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1、6.1 电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。电感式传感器的工作基础：电磁感应定律第1页/共87页6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类电感式传感器亦可称为自感式传感器或可变磁阻式传感器。传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。第2页/共87页6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类工作原理：在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈中的电感为：根
2、据磁路欧姆定律：合并两式可得：第3页/共87页6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类上式中,Rm为磁路总磁阻。气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 第4页/共87页6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类将以上各式联立，即得到：上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化。变磁阻式传感器可分为变气隙厚度(变间隙式)的传感器和变气隙截面积A0的传感器以及 同时改变和A0的电感传感器(螺管式)。第5页/共87页例5-1：如图所示，已知左右空气气隙的长度分别为X1和X2，空气气隙
3、的横截面积为S0，磁导率为0，线圈匝数为N，铁心总长度为Y（包括动铁心）,铁心横截面积为Si，铁心磁导率为i。（1）求电感式传感器的自感L的表达式。（2）当动铁心a左右移动时,分析左右空气气隙X1和X2发生变化时自感L的变化情况。（2）当动铁心a左右移动时,空气气隙的长度 X1和X2各自变而其和不变，因为其他变量都 不变，故L不变。（1）解：第6页/共87页6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类电感式传感器的分类：电感式传感器自感型互感型变面积型电感传感器螺线管型电感传感器变间隙型电感传感器第7页/共87页6.1.2 电感式传感器的输出特性当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移时，传感
4、器气隙减小，即=0-，则此时输出电感为一、变气隙型电感传感器第8页/共87页6.1.2 电感式传感器的输出特性当/020R20R，非线性误差小于非线性误差小于1.5%1.5%）第35页/共87页6.3.3 6.3.3 电位器传感器结构1.1.电阻丝：对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。2.2.骨架：对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等。3.3.电刷：电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。第36页/共87页6.3.4 6.3.4
5、电位计式位移传感器YHDYHD型电位计式位移传感器的结构如图。n测量轴1与被测物体接触，当有位移输入时，测量从轴便沿导轨5运动，同时带动电刷3移动。第37页/共87页6.5 6.5 光栅位移测试光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长度和角度的精密测量。6.5.1 6.5.1 光栅的基本结构一、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等距的刻线构成的，结构如图。1.1.栅线：平行等距的刻线栅线：平行等距的刻线2 2光栅栅距光栅栅距(光栅节距或光栅常数光栅节距或光栅常数)：d d=a a+b b第38页/共87页6.5 6.5 光栅位移测试二、光栅的分类 光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计
6、量光栅分类见图。第39页/共87页6.5.2 6.5.2 光栅传感器的工作原理一、光栅传感器的组成光栅传感器的组成如图所示。光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：W为栅距；为波长第40页/共87页二、莫尔条纹1.1.莫尔条纹：光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如图所示。在刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带；在刻线错开的地方，形成黑带。6.5.2光栅传感器的工作原理第41页/共87页 2.2.莫尔条纹的特征 (1)(1)运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向
7、有严格的对应关系。如图所示。6.5.2光栅传感器的工作原理第42页/共87页 (2)(2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。(3)(3)位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下：从上式可知，越小，条纹间距B B将变得越大，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为：6.5.2光栅传感器的工作原理第43页/共87页三、光栅的信号输出 主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹变化一个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是在一个直流分量上的叠加，即：6.5.2光栅传感器的工作原理x x主光栅与指示光栅间瞬时位移主光栅与指示光栅间瞬时位移
8、第44页/共87页6.6 码盘式传感器码盘又称角数字编码器，是将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量轴角位置和位移的方法之一。优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。第45页/共87页6.6 码盘式传感器编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：编码器 脉冲盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对编码器)接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 第46页/共87页6.6.1 增量式编码器增量式编码器的输出是一系列脉
9、冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。增量式编码器的结构图光源码盘光电元件Z 零位脉冲A 增量脉冲B辨向脉冲第47页/共87页6.6.1 增量式编码器图中的信号A和B是相位差90度的方波。若A相超前于B相，对应工作轴正向旋转；若B相超前于A相，对应工作轴反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可形成代表正向角位移和反向角位移的脉冲序列。每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个Z Z相一转基准脉冲信号。增量式编码器的结构图光源码盘光电元件Z 零位脉冲A 增量脉冲B辨向脉冲第48页/共87页6.6.2 码盘式传感器
10、(光电码盘式)用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。光电码盘式传感器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光源、柱面镜和光敏元件组成。基本结构如图所示。第49页/共87页一、二进制码盘 如图所示是一个四位二进制码盘，涂黑部分输出为 0 0，空白部分输出为 1 1。共 4 4圈码道，从内到外依次为C C4 4、C C3 3、C C2 2、C C1 1码道。6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)第50页/共87页6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)如图所示的4位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成24=16个黑白间隔。每一个角
11、度方位对应于不同的编码。例如零位a对应于0000（全黑）；第7个方位h对应于0111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个4位二进制码盘，其最小分辨的角度=22.5。第51页/共87页二进制码盘的特点为：1.n1.n位的二进制码盘具有2n种不同编码，其容量为2n，分辨角度为：2.2.二进码为有权码，编码Cn Cn-1Cn Cn-1C1 C1 对应于零位算起的转角为:6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)第52页/共87页二进制码盘的误差：原因：信号检测元件不同步或码道制作中不 精
12、确。误差：由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差(非单值性误差)。6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)hh位置时，若码道位置时，若码道CC44黑区做得太短，就会黑区做得太短，就会误读为误读为11111111。ii位置时，若码道位置时，若码道C4C4黑区做得太长，就会黑区做得太长，就会误读为误读为00000000。第53页/共87页6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多只是最低的一位数。第
13、54页/共87页二、循环码码盘 图是一个四位的循环码盘，表6.6.26.6.2 是十进制数、二进制数及四位循环码的对照表。二进制码转换成循环码的规则是：二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法得循环码。6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)第55页/共87页6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)表表6.6.26.6.2第56页/共87页若R R表示循环码，C C为二进制码，则：循环码变成二进制码的关系式为：6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)第57页/共87页二进制码与循环码的转换电路如图。6.6.2码盘式传感器(光电码盘式)第58页/共87页二进制码与循环码的转换电路如图。6.6.
14、2码盘式传感器(光电码盘式)第59页/共87页6.6.2 绝对编码器第60页/共87页6.6.3 光电码盘的应用增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。第61页/共87页6.6.3 光电码盘的应用在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度。第62页/共87页6.6.3 光电码盘的应用第63页/共87页6.8 6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式传感器也称为感应式传感器或电动式传感器。磁
15、电感应式传感器是利用电磁感应原理（导体和磁场发生相对运动产生感应电动势），将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号（机-电能量变换型传感器）。具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。第64页/共87页6.8.1 6.8.1 传感器工作原理及测量电路一、磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律,当N匝线圈在均恒磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系:导体运动切割磁场：e=Blv 第65页/共87页磁电感应式传感器的结构原理如图所示。6.8.1传感器工作原理及测量电路11线圈；线圈；22运
16、动部分；运动部分；33永久磁铁永久磁铁第66页/共87页6.8.1传感器工作原理及测量电路线圈在磁场中作直线运动时，它所产生感应电势为：线圈在磁场中转动时产生的感应电势为：综上可知，磁电传感器可用来测定线速度和角速度。第67页/共87页二、磁电感应式传感器测量电路 位移、速度和加速度测量电路如图所示。开关置2，测速度，置1，接积分装置，输出为位移，置3，接微分环节，输出为加速度。6.8.1传感器工作原理及测量电路第68页/共87页6.8.2 6.8.2 电感应式传感器的灵敏度K K直线运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：旋转运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：n可见，要提高系统灵敏度，总是希望
17、增加线圈匝数N和导线长度。但必须注意：线圈电阻和负载电阻的匹配；线圈的发热和温度影响（耗散功率）。第69页/共87页6.8.3 6.8.3 磁电式速度传感器一、相对速度传感器 图为国产CDCD2 2型磁电式相对速度传感器的结构示意图。n磁钢5通过壳体3构成磁回路，线圈4置于磁回路的气隙中，当被测物体振动通过顶杆1使线圈运动时，因切割磁力线，产生感应电动势，电动势的大小与被测物体之间的相对振动速度成正比。第70页/共87页二 、绝对速度传感器国产CDCD1 1型磁电式绝对速度传感器的结构及工作过程由图所示。n当传感器的壳体与被测物体一起振动时，如振动的频率较大，由于芯杆组件的质量较大，故惯性大，
18、可以阻碍芯杆与壳体一起振动，可以认为只有壳体随被测物体一起振动。这时，线圈以物体的振动速度切割磁力线，产生电动势。6.8.3磁电式速度传感器第71页/共87页6.9 6.9 光电效应及光电器件光电传感器是通过光电转换元件将光能转换成电能的传感器。6.9.1 6.9.1 外光电效应及器件 在光的作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。光电管和光电倍增管。第72页/共87页一、光电管及其特性 真空光电管的结构及工作原理如图所示。1.1.伏安特性 入射光一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系称为伏安特性。n当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。6.9.1 6.9.1 外
19、光电效应及器件第73页/共87页2.2.光电特性 阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电特性。3.3.光谱特性 光电管对光谱的选择性称为光谱特性。光电特性光谱特性6.9.1外光电效应及器件第74页/共87页二、光电倍增管图为光电倍增管的工作原理图。n具有一定能量的电子轰击倍增极，便产生二次电子。最后到达阳极，并输出电压脉冲。6.9.1外光电效应及器件 第75页/共87页在光线作用下使物体的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。光敏电阻，光导管等。一、光敏电阻的工作原理及结构图为光敏电阻的原理结构。n有些半导体在黑暗的环境下，电阻很高，当有光线照射时，如光子能量大于本征半导
20、体禁带宽度，则禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁禁带，激发出电子空穴对，从而加强导电性。6.9.2 6.9.2 内光电效应及器件 第76页/共87页二、光敏电阻的主要参数 1.1.暗电阻和暗电流 2.2.亮电阻和亮电流 3.3.光电流三、光敏电阻的基本特性 1.1.光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲称为光敏电阻的伏安特性。6.9.2内光电效应及器件 第77页/共87页2.2.光敏电阻的光照特性 光敏电阻光电流和光强的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。3.3.光敏电阻的光谱特性 对不同波长的入射光，光敏电阻相对灵敏度不同。各种不同材料的光谱特性曲线如图所示。n光敏电阻的光
21、照特性n光敏电阻的光谱特性6.9.2内光电效应及器件 第78页/共87页阻挡层光电效应是在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象。光电池、光敏晶体管。一、光电池及特性 1.结构及原理硅光电池的结构和 工作原理如图所示。nP型区表面吸收的光子越多，激发的电子空穴对越多。越向内部电子空穴对越少，由于浓度差，便会产生扩散，空穴是p区的多子，电子是N区的多子，便在p区形成正电荷，N区形成负电荷。6.9.3 6.9.3 阻挡层光电效应及器件 第79页/共87页2.光电池的基本特性(1)光电池的光谱特性 图所示曲线为硒光电池和硅光电池的光 谱特性曲线，即相对灵敏度k和入射光波长之间的关系曲线。n可见不
22、同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的，故在实际使用时要根据光源性质选择光电池。6.9.3阻挡层光电效应及器件 第80页/共87页(2)光电池的光照特性 图为硅光电池的光照特性曲线。二、光敏晶体管及特性 1.光敏晶体管的结构和工作原理 光敏二极管的符号及接线法如图所示。n开路电压与光照度非线性，而短路电流则与光照度成线性即应该把光电池当成电流源使用。6.9.3阻挡层光电效应及器件 第81页/共87页光敏三极管有PNP型和NPN型两种，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其符号如图所示。6.9.3阻挡层光电效应及器件 第82页/共87页2.光敏晶体管的基本特性 (1)光敏晶体管的光谱特性见图。(2)光
23、敏晶体管的伏安特性曲线见图。6.9.3阻挡层光电效应及器件 第83页/共87页(3)光敏晶体管的光照特性曲线见图。6.9.3阻挡层光电效应及器件 第84页/共87页一、工作原理光电式转速计是利用光电效应原理制成的。6.9.4 6.9.4 光电式转速计 n光电管构成的转速计分反射型和直射型两种。n光源1发射的光线经透镜2成为平行光，照射到模片3上。部分透射部分反射，经聚光镜4聚成一点，照射在黑白相间的光栅上，黑色吸收白色反射，再透过模片聚在光电元件上，形成光脉冲是光电管产生相应电脉冲。第85页/共87页n直射型光电式转速计被测轴1上装有带孔的圆盘2，圆盘的一端设置光源3，另一边设置光电管4，圆盘随轴转动，光电管就输出一系列与转速及圆盘上的孔数成正比的电脉冲。6.9.4光电式转速计 第86页/共87页谢谢您的观看！第87页/共87页