动式式电电感感传传感感器器对对外外界界影影响响
8、，如如温温度度的的变变化化、电电源源频频率率的的变变化化等等基基本本上上可可以以互互相相抵抵消消，衔衔铁铁承承受受的的电电磁磁吸吸力力也也较较小小，从从而而减减小小了了测测量量误差。误差。1.电感式测微仪电感式测微仪电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置1-1-气缸气缸 2-2-活塞活塞 3-3-推杆推杆 4-4-被被测滚测滚柱柱 5-5-落料管落料管 6-6-电电感感测测微器微器 7-7-钨钢测头钨钢测头 8-8-限位限位挡挡板板 9-9-电电磁翻板磁翻板 10-10-容器（料斗）容器（料斗）机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器 线位移传感器线
9、位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电电位位器器式式位位移移传传感感器器是是基基于于电电阻阻分分压压比比原原理理来来进进行行位位移移测测量量的的，用用于于直直线线位位移移的的测测量量，最大行程可达最大行程可达500mm。2电位器式位移传感器电位器式位移传感器 电电位位器器式式位位移移传传感感器器的的输输出出电电压压Uo与与直直线线位位移移x成正比，即成正比，即Uo（x/L）UiL为直线电阻长度为直线电阻长度。由由于于滑滑动动触触点点与与导导电电塑塑料料和和引引出出轨轨道道之之间间相相互互接接触触，易易磨磨损损，所所以以电电位位器器式式位位移移传传感感器器适适用用于于
10、位位移变化不是很频繁的场合。移变化不是很频繁的场合。LxVCCOUTGNDVCC（棕）（棕）OUT（黑）（黑）GND（蓝）（蓝）机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器电电涡涡流流位位移移传传感感器器是是一一种种输输出出为为模模拟拟量量的的电电子子器器件件。当当金金属属物物体体接接近近此此感感应应面面时时，金金属属表表面面将将吸吸取取电电涡涡流流探探头头中中的的高高频频振振荡荡能能量量，使使振振荡荡器器的的输输出出幅幅度度线线性性地地衰衰减减，根根据据衰衰减减量量的的变变化化或或振振荡荡频频率率的的变变化化，可可计计算算出出与与被被检检物物体体的的距离、振
11、动等参数。距离、振动等参数。电电涡涡流流位位移移传传感感器器属属于于非非接接触触测测量量，工工作作时时不不受受灰灰尘尘等等因因素素的的影影响响，可在各种恶劣条件下使用。可在各种恶劣条件下使用。3.电涡流位移传感器电涡流位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器4.电涡流位移传感器应用（电涡流位移传感器应用（1）注塑机开合模间隙注塑机开合模间隙封口机工作间隙封口机工作间隙机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器4.电涡流位移传感器应用（电涡流位移传感器应用（2）偏心和振动检测偏心和振动检测冷轧板厚度测量冷轧板厚度
12、测量 线位移传感器线位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器在在透透射射式式直直线线光光栅栅中中，把把主主光光栅栅与与指指示示光光栅栅的的刻刻线线面面相相对对叠叠合合在在一一起起，中中间间留留有有很很小小的的间间隙隙，并并使使两两者者的的栅栅线线保保持持很很小小的的夹夹角角。在在两两光光栅栅的的刻刻线线重重合合处处，光光从从缝缝隙隙透透过过，形形成成亮亮带带；在在两两光光栅栅刻刻线线的的错错开开处处，由由于于相相互互挡挡光光作作用用而而形形成成暗暗带带，该该亮亮暗暗带带称称摩摩尔尔条条纹纹。光光栅栅水水平平方方向向正正反反移移动动时时，摩摩尔尔条条纹纹上上下下移移动动。因
13、因为为摩摩尔尔条条纹纹对对栅栅距距的的放放大大作作用用，摩摩尔尔条条纹纹距距离离为为L（LW），光光敏敏元元件件将将摩摩尔尔条条纹纹转转换换为为脉脉冲冲信信号号。每每移移动动一一个个栅栅距距，即即产产生生一一个个脉脉冲冲信号。信号。光栅指标：线光栅指标：线/mm如如100线线/mm，则则栅栅距距W=0.01mm，若若计计数数脉脉冲冲1000，则则光光栅栅移移动动距距离离为为0.011000=10mml原原理理机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 线位移传感器线位移传感器5.直线光栅直线光栅尺身尺身可移动电缆可移动电缆扫描头扫描头摩尔条纹摩尔条纹l概概述述 线位移传感器线位移传感
14、器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 倍倍频频技技术术能能在在不不增增加加光光栅栅刻刻线线数数及及价价格格的的情情况况下下提提高高光光栅栅的的分分辨辨力力。细细分分前前，光光栅栅的的分分辨辨力力只只有有一一个个栅栅距距的的大大小小。采采用用4 4倍倍频频技技术术后后，计计数数脉脉冲冲的的频频率率提提高高了了4 4倍倍，相相当当于于原原光光栅栅的的分分辨辨力力提提高高了了3 3倍倍，测测量量步步距距是是原原来来的的1/41/4，较大地提高了测量精度。，较大地提高了测量精度。倍频前倍频前 倍频后倍频后l倍倍频频有有一一直直线线光光栅栅，每每毫毫米米刻刻线线数数为为50，细分数为，
15、细分数为4细分，则：细分，则：分辨力分辨力 =W/4=（1mm/50）/4=0.005mm=5 m采采用用细细分分技技术术，在在不不增增加加光光栅栅刻刻线线数数（成成本本）的的情情况况下下，将将分分辨辨力力提提高了高了3倍。倍。角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器1.圆盘形电位器式角位移传感器圆盘形电位器式角位移传感器 电电位位器器式式角角位位移移传传感感器器是是基基于于电电阻阻分分压压比比原原理理来来进进行行角角度测量的。度测量的。电电位位器器式式角角位位移移传传感感器器的的输输出电压出电压Uo与角位移与角位移，即，即Uo（/360）UiVCCGND
16、OUT机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 角位移传感器角位移传感器2.编码器编码器 轴式轴式套式套式电信号电信号二进制编码二进制编码脉冲脉冲 l外观外观 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器位置反馈位置反馈 x 通通过过测测量量滚滚珠珠丝丝杠杠的的角角位位移移，间间接接获获得得工工作作台台的的直直线线位位移移x x，构构成成位位置置半半闭闭环环伺服系统。伺服系统。xt/360 螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距l测量方式测量方式机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 角位移传感器角位移传感器1111337.5 输出输出n位二进制编码
17、，每一个位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。编码对应唯一的角度。00000 000122.5 001045 1111337.5 3.绝对式测量绝对式测量（ABS）l二进制编码二进制编码 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器4位二进制码盘位二进制码盘4个电刷个电刷（导电为（导电为“1 1”，非导电为，非导电为“0 0”）最小分辨角最小分辨角 3602n 当当n4，3602422.5l分辨角分辨角 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 输输出出信信号号为为一一串串脉脉冲冲，每每一一个个脉脉冲冲对对应应一一个个分分辨
18、辨角角，对对脉脉冲冲进进行行计计数数N，就就是是对对 的的累累加加，即，角位移即，角位移 N。如如：0.352，脉脉冲冲N1000，则：则：0.352 1000352 4.增量式测量（增量式测量（INC）l输出信号及分辨角输出信号及分辨角 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器码盘码盘光栏板光栏板零位标志（一转脉冲）零位标志（一转脉冲）光敏元件光敏元件 360条纹数条纹数 透光条纹透光条纹l内部结构内部结构 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器90 ABAB 光光敏敏元元件件所所产产生生的的信信号号A、B彼彼此此相相
19、差差90 相相位位，用用于于辨辨向向。当当码码盘盘正正转转时时，A信信号号超超前前B信信号号90；当当码码盘盘反反转转时时，B信信号号超超前前A信信号号90。l辨向辨向 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器ABABA超前于超前于B90，正向正向A滞后于滞后于B90，反向反向l辨向脉冲信号辨向脉冲信号 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 /4细分前细分前4细分后细分后 在在现现有有编编码码器器的的条条件件下下，通通过过细细分分技技术术能能提提高高编编码码器器的的分分辨辨力力。细细分分前前，编编码码器器的的分分辨辨力
20、力只只有有一一个个分分辨辨角角的的大大小小。采采用用4细细分分技技术术后后，计计数数脉脉冲冲的的频频率率提提高高了了4倍倍，相相当当于于将将原原编编码码器器的的分分辨辨力力提提高高了了3倍倍，测测量量分分辨辨角角是是原原来来的的1/4，提提高了测量精度。高了测量精度。l倍频倍频 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 一转（360）CC 在在码码盘盘里里圈圈，还还有有一一条条狭狭缝缝C，每每转转能能产产生生一一个个脉脉冲冲，该该脉脉冲冲信信号号又又称称“一一转转信信号号”或或零零标标志志脉脉冲冲，作作为为测量的起始基准。测量的起始基准。l零标志零标志 角位
21、移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器lM法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）m1T 有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，其其参参数数为为1024p/r，在在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，则转速（个脉冲，则转速（r/min)为为：n=6065536/（10245）=768r/min 编编码码器器每每转转产产生生N 个个脉脉冲冲，在在T 时时间间段段内内有有m1个个脉脉冲冲产产生生，则则转转速速（r/min)为为:n=60m1/（NT）5.增量式编码器数字测速增量式编码器数字测速 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化
22、技术检测与传感器检测与传感器lT法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）编码器输编码器输出脉冲出脉冲时钟脉冲时钟脉冲fcm2 编编码码器器每每转转产产生生N 个个脉脉冲冲，用用已已知知频频率率fc作作为为时时钟钟，填填充充到到编编码码器器输输出出的的两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数数为为m2，则则转转速速(r/min)为：为：n=60fc/（Nm2）有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，其其参参数数为为1024p/r，测测得得两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数数为为3000，时时钟钟频频率率fc为为1MHz，则转速（则转速（r/min)为为：n=60f
23、c/（Nm2）=60106/（10243000）=19.53r/min6.编码器编码器在数控车床主轴控制中的应用在数控车床主轴控制中的应用l主轴编码器主轴编码器 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器l 主轴编码器用于主轴编码器用于C 轴控制轴控制自驱刀头自驱刀头CZn工件工件 角位移传感器角位移传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器卡盘卡盘主轴编码器主轴编码器主轴主轴回转刀盘回转刀盘ZCn机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器 通常是指转速传感器。有测速发电机模拟测速、光电编码器数字测速、电通常是指
24、转速传感器。有测速发电机模拟测速、光电编码器数字测速、电涡流测速及霍尔测速等。涡流测速及霍尔测速等。UnnUnn+UnmaxUnmax+nmaxnmax1.测速发电机测速发电机机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器n鉴鉴相相PAPBCP方向方向TTL2.增量式增量式光电编码器数字测速光电编码器数字测速ff nM法法测测速速和和T法法测测速速。详详见见光光电编码器的内容。电编码器的内容。方方向向TTL为为高高电电平平时时，表表示示CP脉脉冲冲为为正正转转计计数数脉脉冲冲；方方向向TTL为为低低电电平时，表示平时，表示CP脉冲为反转计数脉冲。脉冲为反转计数脉冲。
25、PAPB90 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 若若金金属属转转轴轴表表面面有有槽槽或或齿齿，则则可可在在其其旁旁边边非非接接触触地地安安装装电电涡涡流流式式传传感感器器用用于于转转轴轴的的转转速速测测量量，当当转转轴轴转转动动时时，传传感感器器周周期期地地改改变变着着与与转转轴轴表表面面之之间间的的距距离离，于于是是传传感感器器输输出出频频率率也也周周期期性性地地发发生生变变化化，可可以以用用频频率率计计测测量量出出变变化化的的重重复复频频率率，从从而而测测出出转转轴轴的的转转速速。若若转转轴轴上上开开有有Z个
26、个槽槽（或或齿齿），频频率率计计的的读读数数为为f（Hz），则则转转轴轴的转速的转速n（r/min）为）为n=60f/Z市市售售的的电电涡涡流流式式转转速速表表俗俗称称“电电感感转转速速表表”，其其工工作作原原理理实实质质上上是是电涡流效应。电涡流效应。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电电涡涡流流传传感感器器安安装装在在齿齿轮轮端端面面。每每转转过过一一个个齿齿，传传感感器器输输出出一一个个脉脉冲冲信信号号，在在设设定定的的时时间间内内对对脉脉冲冲进进行行计计数数即即可可获获得得脉脉冲冲频频率率，再再根根据据齿齿轮轮齿齿数数，就就可可获获得得齿齿轮轮的的转转速速。之之所所
27、以以设设置置A、B两两个个传传感感器器，是是因因为为要要获获得得齿齿轮轮是是正正传传还还是是反反转转的的信信息息。A、B两两个个传传感感器器的的输输出出波波形形如如图图中中所所示示，从从中中获获得得如如下下信信息息：一一是是，A、B两两路路脉脉冲冲不不是是对对齐齐的的，而而是是有有先先后后，称称为为超超前前或或滞滞后后，如如A脉脉冲冲超超前前B脉脉冲冲，则则表表示示齿齿轮轮正正转转，如如B脉脉冲冲超超前前A脉脉冲冲，则则表表示示齿齿轮轮反反转转；二二是是，脉脉冲冲频频率率与与齿齿轮轮转转速速是是相相对对应应的的，转转速越快，频率越高。速越快，频率越高。4.电涡流转速传感器用于齿轮转速测量的工程
28、实例电涡流转速传感器用于齿轮转速测量的工程实例 速度传感器速度传感器ABAB机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关5.电涡流式（电感式电涡流式（电感式）接近开关在位置限位中的应用）接近开关在位置限位中的应用 电涡流接近开关（电感接近开关）的电涡流接近开关（电感接近开关）的工作原理工作原理 电电感感接接近近开开关关由由LCLC高高频频振振荡荡器器和和放放大大处处理理电电路路组组成成，金金属属物物体体在在接接近近辨辨头头时时，表表面面产产生生涡涡流流。这这个个涡涡流流反反作作用用于于接接近近开开关关，使使接接近近开开关关振振荡荡能能力力衰衰减减，内内部部
29、电电路路的的参参数数发发生生变变化化，由由此此识识别别出出有有无无金金属属物物体体接接近近，进进而而控控制制开开关关的的通通或或断断。这这种种接接近近开开关关所所能能检检测测的的物物体体必必须须是导电性能良好的金属物体是导电性能良好的金属物体。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（1）机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关动动作作（检检测测）距距离离被被测测体体按按一一定定方方式式移移动动时时，从从基基准准位位置置（接接近近开开关关的的感感应应表表面面）到到开开关关动
30、动作作时时测测得得的的基基准准位置到检测面的空间距离的标称值。位置到检测面的空间距离的标称值。设设定定距距离离指指整整定定距距离离，一一般般为为额额定定动动作作距距离离的的0.8倍倍，以以保保证证工工作作可可靠靠。复复位位距距离离接接近近开开关关动动作作后后，又又再再次次复复位位时时的的与与物物的的距距离离，它它略略大大于于动动作作距离。距离。回回差差值值动动作作距距离离与与复复位位距距离离之之间间的的绝绝对对值值。回回差差值值越越大大，对对外外界界的的干干扰扰以以及及被被测测物物的的抖抖动动等等的的抗抗干干扰扰能能力力就就越强。越强。接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（2）接接近近开开关
31、关的的安安装装方方式式：分分齐齐平平式式和和非非齐齐平平式式。齐齐平平式式（又又称称埋埋入入型型）的的接接近近开开关关表表面面可可与与被被安安装装的的金金属属物物件件形形成成同同一一表表面面，不不易易被被碰碰坏坏，但但灵灵敏敏度度较较低低；非非齐齐平平式式（非非埋埋入入安安装装型型）的的接接近近开开关关则则需需要要把把感感应应头头露露出出一一定高度，否则将降低灵敏度。定高度，否则将降低灵敏度。齐平式安装齐平式安装非齐平式安装非齐平式安装机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关接近开关的术语解释（接近开关的术语解释（3）响响应应频频率率f 按按规规定定，
32、在在1秒秒的的时时间间间间隔隔内内，接接近近开开关关动动作作循循环环的的最最大大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。响响应应时时间间t 接接近近开开关关检检测测到到物物体体时时刻刻到到接接近近开开关关出出现现电电平平状状态态翻翻转转的的时间之差。可用公式换算：时间之差。可用公式换算：t=1/f机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 电感式接近开关电感式接近开关机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器5.霍尔霍尔式转速传感器原理式转速传感器原理 磁磁铁铁和和开开关关型型霍霍尔尔IC保保持持一一定定的的
33、间间隙隙且且固固定定不不动动，软软铁铁分分流流翼翼片片随随转转轴轴一一起起转转动动。当当翼翼片片转转到到磁磁铁铁与与霍霍尔尔IC之之间间时时，磁磁场场被被屏屏蔽蔽，霍霍尔尔IC输输出出高高电电平平，反反之之为为低低电电平平。随随着着转转轴轴的的转转动动，霍霍尔尔IC输输出出一一串串脉脉冲冲，且且转转速速越越快快，脉冲频率脉冲频率f（Hz）越大。若翼片数为）越大。若翼片数为Z，则转轴的转速，则转轴的转速n（r/min）为：）为：n=60f/Z机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器若若汽汽车车在在刹刹车车时时车车轮轮被被抱抱死死，将将产产生生危危险险。用用霍霍尔
34、尔转转速速传传感感器器来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。来检测和保持车轮的转动，有助于控制刹车力的大小和防止侧偏。6.霍尔式转速传感器应用霍尔式转速传感器应用 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 速度传感器速度传感器半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁感感应应强强度度为为B 的的磁磁场场中中，磁磁场场方方向向垂垂直直于于薄薄片片，当当有有电电流流I 流流过过薄薄片片时时，在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象，这种现象称为称为霍尔效应霍尔效应。7.霍尔效应霍尔效应 机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器
35、检测与传感器 速度传感器速度传感器10.光电断续器测速光电断续器测速 用于非金属转件速度的测量用于非金属转件速度的测量齿齿盘盘每每转转过过一一个个齿齿，光光电电断断续续器器就就输输出出一一个个脉脉冲冲。通通过过脉脉冲冲频频率率的的测测量量或或脉脉冲冲计计数数，即即可可获获得得齿齿盘盘转速和角位移。转速和角位移。光光电电断断续续器器广广泛泛应应用用于于自自动动控控制制系系统统、生生产产流流水水线线、机机电电一一体体化化设设备备、办办公公设设备备和和家家用用电电器器中中。光光电电断断续续器器的的发发光光二二极极管管可可以以用用直直流流电电驱驱动动，亦亦可可用用40kHz尖尖脉脉冲冲电电流流驱驱动动
36、；红红外外LED的的正正向向压压降降约约为为1.11.3V，驱驱动动电流控制在电流控制在20mA以内。以内。加速度传感器加速度传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器1压电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器 压压电电式式振振动动加加速速度度传传感感器器是是一一种种接接触触式式测测量量的的传传感感器器。当当传传感感器器与与被被测测振振动动加加速速度度的的机机件件紧紧固固在在一一起起后后，传传感感器器受受机机械械运运动动的的振振动动加加速速度度作作用用，压压电电晶晶片片受受到到质质量量块块惯惯性性引引起起的的压压力力，大大小小由由Fma决决定定。惯惯性性引引起起的的压压力力
37、作作用用在在压压电电晶晶片片上上产产生生电电荷荷，电电荷荷由由引引出出电电极极输输出出，由由此此将将振振动动加加速度转换成电参量。速度转换成电参量。许许多多压压电电加加速速度度传传感感器器将将电电荷荷放放大大器器做做在在同同一一壳壳体体中中，传传感感器器输输出出信信号号是是电电压压，同同时时用用标标准准重重力力加加速速度度g作作为为加加速速度度的的单单位位，所所以以压压电电加加速速度度传传感感器器的的灵灵敏敏度度单单位位为为mV/g，通常为，通常为101000mV/g。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器2压电晶片压电晶片 某某些些电电介介质质在在沿沿
38、一一定定方方向向上上受受到到外外力力作作用用而而变变形形时时，内内部部会会产产生生极极化化现现象象，同同时时在在其其表表面面会会产产生生电电荷荷，产产生生的的电电荷荷量量与与所所受受外外力力的的大大小小成成正正比比；当当外外力力去去掉掉后后又又重重新新回回到到不不带带电电的的状状态态，这这种种现现象象称称为为压压电电效效应应。具具有有压压电电效效应应的的电电介介质质有有石石英英晶晶体体、压压电电陶陶瓷瓷等等。压压电电效效应应产产生生的的电电荷荷经经电电荷荷放放大大器器放放大大后转换成电压值。后转换成电压值。在在压压电电式式动动态态力力传传感感器器中中，被被测测力力通通过过传传力力上上盖盖使使压
39、压电电晶晶片片受受压压力力作作用用而而产产生生电电荷荷，通通过过电电极极和和引引出出插插头头将将电电荷荷输输出出。电电荷荷量量与与所所受受的的动动态态力力成成正正比比，只只要要用用电电荷荷放放大大器器测测出电荷的变化量就可测量出动态力的变化量。出电荷的变化量就可测量出动态力的变化量。当当力力的的方方向向改改变变时时，电电荷荷的的极极性性随随之之改改变变，输输出出电电压压的的频频率率与与动动态态力力的的频频率率相相同同；当当动动态态力力变变为为静静态态力力时时，电电荷荷将将由由于于表表面面漏漏电电而而很很快快泄漏、消失。泄漏、消失。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 加速度传感
40、器加速度传感器4频谱分析法进行故障诊断频谱分析法进行故障诊断频谱频谱分析仪分析仪机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器5电容式加速度传感器电容式加速度传感器 电电容容式式加加速速度度传传感感器器外外观观与与普普通通集集成成电电路路相相似似。通通过过表表面面微微加加工工技技术术，在在硅硅衬衬底底上上制制造造出出三三个个多多晶晶硅硅电电极极，组组成成差差动动电电容容。底底层层和和顶顶层层多多晶晶硅硅固固定定不不动动，中中间间层层多多晶晶硅硅是是一一个个可可以以上上下下振振动动的的振振动动片片。当当电电容容加加速速度度传传感感器器受受到到上上下下振振动动时时，
41、电电容容差差动动变变化化，与与加加速速度度测测试试单单元元封封装装在在一一起起的的信信号号处处理理电电路路将将电电容容变变化化量量抟抟换换成电压输出。成电压输出。1加速度测试单元加速度测试单元2信号处理电路信号处理电路3衬底衬底4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极）5硅悬臂梁硅悬臂梁6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器6电容式加速度传感器电容式加速度传感器图图示示加加速速度度传传感感器器以以微微细细加加工工技技术术为为基基础础，既既能能测测量量交交变变加加速速度度（振振动动），也也可可测测量量惯惯性性力力或
42、或重重力力加加速速度度。可可输输出出与与加加速速度度成成正正比比的的电电压压，也也可可输输出出占占空空比比正正比比于于加速度的加速度的脉冲。脉冲。使用加速度传感器可以在汽使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气囊迅速充气。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 加速度传感器加速度传感器7差动差动电容电容 电电容容的的大大小小与与极极板板的的面面积积、极极距和极板间的介质有关。距和极板间的介质有关。当当极极板板面面积积和和介介质质不不变变时时，电电容容大大小小与与极极距距成成反反比比。当当动动极极板板在在两两静静极极板板中中间间时时
43、，电电容容C1等等于于C2，总总电电容容值值C等等于于零零（CC1C20），当当动动极极板板向向上上有有微微小小移移动动时时，电电容容C1增增大大C（C1C1C），电电容容C2减减小小C（C2C2C），则则总总电电容容CC1C22C，这这就就是是差差动动的的基基本本原原理。理。C1C2 测力传感器测力传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器金属箔式应变片金属箔式应变片金属丝式应变片金属丝式应变片1.应变片应变片 导导体体或或半半导导体体材材料料在在外外界界力力的的作作用用下下会会产产生生机机械械变变形形，其其电电阻阻值值也也将将随随之之发发生生变变化化，这这种种现现象象称称为
44、为应应变变效效应应。电电阻阻丝丝或或半半导导体体应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化量量R/R与与材材料料力力学学中中的的轴轴相相应应变变x的的关关系在很大范围内是线性的。系在很大范围内是线性的。机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 测力传感器测力传感器电桥平衡条件电桥平衡条件：R1/R2=R4/R3调调 节节 RP，最最 终终 可可 以以 使使R1/R2=R4/R3（R1、R2 是是R1、R2并并联联RP后后的的等等效效电电阻阻），电电桥桥趋趋于于平平衡衡，Uo被被预预调调到到零零位位，这这一一过过程程称称为为调调零零。图图中中的的R5是是用于减小调节范围的限流电阻。用于
45、减小调节范围的限流电阻。2.电桥平衡电路电桥平衡电路机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 测力传感器测力传感器FF电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：（1）将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构）将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路。（2）是将应变片贴于被测试件上，然后将
46、其接到应变仪上就可直接从应变）是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。仪上读取被测试件的应变量。固定端固定端F悬臂梁弹性元件悬臂梁弹性元件S型弹性元件型弹性元件3.弹性敏感元件弹性敏感元件 测力传感器测力传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器F应变片应变片FF4.应变式荷重传感器应变式荷重传感器 应应变变式式荷荷重重传传感感器器主主要要用用来来测测力力和和称称重重。应应变变片片粘粘贴贴在在承承重重等等截截面面钢钢制制圆圆柱柱表表面面上上，当当等等截截面面圆圆柱柱受受外外加加力力作作用用时时,应应变变片片随随圆圆柱柱的的变变形形而
47、而产产生生相相应应的的变变形形，从从而而使使应应变变片片的的电电阻阻值值发发生生变变化化，应应变变片片组组成成的的电电桥桥电电路路将将电电阻阻的的变变化化量量转转换换成成相相应应的的电电压压输输出出，经经后续电路处理显示出外加力的大小。后续电路处理显示出外加力的大小。压力传感器压力传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口3.压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器进气管进气管 当当硅硅杯杯两两侧侧有有压压力力差差时时，硅硅杯杯产产生生变变形形，4个个应应变变片片阻阻值值发发生生变变化化，经经电电桥桥电电路路输输出出与与压压差差成正比的电
48、压。成正比的电压。当当进进气气口口向向大大气气敞敞开开时时，输输出出电电压压对对应应于于“表表压压”（相相对对于于大大气气压压的的压压力力）；当当进进气气口口封封闭闭并并抽抽真真空空时时，输输出出电电压压对应于对应于“绝对压力绝对压力”。表压压力传感器表压压力传感器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器1.遮断式光电开关遮断式光电开关 遮遮断断式式光光电电开开关关由由相相互互分分离离且且相相对对安安装装的的光光发发射射器器和和光光接接受受器器组组成成。当当被被检检测测物物体体位位于于发发射射器器和和接接受受器器之之间间时时，光光线线被被阻阻断断，接接受受器器
49、接接受受不不到到红外线而产生开关信号。红外线而产生开关信号。Receiver被检测物体被检测物体光发射器光发射器光接收器光接收器机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器2.定区域反射式光电开关定区域反射式光电开关 定定区区域域式式光光电电开开关关有有一一个个非非常常确确定定的的检检测测区区域域，不不经经过过该该区区域域的的被被测测物物体体不不会会引引起起光光电开关产生开关信号。电开关产生开关信号。检测距离检测距离检测距离机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器 反反射射镜镜使使用用偏偏光光三三角角棱棱镜镜，能能将将发发射射器器
50、发发出出的的光光转转变变成成偏偏振振光光反反射射回回去去，光光接接收收器器表表面面覆覆盖盖一一层层偏偏光光透透镜镜，只只能能接接受受反射镜反射回来的偏振光。反射镜反射回来的偏振光。反射镜反射镜被测物体被测物体偏振光偏振光发射光发射光3.反射镜反射型光电开关反射镜反射型光电开关机电一体化技术机电一体化技术检测与传感器检测与传感器 光电传感器光电传感器 漫漫反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体。当当被被测测物物体体经经过过该该光光电电开开关关时时，发发射射器器发发出出的的光光线线经经被被测测物物体体表表面面反反射射由由接接受受器器接接受受，于于是是产产生