【文章內(nèi)容簡介】 圖 電容式傳感器的測量電路同樣為電橋電路，如圖 ： 圖 電容式傳感器的溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，可進行非接觸測量， 然而，輸入阻抗高，負載能力差。電容式傳感器精度可達 ％。 其運用實例有電容傳聲器、轉(zhuǎn)速測量、電容測厚儀、電容式油量表等。 電感式傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到 電量的轉(zhuǎn)換。 電感式傳感器具有以下特點： (1) 結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。 (2) 靈敏度和分辨力高，能測出 。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數(shù)百毫伏的輸出 。 (3) 線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍 (幾十微米至數(shù)毫米 )內(nèi)，傳感器非線性誤差可達 %~%。同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。 電感式傳感器種類很多， 常見的有自感式，互感式和渦流式三種 圖 圖 圖 中介紹的是自感式傳感器。由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點是： ① 無活動觸點、可靠度高、壽命長； ② 分辨率高； ③靈敏度高； ④ 線性度高、重復(fù)性好； ⑤ 測量范圍寬 (測量范圍大時分辨率低 )；⑥ 無輸入 時有零位輸出電壓，引起測量誤差； ⑦ 對激勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高； ⑧ 不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機械量 (如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等 )的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 變間隙型電感傳感器 這種傳感器的氣隙 δ 隨被測量的變化而改變 ,從而改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小，因此常常要考慮兩者兼 顧。 δ 一般取在 ～ 毫米之間。 變面積型電感傳感器 這種傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積(即磁通截面 )隨被測量的變化而改變 ,從而改變磁阻。它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 螺管插鐵型電感傳感器 它由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成。其工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化。銜鐵隨被測物體移動時改變了線圈的電感量。這種傳感器的量程大，靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡單，便于制作。 電感式傳感器的應(yīng)用實例有：測厚、零件計數(shù)、側(cè)轉(zhuǎn)速、無損探傷、測微技術(shù)等。 圖 壓電式傳感器 壓電式傳 感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) , 是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時 , 其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。 壓電式傳感器的等效電路：壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣體，因此可以構(gòu)成一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板 , 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì) , 則其電容量為：???? SCa 0?，壓電元件受外力時，兩表面產(chǎn)生等量的正負電荷，壓電元件的開路電壓為：aCQU? 。 壓電傳感器可以等效為一個電荷源與 一個電容并聯(lián)，如下圖 (a)并聯(lián)圖；壓電傳感器也可以等效為一個電荷源與一個電容相串聯(lián)的電壓源，如下圖 (b)串聯(lián)圖 圖 電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為：aqu Ckk ? 壓電式傳感器的測量電路： 測量時，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號；二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。 電壓放大 器如圖 (a)： 電荷 放大器 如圖 (b)： (b) 圖 壓電式 傳感器的性能特點：高阻抗、低能量；但是無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗。需用低電容的低噪聲電纜。 壓電式傳感器的應(yīng)用有：壓電式測力傳感器、壓電式加速度傳感器、壓電式金屬加工切削力測量、壓電式玻璃破碎報警器等。 壓電式金屬加工切削力測量： 圖 壓電式玻璃破碎報警器 ： 圖 霍爾式傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬 (從直流到微波 )、動態(tài)范圍大 (輸出電勢變化范圍可達 1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為 B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。如下圖： 圖 霍爾元件的主要性能參數(shù)： 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻 額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中產(chǎn)生 10℃溫升時，對應(yīng)的控制 電流值。 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對 應(yīng)的控制電流值 不等位電勢 當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，測得的空載霍爾電勢。 寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢，控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化 1度時，霍爾電勢變化的百分率。 霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。 霍爾傳感器動態(tài)性能好。 霍爾傳感器的基本測量電路如下：激勵電流由電壓源 E 供給，其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)。 圖 霍爾型傳感器的應(yīng)用有：霍爾轉(zhuǎn)速表、霍爾式微壓力傳感器、各種位移傳感器等 。 第三章 傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用 傳感器是左右機電一體化系統(tǒng) (或產(chǎn)品 )發(fā)展的重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各種自動化產(chǎn)品之中。 傳感器在工業(yè)機器人中的應(yīng)用 工業(yè)機器 人的準(zhǔn)確操作取決于對其自身狀態(tài)、操作對象及作業(yè)環(huán)境的準(zhǔn)確認識，這種準(zhǔn)確認識均通過傳感器的感覺功能實現(xiàn)。 機器人自身狀態(tài)信息的獲取通過其內(nèi)部傳感器 (位置、位移、速度、加速度等 )來完成，操作對象與外部環(huán)境的感知通過外部傳感器來實現(xiàn)，這個過程非常重要，足以為機器人控制提供反饋信息。 在機械制造中，傳感器技術(shù)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)。在機械制造測試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。具體的說，傳感器是指那些對被 測對象的某一確定的信息有感受與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的可輸出信號的元件或裝置。 切削過程和機床運行過程的傳感技術(shù)：切削過程傳感檢測的目的在于優(yōu)化切削過程的生產(chǎn)率、制造成本或 (金屬 )材料的切除率等。切削過程傳感檢測的目標(biāo)有切削過程的切削力及其變化、切削過程顫震、刀具與工件的接觸和切削時切屑的狀態(tài)及切削過程辨識等，而最重要的傳感參數(shù)有切削力、切削過程振動、切削過程聲發(fā)射、切削過程電機的功率等。對于機床的運行來講，主要的傳感檢測目標(biāo)有驅(qū)動系統(tǒng)、軸承與回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、溫度的監(jiān)測與控制及安全性等，其傳感 參數(shù)有機床的故障停機時間、被加工件的表面粗糙度和加工精度、功率、機床狀態(tài)與冷卻潤滑液的流量等。 第四章 機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇 傳感器的應(yīng)用范圍廣，種類繁多。如何為我們機電一體化系統(tǒng)選擇合適的傳感器呢？下面我們就以 數(shù)控機床 為例講講機電一體化系統(tǒng)中傳感器的選擇。 數(shù)控機床綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器，由于高精度、高速度、高效率及安全可靠的特點，在制造業(yè)技術(shù)設(shè)備更新中，數(shù)控機床正迅速地在企業(yè)得到普及。數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床，能夠根據(jù) 已編好的程序，使機床動作并加工零件。它綜合了機械、自動化、計算機、測量、微電子等最新技術(shù)，使用了多種傳感器 。 數(shù)控機床對傳感器的要求 (1) 可靠性高和抗干擾性強； (2) 滿足精度和速度的要求； (3) 使用維護方便，適合機床運行環(huán)境； (4) 成本低。 不同種類數(shù)控機床對傳感器的要求也不盡相同，一般來說，大型機床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機床以要求精度為主 。 位移的檢測 位移檢測的傳感器主要有脈沖編碼器、直線光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等 。 脈沖編碼器的應(yīng)用 脈沖編碼器是一種 角位移 (轉(zhuǎn)速 )傳感器，它能夠把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖。脈沖編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式三種，其中，光電式應(yīng)用比較多。 直線光柵的應(yīng)用 直線光柵是利用光的透射和反射現(xiàn)象制作而成，常用于位移測量，分辨力較高，測量精度比光電編碼器高，適應(yīng)于動態(tài)測量。 在進給驅(qū)動中，光柵尺固定在床身上，其產(chǎn)生的脈沖信號直接反映了拖板的實際位置。用光柵檢測工作臺位置的伺服系統(tǒng)是全閉環(huán)控制系統(tǒng)。 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，具體 來說，它由一個鐵心、兩個定子繞組和兩個轉(zhuǎn)子繞組組成，其原、副繞組分別放置在定子、轉(zhuǎn)子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。 感應(yīng)同步器的應(yīng)用 感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理制成的。其功能是將角度或直線位移轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電動勢的相位或幅值，可用來測量直線或轉(zhuǎn)角位移。按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，定尺安裝在機床床身上，滑尺安裝于移動部件上，隨工作臺一起移動；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器定子為固定的圓盤，轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)動的圓盤。感應(yīng)同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護簡單、長距離位移測量、工藝性好、成本較低等優(yōu)點。直線式感應(yīng)同步器目前被廣泛地應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量中，例如用于三坐標(biāo)測量機、程控數(shù)控機床、高精度重型機床及加工中心測量裝置等。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。 位置的檢測 位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態(tài)的開關(guān)，和位移傳感器不同。位置傳感器有接觸式和接近式兩種。 接觸式傳感器的應(yīng)用 接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程 開關(guān)、二維矩陣式位置傳感器等。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。當(dāng)某個物體在運動過程中，碰到行程開關(guān)時，其內(nèi)部觸頭會動作，從而完成控制，如在加工中心的 X、 Y、 Z 軸方向兩端分別裝有行程開關(guān)，則可以控制移動范圍。二維矩陣式位置傳感器安裝于機械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。 接近開關(guān)的應(yīng)用 接近開關(guān)是指當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時就可以發(fā)出 “動作 ”信號的開關(guān)，它無需和物體直接接觸。接近開關(guān)有很多種類，主要有自感式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。 接近開關(guān)在數(shù)控機床上 的應(yīng)用主要是刀架選刀控制、工作臺行程