机电一体化（吉林大学） .pdf

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1、第一章第一章 机电一体化技术概论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

2、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

3、 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。

4、 ?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

5、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

6、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、几个技术问题 1.机械与电子的溶合方式 2.机械电子的技术构成 3.机电一体化的效果 1、机械与电子的溶合方式 1.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 2.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 3.以电子技术几乎全部代替机械式的信息处理 机构，例如

7、：电子表、按扭式电话机。 4.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 ?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

8、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。 ?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

9、：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

10、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： 1.由机械传动零件间隙造成的精度问题； 2.机械

11、零部件与电子元件相比响应速度慢 的问题； 3.连接电缆与接线柱的可靠性问题； 4.零件标准化、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： 1.功能增多， 2.体积减少， 3.重量减轻， 4.可靠性提高， 5.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，冲破了传统的机床按类别的 划分。 B、结构

12、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： 1.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。 2.“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

13、提高性 ?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

14、活性，可 以适应用户多样化的要求，是当代新技 术革命的一大趋向。 ?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： 1.救火机器人系统（PAL，5分钟） 2.机器人足球（NTSC ，45分钟） 3.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 1.什么是“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？ 2.机电一体化产品由哪五部分构成？ 3.机电一体化的技术构成是什么？ 4.机电一体化技术中，机与电有几种溶合方 式？ 5.产品实现机电一体化后，可以取得哪些成 效？ 第二

15、章第二章 传感器及测量系统(1)传感器及测量系统(1) 吉林大学 机械电子工程学科 赵丁选 2010年1月21日 Thursday2.1 传感器及测量系统概述2 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。 2010年1月21日 Thursday2.1 传感器及测量系统概述3 ?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

16、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。 2010年1月21日 Thursday2.2 模拟量传感器及测量电路4 2.2 模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

17、/输 出特性。 图2-2-1模拟量传感器及其测量电路结构 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标5 2.3 模拟量传感器性能指标 2.3.1精确度精确度 ?精确度指标：共有三个：精密密度、准准确度、精精度。 ?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。 100%A= 差传感器的测量上下限之 误差规定范围内的最大绝对 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标6 2.3.2稳定性稳定性 ?传感器的稳定性有两

18、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/。 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标7 2.3.3输入输出特性输入输出特性 ?分类：静特性、动特性。 1、静特性、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

19、-3-1所示。 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标8 (2)灵敏度：传感器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 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标9 ?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。 100%100% - max hm max max cd hm = yy yy E c yy - d = 图2-3-2滞环与滞环误差图2-3-

20、3一阶动力学系统 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标10 2 、动特性、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。 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标11 (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

21、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) 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标12 ?正弦信号激励下其幅频及相频响应为: 2 1) (1 1 )(jF T + =)(arctg- 1 T= ?单位阶跃函数输入一阶系统时,通过拉氏变换方法可以 求得其响应为： 1 - e-1)T( T t t = (2)二阶系统的动态响应

22、?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) 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标13 图2-3-4动力学系统在正弦输入信号时的响应曲线 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标14 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 2010年1月21日 Thursday2.3 模拟量传感器性能指标15 ?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

23、 0 2 0 21 1 )F(j + = h h)sin-th-1cos( h-1 e -1T(t) 1 - 0 2 2 t-h = 2 0 0 1 2 -arctg = h m k = 0 mk c h 2 = 2010年1月21日 Thursday2.4 数字量传感器及其测量电路16 2.4数字量传感器及其测量电路 ?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

24、息提取装置数字量输出 2010年1月21日 Thursday2.4 数字量传感器及其测量电路17 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。 数字显示 辨向电路 周期信号 发生器 周期计数器 计数高位 被测物 理量 细分电路 周期低位 转换电路 图2-4-2周期计数式数字量传感器的结构方框图 2010年1月21日 Thursday2.4 数字量传感器及其测量电路18 2.4.3 频率式数字量传感器 ?结构：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

25、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。 频率数字 变换器 被测输 入量 变频振荡器 恒频振荡器 差频倍频 数字显 示器 频率数字 变换器 被测输 入量 变频振荡器 变频振荡器 差频倍频 数字显 示器 + _ f -f 图2-4-3频率式数字量传感器的结构方框图 2010年1月21日 Thursday2.5 数字量传感器性能指标19 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。 )/( x-x

26、 Q minmax 字当量被测量 N = 2010年1月21日 Thursday2.5 数字量传感器性能指标20 (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: 100% n % = N Q max max x m= 2010年1月21日 Thursday2.6 数字检测方法21 2.6 数字检测方法 2.6.1M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

27、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 (r/min) 60m n PT = 2010年1月21日 Thursday2.6 数字检测方法22 ?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 (r/min) 60 PT 60m - 1)60(m Q PTPT = + = 2010年1月21日 Thursday2.6 数字检测方法23

28、2.6.2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： (r/min) 60 n mP fc = n(r/min) 1-m 1 mP 60f - 1)P-(m 60f Q cc = 2010年1月21日 Thursday2.6 数字检测方法24 ?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

29、。 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。 (1/s) 60 Pmn f maxmin c = 图2-6-3法测量原理图图2-6-4/法测量原理图 2010年1月21日 Thursday2.6 数字检测方法25 2.6.3 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

30、m2在检测时间TC内所测得的时钟脉冲数 Pm m60f n 2 1c = 2010年1月21日 Thursday2.6 数字检测方法26 ?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？ (r/min) 1 60 1 Q 1 = np mfc 第二章第二章

31、传感器及测量系统（2）传感器及测量系统（2） 吉林大学 机械电子工程学科 赵丁选 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器2 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角色 ?分类分类：光束传感器、反射传感器、散射传感器 ?原理原理：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)反应速度快，其反应能力在50s之内。 201

32、0年1月21日 Thursday2.7 光电传感器3 (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亮通型与暗通型暗通型两类。 2.7.1光电器件光电器件 ?分类分类：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：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：特点：功率 低，驱动电压低，效率高，可直接调制，小型化等。 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器4 (4

33、)激光器： a.氦氖激光器： ?特点特点：输出连续，频率稳定，相干性与方向性极强， 居各类激光之首。但效率低体积大，电源复杂。 b.半导体激光器： ?特点特点：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 ?原理原理：光电探测器件是利用物体的光电效应。 分类分类：光电导效应，光伏效应和光电子发射效应三种。 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器5 1.光电导器件(光敏电阻) 注意注意：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

34、010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器6 2.光伏效应器件(光电二极管与光敏三极管) ?原理原理：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 ?原理原理：在光的照射下，光电二极管产生光电流。注意：注意： 光电流向光电二极管的反方向流动。 ?伏安特性伏安特性：见图2-7-3（a）。 ?等效电路等效电路：电流源与二极管的并联，如图2-7-3(b)所示 ?光谱特性光谱特性：如图2-7-4。 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器7 (2)光电三极管 ?工作原理工作原理：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

35、至几百倍。 ?分类分类：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 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器8 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 ?优点优点： 减小了光电三极管发射极的电阻，可以改善弱光下的响 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。 ?硅光电池硅光电池：性能

36、稳定，光谱范围宽；频率特性好；换 能效率高；能耐高能辐射等。 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器9 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 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器10 2.7.2光束传感器光束传感器 ?特点特点：发射器与接收器分开。 图2-7-7光束传感的电气结构图 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器11 2.7.3反射传感器反射传感器 ?特点特点：发射器与接收器放于同一个外壳内。 ?常规反射传感器常规反射传感器：不能检测反光体，易产生误动作。 ?带偏振片的反射传感器：带偏振片的反射传感器：无

37、论是否反射体在遮住光通 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 2010年1月21日 Thursday2.7 光电传感器12 2.7.4 散射传感器，散射传感器， ?结构结构：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 2010年1月21日 Thursda

38、y2.7 光电传感器13 2.7.5红外传感器红外传感器 图2-7-10曲型红外传感器的电气结构 ?构成构成：光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成 ?用途用途：红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器14 2.8光纤传感器 2.8.1光纤传感器概述光纤传感器概述 ?起步：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：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：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：适用：普通光电传

39、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：测量原理：外界待测信号调制光参数光纤光 电探测器。 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器15 ?调制参数：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、相位、 偏振角及频率。 ?按调制形式分类：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。 ?按光纤光纤作用分按光纤光纤作用分类：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

40、 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 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器16 ?特点：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

41、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。 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器17 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 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器18 2.8.2光纤传感器工作原理光纤传感器工作原理 (1)强度调制型光纤传感器 ?特点特点：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

42、化。 ?测量测量：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极高的灵敏度和动态动态 范围范围。光纤干涉仪可以检测出小于10-6rad的相位变化。 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器19 ? 例例 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 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器20 (3)偏振调制型光纤传感器 ?原理原理：法拉弟旋光效应

43、（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。 图2-8-3 偏振调制原理 2010年1月21日 Thursday2.8 光纤传感器21 2.8.2光导纤维 ?光传输的载体，应用很广。 ?结构结构：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 第二章第二章

44、 传感器及测量系统（3）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 2.9.1线位移传感器概述线位移传感器概述 ?用途用途：测量距离，高度、宽度等 ?种类种类：接触型与非接触型。 ?常用类型常用类型：电阻式、电容式、电感式、 光电式，霍尔效应式等。 ?重点介绍重点介绍：半导体激光位移传感器、电 蜗流位移传感器，属非接触型位移传感 器 2.9.2半导体激光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 2.9.2半导体激光位移传感器半导体激光位移传感器 ?结构结构：包括一个发光元件（发光二极管、激光器）、 一个位

45、置敏感检测器 ?原理原理：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。 2.9.3电蜗流位移传感器电蜗流位移传感器 ?基本结构基本结构：由探头（线圈、骨架、壳体、 射频电缆和射频插头）、与前置器构成。 ?测量原理测量原理： 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

46、度变 化 经前置器转换成电压信号 距离 （线性关系） 2.9.3电蜗流位移传感器电蜗流位移传感器 ?特点特点： ?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 2.10.1光栅传感器概述光栅传感器概述 ?用途用途：精密直线位移、角位移测量，应用甚广 ?举例举例：如高精度数控机床、三坐标轮廓仪、直径测量 仪器。 ?精度精度：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)。 ?组成组成：一块测量栅，一块指示光栅

47、。 ?结构原理结构原理：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 ?特点特点：是一种数字传感器， ?分类分类：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

48、很小的非接触移动。 ?原理原理： 正弦电压 S组 或C组 定尺上产生幅值按 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 2.12.1接近传感器概述接近传感器概述 ?用途：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：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

49、测。 ?原理原理：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。 ?灵敏区形状灵敏区形状：探头附近的一个近似半球区域。 2.12.2感应式接近传感器感应式接近传感器 ?适用适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量 ?探头结构分类分类：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。 2.12.2感应式接近传感器感应式接近传感器 图2-12-1感应式接近传感器的工作原理 2.12.3电容式接近传感器电容式接近传感器 ?适用适用：非接触、空间有限。如各种管道内流体 的测量