机电一体化概论 -

2.3.2 传感器的结构与基本原理
（3）电容式线位移传感器
S、ε、d的变化，均会引起电容量的变化。
通过检测电路将电容量的变化将会引起电路中的电压或电流变 化，这样即可转换为电压信号输出，以此来确定位移量的大小和 方向。 应用：无接触检测，在恶劣环境下工作。可应用于检测位移、 振动、角度、速度、加速度、压力等参数。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
2. 角位移传感器 （1）电阻式角位移传感器
工作原理
结构示意图
实物
这种传感器具有结构简单、体积小、动态范围宽、输 出信号大、抗干扰强和准确度较高等特点，已广泛用 于检测各种回转角度和角位移量。适用转速较低的角 位移测量。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
2. 角位移传感器 （2）电感式角位移传感器
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2.3 检测单元
2.3.1 检测单元基础 2.3.2 传感器的结构与
基本原理
2.3.3 数据采集与处理 2.3.4 虚拟仪器
2.3.1 检测单元基础
机电一体化系统能否有效发挥其自动化功能，获得准 确信息是首要前提，完成这一任务的环节就是检测单元（ Detecting unit）。
2.3.3 数据采集与处理
1．数据采集（Data acquisition）
电桥平衡时，Uo=0，可以得到电桥平衡的条件，即：
当电桥不平衡时，电桥输出电压为：
当R1= R2 =R3= R4= R0，且
时，电桥的理想输出为
2.3.3 数据采集与处理
2．信号放大（Signal amplifier）
运算放大器（Operational amplifier）简称“运放”，是可以对 电信号进行运算，具有很高放大倍数的电路单元。 输入和输出电压的关系为：
集成温度传感器是一种将感温元件、放大电 路、温度补偿电路等功能集成在一块极小芯 片上的温度传感器。跟传统的热电阻、热电 偶相比，它具有线性度好、灵敏度高、体积 小、稳定性好、输出信号大等优点，是其他 温度传感器无法比拟的。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
7. 流量传感器（Flow sensor）
原理图
测量切削力
实物
2.3.2 传感器的结构与基本原理
6. 温度检测传感器 （1）热电偶式温度传感器
热电效应：对于均质导体，当两端温度不相等时，导体 内的自由电子将从高温端向低温端扩散，在其两端形成 电势，该电势称为温差电势。
热电偶原理
普通型热电偶结构
实物
2.3.2 传感器的结构与基本原理
6. 温度检测传感器 （2）集成温度传感器
2.3.2 传感器的结构与基本原理
3. 转速检测传感器 （2）电感式转速传感器 设齿数为z，由测速表测的频率计算出测量转速为：
原理图
汽车后轮转速测量 电感式转速传感器原理
实物
目前已生产的电感式转速传感器测量转速从600r/min 到6000r/min。测量点间距达到2～10 mm，测量误差 小于0.01％。
电阻应变计式线位移传感器
2.3.2 传感器的结构与基本原理
（2）电感式线位移传感器
差动电感式线位移传感器
2.3.2 传感器的结构与基本原理
（2）电感式线位移传感器
差动变压器式线位移传感器 将被测量转化为线圈的互感变化。初级线圈L1由交流电源励磁，交流 电的频率称为励磁频率。两个次级线圈L2和L3接成差动式，它们反向 串接，输出电压U0是两次级线圈的感应电压差值，故称差动变压器 。当磁芯处于整个线圈中心位置时，两个次级线圈的磁阻相等，当磁 芯移动时，将产生与位移成线性关系的感应电压Uo。
旋转变压器是一种典型的电感式角位移传感器。
正余弦旋转变压器工作原理
D1D2—励磁绕组； Z1Z2—余弦输出绕组；
D3D4—交变绕组； Z3Z4—正弦输出绕组
2.3.2 传感器的结构与基本原理
2. 角位移传感器 （3）电容式角位移传感器
2.3.2 传感器的结构与基本原理
2. 角位移传感器 （4）光电式角位移传感器 光电式角位移传感器是一种非接触式电位器，它用光 束代替电刷。
2.3.1 检测单元基础
2. 传感器的组成
将被测物理量按照一定规律变换为与之对应的另 一种物理量的装置叫做传感器，也叫变换器或探 测器。其作用是将各种非电物理量转换成其他量 ，由接口电路转换成电压量。传感器一般由敏感 元件、转换元件、基本转换电路组成。
被测量
电量
2.3.1 检测单元基础
3. 传感器的分类
检测单元数据传输的任务是将被测模拟量，如位移、压力、 流量、温度等非电量，经过传感器、放大器、A/D转换器后 输入给微机，主要应用接口技术实现。
2.3.4 虚拟仪器
虚拟仪器就是在通用计算机平台上，根据用户需求自行定义、设计仪 器的测试功能，让使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他 自己设计的测试仪器一样。简言之，“软件就是仪器”。
不论是何种测试仪器，其组成都可以概括为信号采集与控制单元、信 号分析与处理单元、结果表达输出单元三部分。
虚拟仪器主要完成三种功能：
2.3.4 虚拟仪器
1. 虚拟仪器组成 （1）虚拟仪器的硬件
2.3.2 传感器的结构与基本原理
（4）光栅式线位移传感器
相邻两莫尔条纹的间距W为：
若用计数器记录下光栅上的移动通过的条纹数，即可测试主光栅 移动的距离。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
（5）激光式线位移传感器
主要装置是迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪工作原理
激光传感器示意图
激光传感器测量轮毂
光幕式激光传感器测量直径
感知和辨别在气体、液体或固体中传递的声 波所使用的传感器，称之为听觉传感器。最 常见的声波传感器即话筒。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
8. 其他信号检测传感器 （5）滑觉传感器（Slip tactile sensor）
电磁振动式滑觉传感器，测量端用一个直径为0.5cm钢球接 触被抓物体表面。若被抓物产生滑动，会引起测量端部产 生振动，振动通过连杆传向振动子，振动子振动产生磁通 变化，因而在线圈中感应出交流输出信号。它有不受滑动 方向限制的特点，对有限区域的滑觉检测是很有效的，但 由于是点接触，钢球必须对准被测握力面。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
8. 其他信号检测传感器 （3）视觉传感器（Vision sensor）
最常用的视觉传感器是三维摄像机，它对景物进行扫描， 把一幅幅图像信号变成电压信号，再由计算机对这些检测 信号进行相应处理，进行图像识别，提取有用信息。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
8. 其他信号检测传感器 （4）听觉传感器（Auditory sensor）
没有金属丝电刷造成的摩擦力矩，具有分辨率高、寿 命长、扫描速度快等优点。其缺点是接触电阻较大， 输出信号要经过阻抗匹配交换器才能用。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
3. 转速检测传感器 （1）电容式转速传感器
当电容极板与齿顶相对时，电容量最大；而电容极板 与齿隙相对时，电容量最小。 设齿轮齿数为z，则由计数器得到的频率数计算出测量 转速为
2.3.3 数据采集与处理
3．信号转换（Signal conversion）
模-数转换，即A/D转换，由A/D转换器实现。 数-模转换，即D/A转换，由D/A转换器实现。 信号转换的一般步骤为：采样、保持、量化、编码。
2.3.3 数据采集与处理
3．信号转换（Signal conversion）
采样（Sampling）是 将时间域或空间域的连 续量转化成离散量的过 程，根据采样定理确定 采样频率。
2.3.1 检测单元基础
4. 传感器技术的发展
（1）新型传感器开发。 （2）传感器的集成化。 （3）传感器的多功能化。 （4）传感器的智能化。 （5）仿生传感器（Biomimetic sensor）。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
1. 线位移检测传感器 （1）电阻式线位移传感器
滑线位移式
绕线位移式
空气流量传感器结构示意图，其作用是将空气流量转换 成电信号送给电控单元，该信号作为决定喷油量的基本 信号之一。叶片式空气流量计由空气流量计和电位计两 部分组成。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
8. 其他信号检测传感器 （1）光电编码器（Photoelectric encoder）
通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器，这是目前应用最多的传感器。 光电编码器可以进行角度测量、长度测量、速度测量、 位置测量等。
2.3.3 数据采集与处理
数据采集与处理的几个阶段：信息采集、信号转 换、放大、传输接口等。
2.3.3 数据采集与处理
1．数据采集（Data acquisition）
数据采集：利用传感器从系统外部的被测单元中获取一定的信息 如物理量、化学量等，转换为有效电信号并输入到系统内部。 数据处理：采集的数据不一定满足需要，因此要进行转换、放大 、运算、传输等工作。 直流电桥常用来进行数据处理，R1、R2、R3、R4是电桥的桥臂电 阻，RL是被测电阻，Ui是电源。当RL趋于无穷大时，电桥的输出 电压Uo为：
2.3.2 传感器的结构与基本原理
3. 转速检测传感器 （3）光电式转速传感器
若开孔数为20，记录过程时间为t，总脉冲数为N，则 转速为：n=60N/(20t)。
2.3.2 传感器的结构与基本原理
4．加速度检测传感器 当传感器承受振动体的加速度时，通过质量块产生相
对位移，也就是压电片的变形量为xm x，在压电片的
线性弹性范围内，有
式中，F—作用在压电片上的力； k—压电片的弹性系数。
而压电片表面所产生的电荷量与作用力成正比，即
式中，d —压电元件的压电常数， —传感器的固有角频率， —加速度。