《機電一體化技術》課件-第四章 4.2 機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器

第4章傳感檢測技術機電一體化技術4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器位移傳感器分為線位移傳感器和角位移傳感器兩類，分別用于線位移測量和角位移測量。常用位移傳感器有電容式傳感器、電感式傳感器、感應同步器、光柵傳感器、磁柵傳感器、光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。其中，光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器只能測量角位移。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器1、位移、位置傳感器位移傳感器2與位移傳感器不同，位置傳感器用于檢測被測對象是否達到或接近某一位置，其輸出信號為開關量。根據(jù)被測對象與測量元件接觸與否，位置傳感器分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式位置傳感器主要以限位開關為代表；非接觸式位置傳感器即接近開關，主要有光電開關和接近開關。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器位置傳感器3（1）光電開關光電開關是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，判斷檢測物體的有無。被檢測物體不限于金屬，任何能夠反射或遮擋光束的物體均可以被檢測。光電開關根據(jù)結構特點可以分為對射式、鏡反射式、漫反射式、槽式和光纖式。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器41)對射式光電開關對射式光電開關的發(fā)射器和接收器獨立封裝在各自的殼體中，發(fā)射器和接收器同軸對向安裝。工作時，發(fā)射器發(fā)出光束，接收器檢測接收光束強度，當被測物體經(jīng)過發(fā)射器與接收器之間且阻斷光束的情況下產(chǎn)生一個開關信號。適用范圍：對射式光電開關適用于大距離、不透明物體的檢測。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器52)鏡反射式光電開關鏡反射式光電開關的發(fā)時器和接收器集成在同一殼體內(nèi)，光電開關軸向方向安裝專用反射能，發(fā)射器的及出光策被反明鏡反射回接收器，當被測物體遮擋光來時產(chǎn)生一個開關信號。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器63)漫反射式光電開關漫反射式光電開關的發(fā)射器和接收器集成在同一殼體內(nèi)，無需專用反射鏡，但對被測物體表面的反光率具有較高要求。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器74)槽式光電開關槽式光電開關通常采用U型結構，發(fā)射器和接收器分別安裝于U型槽的兩邊，并在(型槽內(nèi)部形成具有一定寬度的光束幅。當被測物體經(jīng)過并遮擋光束幅時產(chǎn)生一個開關信號。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器85)光纖式光電開關用途：光纖式光電開關是一種特殊的光電開關，通過光纖傳輸光信號可實現(xiàn)長距離大型物體檢測，可以在油污環(huán)境或水(液體)環(huán)境下進行檢測，還可以對黑橡膠等低反射率物體進行檢測。分類：光纖頭根據(jù)結構特點可以分為反射型和對射型兩種。實際的光纖式光電開關由光纖放大器和光纖頭兩部分組成。不同的工況下，可選用不同的光纖頭。優(yōu)點：由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?，因此傳感器具有良好的抗噪能力?.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器9（2）光電編碼器

光電編碼器是一種光學式角度-數(shù)字檢測傳感器,將機械角位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，具有高精度、高分辨率和高可靠性的特點，廣泛應用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、雷達、機器人等需要角位移測量的裝置和設備中。

光電編碼器主要由光源、碼盤、光電檢測裝置、測量電路等部分組成。根據(jù)碼盤的刻便方法與輸出信號形式，光電編碼器分為增量式光電式編碼器和絕對式光電編碼器兩類。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器101)增量式光電編碼器增量式光電編碼器的碼盤沿圓周方向均勻分布n條狹縫(對應增量式光電編碼的角度分辨率)，每轉(zhuǎn)過一個狹縫產(chǎn)生一個電脈沖。在轉(zhuǎn)速測量中，請能式光電編碼器與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)光電二極管等電子元件組成的檢測接收裝置輸出得到轉(zhuǎn)速、角度信號脈沖序列，其原理如圖4.9所示。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器11

1)增量式光電編碼器

增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器具有A、B和Z三路脈沖信號輸出。A、B脈沖序列相位差為90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時還有用作參考零位的Z相標志(指示)脈沖信號，編碼器的碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標志脈沖信號。標志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零，故增量式編碼器適用于正反向旋轉(zhuǎn)場合。增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器具有成本低、精度高、結構簡單、壽命長、抗干擾能力強、可靠性高的特點，但增量式光電編碼器無法輸出轉(zhuǎn)動時的絕對位置信息。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器122)絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器碼盤由按照二進制規(guī)則排列的一系列透明區(qū)和不透明區(qū)構成(透明區(qū)域用1表示，不透明區(qū)域用0表示)，故可直接輸出數(shù)字量。絕對式光電編碼器中碼盤的透明區(qū)和不透明區(qū)均勻分布在若干個相鄰的圓周(即碼道)上。其中，碼道的數(shù)目為編碼器二進制數(shù)的位數(shù)。顯然，碼道越多，分辨率越高。為保證低位碼的精度，將內(nèi)側(cè)碼道作為編碼器的高位，外側(cè)碼道作為編碼器的低位。以4位絕對式光電編碼器為例，其結構如圖4.10所示。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器132)絕對式光電編碼器

絕對式光電編碼器每一條碼道對應有一個光電元件。當碼盤轉(zhuǎn)動到裝一位置時，對應的光電元件根據(jù)感光情況將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸出數(shù)字編碼信息。

絕對式光電編碼密無需計數(shù)器就能夠直接獲取每個轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，在斷電后也能實持轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角信息，重新上電后無需尋找參考零點即可繼續(xù)工作。但轉(zhuǎn)動超過一周時，么須采用減速機構連接兩個以上的編碼器組成多級檢測裝置，導致測量裝置結構較為復雜，成本較高。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器14

4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器153)光電編碼器的應用——轉(zhuǎn)速測量4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器16

4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器17（3）光柵傳感器光柵傳感器是指采用光柵莫爾條紋現(xiàn)象測量位移的高精度傳感器，如圖4.12所示。光柵是在玻璃或金屬基體上密集等間距平行的刻線，刻線密度(每毫米長度上的刻線數(shù))通常為4線/mm、25線/mm、50線/mm、100線/mm、200線/mm和250線/mm等。由于光柵形成的疊柵條紋具有光學放大和誤差平均效應，使其具有測量精度高(可達±1

μm)、響應快、量程大(一般為1～2

m，連續(xù)使用時可達10

m)、易于實現(xiàn)數(shù)字輸出等特點。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器181）光柵的種類和結構根據(jù)制造方法和光學原理，光柵分為透射光柵和反射光柵。透射光柵在玻璃表面上等間距制成透明和不透明的線紋，利用光的透射現(xiàn)象進行檢測；反射光柵在金屬表面上等間距制成全反射和漫反射的線紋，利用光的反射現(xiàn)象進行檢測。根據(jù)光柵形狀特征，分為用于線位移測量的光柵尺(又稱長光柵或直線光柵)和角位移測量的圓光柵。光柵傳感器主要由主光柵(標尺光柵)、指示光柵、光源、透鏡和光電元件組成，如圖4.13所示。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器192）光柵傳感器的測量原理光柵傳感器測量是基于主光柵和指示光柵之間的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)的。主光柵與指示光柵以極小的間隙平行重疊放置，并使兩者刻線保持一個微小的夾角θ。由于光的干涉效應，在與兩光柵刻線角平分線垂直方向上形成明暗相間的平行條紋，即莫爾條紋，如下圖所示。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器20

(4-3)4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器21莫爾條紋具有的特點：(3)莫爾條紋具有誤差平均效應。莫爾條紋是由光柵的一系列刻線共同形成的，對刻線誤差具有平均效應，極大地削弱了刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器22（4）磁柵傳感器原理：磁柵傳感器是利用電磁感應原理將靜態(tài)位置或動態(tài)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，應用數(shù)字信號處理電路進行信息處理的數(shù)字式傳感器，適用范圍：主要用于大型機床的定位反饋或位移量的測量裝置。相對于光柵，磁柵具有結構簡單、測量范圍大(1～20m)、成本低、磁信號可以重新錄制等特點，但安裝中需要進行防塵和屏蔽處理。分類：根據(jù)磁柵形狀特征，磁柵傳感器分為用于線位移測量的長磁柵傳感器和用于角位移測量的圓磁柵傳感器。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器231）磁柵傳感器的結構磁柵傳感器主要由磁柵(磁尺)、磁頭和檢測電路等組成。磁柵是指在非導磁的基體上均勻涂覆、化學沉積或電鍍一層磁性薄膜，并采用錄磁的方法將節(jié)距的周期變化信號(正弦波或鋸齒波)記錄在磁尺上，形成等間距的磁信號。磁頭負責檢測磁柵上的磁信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號。檢測電路進一步將磁頭檢測的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號，送入后續(xù)的顯示裝置、信號處理裝置或控制裝置。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器242）磁柵傳感器的工作原理破柵傳感器檢測中，磁頭讀取磁柵上的磁信號實現(xiàn)磁-電轉(zhuǎn)換。根據(jù)信號讀取方式的類型，融頭分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。動態(tài)磁頭(又稱為速度響應式磁頭)是一種非調(diào)制式碼頭，其結構中只有一組線圈。當動態(tài)磁頭與磁柵之間以一定的速度相對運動時，根據(jù)電破感應原理，動態(tài)磁頭的輸出繞組線圈產(chǎn)生相應的感應電動勢，其值與相對運動速度成正比，故該類型磁斗儀適用于連續(xù)勻速測量，不適用于靜態(tài)位移測量。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器25

4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器262）磁柵傳感器的工作原理由式(4-4)可知，輸出信號的頻率為勵磁電源頻率的2倍，其幅值則與磁柵與磁頭之間的相對位移成正弦(或余弦)關系。由于輸出信號和磁頭與磁尺的相對運動速度無關，故靜態(tài)磁頭可以實現(xiàn)靜態(tài)位移測量。為了實現(xiàn)測向功能，磁頭必須成對安裝，且磁頭間距為(n±1/4)W。因此，兩個磁頭可輸出兩個相位相差90°的正交信號，并可根據(jù)兩個正交信號的超前或滯后判定移動方向。靜態(tài)磁頭的信號處理方式分為鑒幅法和鑒相法。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器272）磁柵傳感器的工作原理鑒幅法是利用輸出信號幅值大小判定磁頭位移量的處理方法。兩個磁頭相距(n±1/4)W安裝，且輸入相位相同的激勵信號，則兩磁頭輸出信號為(4-5)4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器282）磁柵傳感器的工作原理經(jīng)包絡檢波濾除高頻載波后，則有(4-6)4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器29

(4-7)(4-8)4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器304.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器31機電一體化系統(tǒng)中，速度的測量有線速度測量和轉(zhuǎn)速測量兩類，其測量可采用速度傳感器直接測量或利用位移、加速度等物理量計算求出。加速度既可作為速度、位移的計算基準，也是振動、沖擊和狀態(tài)監(jiān)測重要指標，其值可由加速度傳感器直接獲取。工程中常采用直流測速發(fā)電機、光電編碼器、加速度傳感器等傳感器測量速度、加速度。2、速度、加速度傳感器4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器32直流測速發(fā)電機可將機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，其輸出電壓與輸入轉(zhuǎn)速成正比。按照定子主磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。（1）、直流測速發(fā)電機——測量轉(zhuǎn)速定子勵磁方式特點應用直流電源產(chǎn)生磁場易受勵磁電源、環(huán)境等影響，輸出電壓易波動應用有限矯頑力高的永磁磁鋼受溫度影響較小，輸出電壓穩(wěn)定，線性誤差小應用廣泛4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器33（1）、直流測速發(fā)電機——測量轉(zhuǎn)速電磁式直流測速發(fā)電機原理圖永磁式直流測速發(fā)電機原理圖永磁式直流測速發(fā)電機實物圖4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器34（1）、直流測速發(fā)電機——測量轉(zhuǎn)速永磁式直流測速發(fā)電機的測量原理：恒定磁場內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的電樞導體切割磁通產(chǎn)生感應電動勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換為直流輸出信號。

空載時（即負載電阻RL=∞），電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比；隨著負載電阻RL降低，輸出特性斜率變小。OUn實線虛線理想特性實測特性直流測速發(fā)電機特性曲線4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器35（1）、直流測速發(fā)電機——測量轉(zhuǎn)速機電一體化系統(tǒng)中，對直流測速發(fā)電機的選用要求：①直流測速發(fā)電機輸出特性的線性區(qū)域廣；②直流測速發(fā)電機輸出特性的斜率大；③直流測速發(fā)電機輸出特性對溫度變化不敏感；④直流測速發(fā)電機輸出電壓的紋波??；⑤直流測速發(fā)電機正、反轉(zhuǎn)的輸出特性一致。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器36用途加速度傳感器用于測量物體受到各種外力（包括重力）所產(chǎn)生的加速度。工作原理根據(jù)牛頓第二定律，即慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力導致的各種物理效應，進一步轉(zhuǎn)換為電信號，間接地測量被測物體的加速度。適用范圍通常可適應于各種形式的加速度測量——從靜止到緩慢移動再到強沖擊和振動。（2）、加速度傳感器4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器371）加速度傳感器的分類根據(jù)敏感元件的不同，加速度傳感器分為電容式、應變式、壓電式等。①電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器本質(zhì)是基于改變電容極距的傳感器，具有微型化、精度高、成本低、可靠性高等特點。+++dεA4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器38①電容式加速度傳感器由于電容式加速度傳感器中極板的最大位移為20μm，為提高精度，克服漂移和干擾的影響，通常采用差動式結構，如右圖所示。差動式電容加速度傳感器

兩個定極板和一個可動質(zhì)量塊形成兩個電容器C1和C2，上下極板接入相位差180°的正弦信號。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器39①電容式加速度傳感器當上下極板處于平衡位置時差動式電容加速度傳感器，輸出信號當質(zhì)量塊向下移動Δd時，輸出信號4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器40②應變式加速度傳感器傳感器安裝在被測物體上，當被測物體運動加速度為a，傳感器質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力F=ma。

慣性力作用下板簧變形，粘在板簧根部（此處靈敏度最高）的電阻應變片亦產(chǎn)生相應變形；通過應變電橋測量應變獲得加速度值。ma質(zhì)量塊電阻應變片板簧硅油外殼殼體內(nèi)注有阻尼液，低頻特性好。該傳感器性價比高，廣泛應用在振動測量領域。應變片式加速度傳感器原理圖4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器41③壓電式加速度傳感器

工作原理：利用壓電效應將機械能直接轉(zhuǎn)換為電能測量物體加速度，輸出信號為電荷。

特點：工作頻率范圍大，輸出線性度高，噪音抑制能力強，工作環(huán)境溫度適應性好。

壓電晶體材料：以壓電陶瓷為主，常采用鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇和偏鈮酸鉛等。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器42③壓電式加速度傳感器壓電晶體在傳感器中安裝方式（a）壓緊連接（b）柔性連接（c）剪切連接4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器43③壓電式加速度傳感器根據(jù)加速度測量的方向，壓電式加速度傳感器分為單軸加速度傳感器和三軸加速度傳感器。單軸僅能實現(xiàn)一個軸向加速度的測量，三軸可實現(xiàn)x、y、z三個軸向加速度的測量。單軸加速度傳感器實物三軸加速度傳感器實物4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器442）加速度傳感器應用實例壓電式加速度傳感器常應用于滾動軸承狀態(tài)檢測和故障診斷。軸承故障診斷測試中，加速度傳感器安裝在軸承負荷區(qū)不同位置，以監(jiān)測軸承系統(tǒng)的振動響應的特征。軸承運行的加速度信號（a）正常（b）故障4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器45（1）概述3.力、扭矩傳感器力和扭矩是機電一體化系統(tǒng)中十分常見且非常重要的一類參量。實現(xiàn)力(扭矩)測量的力(扭矩)傳感器在動力設備、工程機械、各類工業(yè)母機和工業(yè)自動化裝置中廣泛應用。根據(jù)力(扭矩)傳感器的測量原理可分為電阻應變式、電感式、電容式、壓電式、位移式等。其中電阻應變式力(扭矩)傳感器以其測量范圍大、結構簡單、性價比高等特點應用最為廣泛。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器46（2）力傳感器3.力、扭矩傳感器電阻應變式力傳感器工作原理是:當力施加在彈性元件上，彈性元件發(fā)生變形，同時粘貼在彈性元件上的電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻值輸出，經(jīng)電橋轉(zhuǎn)化為電壓或電流輸出。應變片作為該類傳感器的敏感元件，是由敏感柵、基片(基底)、覆蓋層(蓋片)和引線等部分組成的，如圖所示。(a)結構(b)實物4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器47（2）力傳感器3.力、扭矩傳感器根據(jù)測量和精度要求，電阻應變式力傳感器具有多種規(guī)格類型，不同規(guī)格類型之間主要區(qū)別在于彈性元件的結構和應變片的粘貼位置。常見電阻應變式力傳感器的彈性元件結構有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器483.力、扭矩傳感器（2）力傳感器①柱式或筒式力傳感器(a)柱式(b)筒式柱式或筒式彈性元件結構簡單可承受較大的拉(壓)力，主要用于中等及大載荷的拉(壓)力傳感器中，但該類傳感器結構高度大，抗偏心載荷和偏向能力差。柱式或筒式力傳感器應變片分布及橋接電路如圖所示。應變片粘貼在彈性元件外壁應力分布均勻的中間部分，且對稱粘貼多組。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器493.力、扭矩傳感器（2）力傳感器①柱式或筒式力傳感器(c)圓柱面展開圖(d)橋接電路圖應變片橋接時應盡量減少載荷偏心與彎矩的影響，R1與R3串接且置于橋路對壁上。應變片R5~R8橫向粘貼，為溫度補償片。當彈性元件受到壓力F時，彈性元件產(chǎn)生的應變?yōu)?式中，A為彈性元件截面積，單位為m2；E為彈性元件材料的彈性模量，單位為MPa。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器503.力、扭矩傳感器（2）力傳感器②梁式力傳感器(a)原理圖(b)實物梁式力傳感器是一種低外形、高精度、抗偏及抗側(cè)性能優(yōu)越的力傳感器，其采用彈性梁及電阻應變片作為敏感元件。當垂直壓力或拉力作用在彈性梁上時，應變片隨金屬彈性梁一起變形，利用電橋輸出與壓力或拉力成正比的電壓信號。梁式力傳感器測量范圍廣，最小可測幾十克重，最大可達幾十噸，且測量精度可達0.002%FS，廣泛應用于質(zhì)量測量領域，如右圖所示的電子秤。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器513.力、扭矩傳感器（2）力傳感器②梁式力傳感器(a)等截面梁(b)等強度梁梁式力傳感器彈性梁分為等截面梁和等強度梁兩種，如右圖所示。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器523.力、扭矩傳感器（2）力傳感器②梁式力傳感器-等截面梁等截面梁的橫截面處處相等，在靠近梁固定端上、下表明沿梁的長度方向分別貼上R1、R4和R2、R3(下表面)。當梁的自由端受到壓力F時，固定端處的應變最大，應變片粘貼處的應變?yōu)?自由端受到壓力F,若應變片R1、R4受到拉力，則R2、R3將受到壓力，兩者應變相等，但極性相反，由他們組成差動全橋，則電橋的靈敏度為單臂工作時的4倍。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器533.力、扭矩傳感器（2）力傳感器②梁式力傳感器-等強度梁等強度梁的橫截面面積沿長度方向按一定規(guī)律變化，當自由端受到壓力F作用時，距作用點任何距離截面上的應力相等，故應變片沿長度方向的粘貼位置要求不嚴格。等強度梁應變片粘貼處的應變?yōu)?4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器543.力、扭矩傳感器（3）扭矩傳感器(a)旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器(b)反作用扭矩傳感器扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動效應或扭轉(zhuǎn)變形的力矩，等于力和力臂的乘積。在機電一體化系統(tǒng)中,為監(jiān)測電機、風機、齒輪箱等旋轉(zhuǎn)裝置的運行狀態(tài),對其扭矩的測量必不可少,通常以轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)應變(或應力)或轉(zhuǎn)軸兩橫截面之間的相對扭轉(zhuǎn)角的測量為基礎而計算求出。根據(jù)轉(zhuǎn)動形式,扭矩傳感器分為旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器和反作用扭矩傳感器,如圖所示。根據(jù)測量原理,扭矩傳感器分為應變式、磁電式、光電式、壓電式等。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器553.力、扭矩傳感器（3）扭矩傳感器應變式扭矩傳感器應變式扭矩傳感器在轉(zhuǎn)軸上粘貼應變片組成測量電橋，當轉(zhuǎn)軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后，應變電橋?qū)⒆冃无D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而實現(xiàn)扭矩測量。粘貼時應變片與轉(zhuǎn)軸軸線成45°，且應變片兩兩垂直，并連接成全橋測量電路。扭矩MT與轉(zhuǎn)軸應變ε的關系如下:①應變式扭矩傳感器式中，G為剪切彈性模量；WT為抗扭截面模量。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器563.力、扭矩傳感器（3）扭矩傳感器扭矩測量平臺圖示為扭矩測量平臺，可用于發(fā)動機、電動機扭矩-轉(zhuǎn)速特性測量。測量平臺中扭矩傳感器通常采用應變式旋轉(zhuǎn)傳感器(如Kistler4550A型扭矩傳感器)。圖中，被測對象通過傳動主軸(含聯(lián)軸器)連接扭矩傳感器，傳感器另一端與可控負載相連接。測試中，通過改變負載，可測量出發(fā)動機(電動機)的扭矩-轉(zhuǎn)速-負載特性。①應變式扭矩傳感器4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器573.力、扭矩傳感器（3）扭矩傳感器光電式扭矩傳感器光電扭矩傳感器結構以光電感應元件為核心，通過轉(zhuǎn)軸上光柵之間相對扭轉(zhuǎn)角實現(xiàn)測量扭矩。如圖所示，在轉(zhuǎn)軸上安裝有兩只圓光柵，當轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩光柵的明暗區(qū)正好相互遮擋，發(fā)射器發(fā)出的光線不能被接收器接收捕獲，則無輸出信號；當轉(zhuǎn)軸承受扭矩時，轉(zhuǎn)軸變形使兩光柵產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，部分光線透過光柵照射到接收器上產(chǎn)生輸出信號。轉(zhuǎn)軸上扭矩愈大，扭轉(zhuǎn)角愈大，穿過光柵的光通量愈大，輸出信號愈大，從而實現(xiàn)對扭矩的測量。②光電式扭矩傳感器4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器584、測距傳感器超聲波測距傳感器激光測距傳感器紅外測距傳感器常用的測距傳感器雷達測距傳感器4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器59（1）超聲波測距傳感器超聲波的特點：振動頻率高于20kHz，人耳無法聽見；傳播時波長短，方向好，能量集中，介質(zhì)中傳播距離較遠；與光波性質(zhì)相似，介質(zhì)中傳播時具有反射、折射、透射特性；運動物體反射回波具有多普勒效應。正因為超聲波的這些特性，其可被用于工業(yè)無損檢測、醫(yī)學成像、非接觸距離測量等方面。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器60（1）超聲波測距傳感器超聲波檢測過程：被測物超聲波發(fā)射器超聲波接收器信號處理電路控制器顯示/控制裝置超聲波傳感器常用的測距方法有多普勒頻移法和脈沖法。多普勒頻移法在傳感器和被測物體相對移動時采用；脈沖法計算簡單，更為常用。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器61（1）超聲波測距傳感器超聲波傳感器脈沖法測距原理：若超聲波傳播速度為C，入射角為θ，超聲波傳感器發(fā)射到接受的時間間隔為t，則被測距離為發(fā)射器接收器控制器dθ工程應用中，由于實際超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器的間距很小，故常將θ略去，以d=Ct/2計算距離。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器62（1）超聲波測距傳感器單片機超聲波測距實驗原理樣機硬件功能模塊：STC89C51單片機模塊、HC-SR04超聲波測距模塊、顯示電路，由于溫度對聲速影響很大，因此增加測溫模塊進行溫度補償，以減小測距誤差。HC-SR04超聲波測距模塊DS18B20溫度傳感器4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器63（2）激光測距傳感器激光測距原理：激光測距是以激光光源進行測距的。與超聲波測距原理類似，通過測量激光光束在被測距離上所需的往返時間t計算得出的，被測距離為式中，c為光速。激光測距傳感器特點測量距離遠、抗干擾能力強、體積小、重量輕，廣泛應用在工業(yè)、航空、航天、航海等領域。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器64（2）激光測距傳感器激光測距傳感器依據(jù)測量距離分為以下三類：類型特點短程激光測距傳感器量程在5km以內(nèi)，主要用于工業(yè)、工程測量中長程激光測距傳感器量程為五至幾十千米，適用于大地信息測量遠程激光測距傳感器用于航天測量及空間目標測量4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器65（2）激光測距傳感器根據(jù)對時間t的測量方法，激光測距方法分為脈沖測距法和相位測距法。脈沖測距法是指測量發(fā)射和接受光脈沖的時間間隔，即光脈沖在被測距離上的往返時間t，利用d=ct/2計算出距離。常用于遠距離測量，精度多為米級。

相位測距法通過測量連續(xù)調(diào)制的光波在被測距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化間接測量時間t。精度高，但量程小。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器66（2）激光測距傳感器激光傳感器的應用激光測距在汽車自動駕駛、航天交互對接和探測器自主著陸等方面具有卓越的輔助能力。

嫦娥三號探測器從近月點實施動力下降，過程組歷經(jīng)兩次懸停。期間激光測距傳感器持續(xù)穩(wěn)定地提供了精確的軌道高度數(shù)據(jù)。右圖為其工作示意圖。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器675、圖像傳感器原理：基于光電轉(zhuǎn)換原理，將被測物體的光學圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的大規(guī)模集成電路光電器件特點及應用：體積小、析像度高、功耗小，機電一體化系統(tǒng)中用于實現(xiàn)機器視覺、非接觸尺寸測量、表面缺陷檢測等分類：光敏元件類型主要有兩種：電荷耦合器件（ChargeCoupleDevices，CCD）,互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器685、圖像傳感器

CCD是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體(MetalOxideSemiconductor，MOS)集成電路光電器件，以電荷為信號，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、移位并讀出信號電荷的功能。根據(jù)光敏元件排列形式，圖像傳感器可以分為線型和面型兩種。線型應用于影像掃描器及傳真機，面型主要應用于數(shù)碼相機(DSC)、攝錄影機、監(jiān)控攝像機等影像輸入產(chǎn)品。(b)面型(a)線型4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器695、圖像傳感器

CCD光敏單元的核心是MOS電容，結構如右圖(a)所示。P型Si為襯底，上面覆蓋SiO2形成絕緣層，SiO2表面沉積一層金屬電極作為柵電極，形成了金屬-氧化物-半導體MOS結構元。MOS電容結構原理圖

CCD是由緊密排列的MOS電容組成的陣列。由于各MOS排列間隙非常小，因此相鄰MOS可發(fā)生電荷的耦合，被注入的電荷可由一個MOS轉(zhuǎn)移到另一個MOS。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器705、圖像傳感器

當MOS電容的柵極電壓Ug大于其閾值電壓Uth時，硅表面周圍電子被聚集在電極下方勢能較低的硅表面處，形成“勢阱”（如右圖(b)所示）。MOS電容結構原理圖

隨著電子不斷深入，勢阱深度不斷變淺，MOS由非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡。非穩(wěn)態(tài)下，勢阱可儲存信號電荷，也可實現(xiàn)信號電荷在相鄰勢阱間轉(zhuǎn)移。CCD正是利用脈沖電路驅(qū)動MOS電容的非穩(wěn)態(tài)過程來工作的。4.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器71