(1)圆柱面导轨。圆柱面导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度：缺点是对温度 变化比较敏感，间隙不能调整。 2)棱柱面导轨。常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨 ①双三角形导轨。②三角形 一平面导轨③矩形导轨。④燕尾导轨 4.导轨间隙的调整 ()采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获得合适的间隙。(2)采用平镶条调整间隙。(3)采用 斜镶条调整间隙。斜镶条的侧面磨成斜度很小的斜面，导轨间隙是用镶条的纵向移动来调整的，为了缩短 镶条长度，一般将其放在运动件上。 5.提高导轨耐磨性的措施 为使导轨在较长的使用期间内保持一定的导向精度，必须提高导轨的耐磨性。由于磨损速度与材料性 质、加工质量、表面压强、润滑及使用维护等因素直接有关，故欲想提高导轨的耐磨性，须从这些方面采 取措施。 ()合理选择导轨的材料及热处理。(2)减小导轨面压强。常采用卸载导轨，即在导轨截荷的相反方向给运 动件施加一个机械的或液压的作用力（卸载），抵消导轨上的部分载荷，从而达到既保持导轨面间仍为直 接接触，又减小导轨工作面的压力 般卸载力取为运动件所受总重力的23左右。①静压卸载导轨②水 银卸载导轨③机械卸载导轨(3)保证导轨良好的润滑。(4)提高导轨的精度。 2.3.2滚动摩擦导轨 滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚 动摩擦状态 滚动导轨的特点：①摩擦系数小，不易出现爬行现象：②定位精度高，当要求运动件产生精确微量的移动时， 通常采用滚动导轨，③磨损较小，寿命长，润滑简便，④结构较为复杂，加工比较困难，成本较高：⑤对脏物 及导轨面的误差比较敏感。 1.滚珠导轨 V形滚珠导轨的优点是工艺性较好，容易达到较高的加工拮度，但由于滚跌和导轨面是点接触，接制 应力较大，容易压出沟槽，如沟槽的深度不均匀，将会降低导轨的精度。为了改善这种情况，可采取如下 指。 (1)预先在ⅴ形槽与滚珠接触处研磨出一窄条圆弧面的浅槽，从而增加了滚珠与滚道的接触面积，提高了承 载能力和耐磨性，但这时导轨中的摩擦力略有增加。 (2)采用双圆更滚珠导轨 当要求运动件的行程很大或需要简化导轨的设计和制造时，可采用滚珠循环式导轨 2.滚柱导轨和滚 承导 为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。这类导轨的结构尺寸较大， 常用在比较大型的精密机械上。 ()交叉滚柱V一平导轨。(2)V一平滚柱导轨。 24机械的支承结构 2.4,1机械支承结构应满足的基本要求 支承件是支承其他零部件的基础构件，既承受其他零部件的质量和工作载荷，又起保证各零部件相对 位置的基准作用。支承件多采用铸件、焊接件或型材装配件。其基本特点是尺寸较太、结构复杂、加工面 多、几何精度和相对位置精度要求较高。在设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置提出相应的精度 要求，以保证产品总体结度：其次，对其刚度、热变形和抗振性提出下列基本要求。 (1)应有足够的刚度 们应右足的抗指性 提高支承件的抗振性可采取 措施①提高固 动频率 以避免 提高固有振动频率的方法是提高静刚度与 量的比值 即在保证足够静刚度的前提下尽量诚轻质量。②增加阻尼，因为增加阻尼对提高动刚度的作用很大。③采 取隔振措施，如用减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。(3)应有较小的热变形。(4)稳定性好。(5)工艺性好， 成本低，符合人机工程方面的要求 6
6 (1)圆柱面导轨。圆柱面导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度;缺点是对温度 变化比较敏感，间隙不能调整。 (2)棱柱面导轨。常用的棱柱面导轨有三角形导轨、矩形导轨、燕尾形导轨以及它们的组合式导轨。 ①双三角形导轨。②三角形一平面导轨③矩形导轨。④燕尾导轨。 4.导轨间隙的调整 (1)采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获得合适的间隙。(2)采用平镶条调整间隙。(3)采用 斜镶条调整间隙。斜镶条的侧面磨成斜度很小的斜面，导轨间隙是用镶条的纵向移动来调整的，为了缩短 镶条长度，一般将其放在运动件上。 5.提高导轨耐磨性的措施 为使导轨在较长的使用期间内保持一定的导向精度，必须提高导轨的耐磨性。由于磨损速度与材料性 质、加工质量、表面压强、润滑及使用维护等因素直接有关，故欲想提高导轨的耐磨性，须从这些方面采 取措施。 (1)合理选择导轨的材料及热处理。(2)减小导轨面压强。常采用卸载导轨，即在导轨截荷的相反方向给运 动件施加一个机械的或液压的作用力(卸载力)，抵消导轨上的部分载荷，从而达到既保持导轨面间仍为直 接接触，又减小导轨工作面的压力。一般卸载力取为运动件所受总重力的 2/3 左右。①静压卸载导轨 ②水 银卸载导轨③机械卸载导轨 (3)保证导轨良好的润滑。(4)提高导轨的精度。 2. 3. 2 滚动摩擦导轨 滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体(滚珠、滚柱、滚动轴承等)，使导轨运动时处于滚 动摩擦状态。 滚动导轨的特点:①摩擦系数小，不易出现爬行现象;②定位精度高，当要求运动件产生精确微量的移动时， 通常采用滚动导轨;③磨损较小，寿命长，润滑简便;④结构较为复杂，加工比较困难，成本较高;⑤对脏物 及导轨面的误差比较敏感。 1.滚珠导轨 V 形滚珠导轨的优点是工艺性较好，容易达到较高的加工精度，但由于滚珠和导轨面是点接触，接触 应力较大，容易压出沟槽，如沟槽的深度不均匀，将会降低导轨的精度。为了改善这种情况，可采取如下 措施。 (1)预先在 v 形槽与滚珠接触处研磨出一窄条圆弧面的浅槽，从而增加了滚珠与滚道的接触面积，提高了承 载能力和耐磨性，但这时导轨中的摩擦力略有增加。 (2)采用双圆弧滚珠导轨。 当要求运动件的行程很大或需要简化导轨的设计和制造时，可采用滚珠循环式导轨。 2.滚柱导轨和滚动轴承导轨 为了提高滚动导轨的承载能力和刚度，可采用滚柱导轨或滚动轴承导轨。这类导轨的结构尺寸较大， 常用在比较大型的精密机械上。 (1)交叉滚柱 V 一平导轨。(2)V 一平滚柱导轨。 2. 4 机械的支承结构 2. 4. 1 机械支承结构应满足的基本要求 支承件是支承其他零部件的基础构件，既承受其他零部件的质量和工作载荷，又起保证各零部件相对 位置的基准作用。支承件多采用铸件、焊接件或型材装配件。其基本特点是尺寸较太、结构复杂、加工面 多、几何精度和相对位置精度要求较高。在设计时，首先应对某些关键表面及其相对位置提出相应的精度 要求，以保证产品总体精度;其次，对其刚度、热变形和抗振性提出下列基本要求。 (1)应有足够的刚度。(2)应有足够的抗振性。动刚度是衡量抗振性的主要指标。提高支承件的抗振性可采取 如下措施:①提高固有振动频率，以避免产生共振。提高固有振动频率的方法是提高静刚度与质量的比值， 即在保证足够静刚度的前提下尽量减轻质量。②增加阻尼，因为增加阻尼对提高动刚度的作用很大。③采 取隔振措施，如用减振橡胶垫脚、用空气弹簧隔板等。(3)应有较小的热变形。(4)稳定性好。(5)工艺性好， 成本低，符合人机工程方面的要求
2.4.2支承件的材料 支承件的材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求选择，常用的有如下几种。() 灰铸铁。(2)钢。(3)其他材料。 2.4.3支承件的设计原则 支承件的结构设计主要是解决刚度问题，包括静刚度和动刚度。 1提高支承件刚度的一般措施 ()合理选择截面形状和尺寸。 2)合理布置隔板和加强筋 (3)提高接触刚度 提高接触刚度可采用以下措施， ①减小表面粗糙度的数值一般应选到Ra<1.6m ②拧紧固定螺栓，使接触表面有200Nmm的预压力，以消除表面不平整的影响，提高接触刚度，预压 力应用测力扳手来控制。 ③合理选择连接部位的形状，提高局部刚度，以防止产生局部变形，造成接钟不良，降低接触利度 2,提高阻尼的 般措施 支承件通常受到的是动载荷，因此除了提高刚度外，还要提高阻尼，才能得到良好的动态特性。提高 阻尼的方法如下。 1)士十砂、铸浩，即保留转浩件中的砂芯。(2)对于焊接支承件，可在支承件中萍混凝土以增加阴尼。 2.5机械执行机构 机由 一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度 快、动态特性好 动静态精度高、动作灵敏度高等特点，另外为便于集中控制，它还应满足效奉高、体积 小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。 2.5.1微动机构 微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。 2.5.2定位机构 定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用分度机构和 紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。 2.5.3数控机床回转刀架 数控机床自动回转刀架是在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作 的一种机构 2.5.4工业机器人末端执行器 工业机器人是 一种白动控制 ,可重复编程、多功能、多自由度的操作机，用来搬运物料 工件或操作 工具以及完成其他各种作业的机电一体化设备。工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实 现操作功能的机构。 末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类：圆弧型夹持器，特种末端执行器、工具型末端 物行器知万能王 单元 机电 一体化传感检测技术 3.1传感器组成与分类 传感器(ssOr是能够检测出自然界中的各种物理量（或者化学量），并转换成相应非电量或电量的装置，又 称为变送器、换能器或探测器 在机电一体化系统中，被测量主要指各种物理量。机电一体化中涉及的重要物理量主要有：位置（位移） 速度、加速度 ,角度、转速，以及温度、 湿度、光量、电量、流量、磁场、AE、超声波、红外线等。 3.11传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。 ()敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，而输入、输出间具有确定的数 学关系（最好为线性）
7 2. 4. 2 支承件的材料 支承件的材料应根据其结构、工艺、成本、生产批量和生产周期等要求选择，常用的有如下几种。(1) 灰铸铁。(2)钢。(3)其他材料。 2. 4. 3 支承件的设计原则 支承件的结构设计主要是解决刚度问题，包括静刚度和动刚度。 1.提高支承件刚度的一般措施 (1)合理选择截面形状和尺寸。 (2)合理布置隔板和加强筋 (3)提高接触刚度。提高接触刚度可采用以下措施。 ①减小表面粗糙度的数值一般应选到 Ra < 1. 6 um ②拧紧固定螺栓，使接触表面有 200 N/mm 的预压力，以消除表面不平整的影响，提高接触刚度;预压 力应用测力扳手来控制。 ③合理选择连接部位的形状，提高局部刚度，以防止产生局部变形，造成接触不良，降低接触刚度。 2.提高阻尼的一般措施 支承件通常受到的是动载荷，因此除了提高刚度外，还要提高阻尼，才能得到良好的动态特性。提高 阻尼的方法如下。 (1)士寸砂、铸造，即保留铸造件中的砂芯。(2)对于焊接支承件，可在支承件中灌混凝土以增加阻尼。 2. 5 机械执行机构 机电一体化产品的执行机构是实现其主功能的重要环节，它应能快速地完成预期的动作，并具有响应速度 快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点，另外为便于集中控制，它还应满足效率高、体积 小、质量轻、自控性强、可靠性高等要求。 2. 5. 1 微动机构 微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。 2. 5. 2 定位机构 定位机构是机电一体化机械系统中一种确保移动件占据准确位置的执行机构，通常采用分度机构和锁 紧机构组合的形式来实现精确定位的要求。 2. 5. 3 数控机床回转刀架 数控机床自动回转刀架是在一定空间范围内，能使刀架执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作 的一种机构。 2. 5. 4 工业机器人末端执行器 工业机器人是一种自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，用来搬运物料、工件或操作 工具以及完成其他各种作业的机电一体化设备。工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实 现操作功能的机构。 末端执行器因用途不同而结构各异，一般可分为三大类:圆弧型夹持器，特种末端执行器、工具型末端 执行器和万能手。 单元三 机电一体化传感检测技术 3.1 传感器组成与分类 传感器( sensor)是能够检测出自然界中的各种物理量(或者化学量)，并转换成相应非电量或电量的装置，又 称为变送器、换能器或探测器。 在机电一体化系统中，被测量主要指各种物理量。机电一体化中涉及的重要物理量主要有:位置(位移)、 速度、加速度、角度、转速，以及温度、湿度、光量、电量、流量、磁场、AE、超声波、红外线等。 3.1.1 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。 (1)敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，而输入、输出间具有确定的数 学关系(最好为线性)
(2)传感元件是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 (3)基本转换电路是将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 (2)信号的变换特征分为物性型和结物型传感器。 结构型传感器主要通过机械结构几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应的电阻、电感、电容等 物理量的变化，从而检测出被测量信号。目前应用最为普远。 物性型传感器利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质等作为敏感材料 的固态器件。 (5)市场上销售的传感器的类型主要按被测物理量来分类。一般分为位移传感器、位置传感器、速 度传感器 加速度传感器、 力传感器、温度传感器等。 3.2典型常用传感器 3.2.1位置传感器 按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接触式开关等。接触式开关包含封入式、微 动开关、精密式等极限开关，非接触式又分为接近开关和光电开关。 1极明开关（微动开关 接触式极限开关主要用于极限位置的检测，这种极限开关具有以下特点。 ①能够实现大容量(10A,250VAC)的开闭 ②寿命长「机械寿命2000万次以上，电气寿命50万次以上(10A,250VAC) ③具有优良的动作位置结度。动作位置桔度可达10.4m ④取得各国安全标准认证.CSA SEMKO 接触式极限开关的优点是可以制成各种大小和形状来适应安装环境，以供使用者选择，同时，价格便 宜。其缺点主要有两点：一是由于是接触式，使用时故障率较高，二是会产生电气噪声，需要采取措施来防 止噪声 非接触式位置传感器主要有接近传感器和光电传感器等。有代表性的接近传感器主要有舌簧传感器， 有代表性的光电传感器主要有光电开关等。 2接近传成器 接近传感器是一种非接触式位置传感器，能够感知物体的靠近，利用位移传感器对接近物体所具 有的敏感特性，达到识别物体靠近、并输出开关信号的目的。它具有速度快、频率高等特点。 3光电传成器 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光电开关。光电二极管是最常见 的光电传感器。 光敏三极管除了具有光电 极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光电 三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 光电传感器一般由发光元件（发光二极管，即L正D)和受光元件（光敏三极管）组合构成。 3.2.2位移传感器 按照运动形态，位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器。直线式位移传感器主要有差动变 压 、电位器、 光栅尺、光学式位移测定装置等。角位移传感器主要有 位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器 器专 模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移 的大小，如电容式传感器、电感式传感器等：数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如 光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。 1模拟式位移传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化 一种结构型传感器。按其转换 方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称头 差动变压器式。 ()可变磁阻式电感传感器。 (2)差动变压器式电感传感器
8 (2)传感元件是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号(如电阻、电感、电容等)形式。 (3)基本转换电路是将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 (2)按信号的变换特征分为物性型和结构型传感器。 结构型传感器主要通过机械结构几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应的电阻、电感、电容等 物理量的变化，从而检测出被测量信号。目前应用最为普遍。 物性型传感器利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质等作为敏感材料 的固态器件。 (5)市场上销售的传感器的类型主要按被测物理量来分类。一般分为位移传感器、位置传感器、速 度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。 3. 2 典型常用传感器 3. 2.1 位置传感器 按照是否为接触检测，位置传感器可分为接触式开关、非接触式开关等。接触式开关包含封入式、微 动开关、精密式等极限开关;非接触式又分为接近开关和光电开关。 1.极限开关(微动开关) 接触式极限开关主要用于极限位置的检测，这种极限开关具有以下特点。 ①能够实现大容量(10 A , 250 V AC)的开闭 ②寿命长「机械寿命 2 000 万次以上，电气寿命 50 万次以上(10 A , 250 V AC ) ③具有优良的动作位置精度。动作位置精度可达 1 0. 4 mm ④取得各国安全标准认证(UL, CSA, SEMKO ) 接触式极限开关的优点是:可以制成各种大小和形状来适应安装环境，以供使用者选择，同时，价格便 宜。其缺点主要有两点:一是由于是接触式，使用时故障率较高;二是会产生电气噪声，需要采取措施来防 止噪声。 非接触式位置传感器主要有接近传感器和光电传感器等。有代表性的接近传感器主要有舌簧传感器; 有代表性的光电传感器主要有光电开关等。 2.接近传感器 接近传感器是一种非接触式位置传感器，能够感知物体的靠近，利用位移传感器对接近物体所具 有的敏感特性，达到识别物体靠近、并输出开关信号的目的。它具有速度快、频率高等特点。 3.光电传感器 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器，又称为光电开关。光电二极管是最常见 的光电传感器。 光敏三极管除了具有光电二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光电 三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。 光电传感器一般由发光元件(发光二极管，即 LE D)和受光元件(光敏三极管)组合构成。 3. 2. 2 位移传感器 按照运动形态，位移传感器可分为直线位移传感器和角位移传感器。直线式位移传感器主要有差动变 压器、电位器、光栅尺、光学式位移测定装置等。角位移传感器主要有旋转编码器等。 位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移 的大小，如电容式传感器、电感式传感器等;数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如 光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。 1.模拟式位移传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换 方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为 差动变压器式。 (1)可变磁阻式电感传感器。 (2)差动变压器式电感传感器
2.数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁櫺、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成 直线形和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每 个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉 冲就可以统计位移的尺寸。 (1)光胡位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有园光栅和直线光栅两种它的特点是测量 精确高（可达士1μm)、响应速度快和量程范围大（一般为1~2m,连接使用可达到10m)等。 光榻由标尺光栅和指示光橱组成。 (②)感应同步器。感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种， 分别用作检测直线位移和转角直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成 3.2.3速度和加速度传感器 速度、加速度测试有许多方法，可以使用直流测速机直接测量速度，也可以通过检测位移换算出 速度和加速度，还可以通过测试惯性力换算出加速度等。 1.直流测速机速度检测 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不 同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。 直流测速机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转 较大。 2.光电式转速传感器 电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝深 圆盘、光 光电器件和指示缝隙盘组成 3.加速度传感器 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理都是利用惯性质量受加速度所 产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量被测加速度。最常用的有应变式、压 电式、申磁成应式等】 ()压电效应及压电材料。压电材料的压电特性只和变形有关，施加的外力是产生变形的手段。石英 体产生压电效应的方向只有x轴方向，其他方向都不会产生电荷。 (2)压电传感器结构及特性。压电传感器是以电荷或两极间的电势作为输出信号。当测试静态信号时， 由于任何阻抗的电路都会产生电荷泄漏，因此测量电势的方法误差很大，只能采用测量电荷的方法。当给 压电传感器施加交变的外力，传感器就会输出交变的电势，信号处理电路相对简单，因此压电式传感器适 合测试动态信号，且频率越高越好 压电传感器结构一般由两片或多片压电晶体粘合而成，由于压电晶片有电荷极性，因此接法上分 成并联和串联两种。 并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容也大，故时间常数大，可以测量较慢变化的信号，并以电 荷作为输出参数测量。串联接法输出电压高，本身电容小，适应以电压输出的信号和测量电路输出阻抗很 高的情况。 压电传感器信号较弱，且是电荷的表现形式，因此测量电路必须进行信号放大。目前，压电 传感器应用相当普遍，且生产厂家都专门配备有传感器处理电路。 3.2.4温度传感器 按温度测量方式来分，温度传感器可分为接触式和非接触式。 所谓接触式，就是温度传感器直接接触被测物体表面的一种测量方式 热敏电阻器是一种有代表性的接触式温度传感器， (1)铂热电阻器 (2)热电偶。热电偶是利用热电效应原理而制成的一种温度传感器。热电偶具有以下优点：比较便宜、容易 买到，测量方法简单、测温精度高，测量时间上的滞后小，可以实现很宽范围内的温度测量（与热敏电阻等 相比)。可以选用与灵敏度和寿命等状况相适应的热电偶类型。利用热电偶可以进行小型被测物和狭窄场所 9
9 2.数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成 直线形和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉 冲就可以统计位移的尺寸。 (1)光栅位移传感器。光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种它的特点是测量 精确高(可达±1μm )、响应速度快和量程范围大(一般为 1~2 m，连接使用可达到 10m)等。 光栅由标尺光栅和指示光栅组成。 (2)感应同步器。感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种， 分别用作检测直线位移和转角直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。 3. 2. 3 速度和加速度传感器 速度、加速度测试有许多方法，可以使用直流测速机直接测量速度，也可以通过检测位移换算出 速度和加速度，还可以通过测试惯性力换算出加速度等。 1.直流测速机速度检测 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不 同，直流测速机可分为电磁式和永磁式两种。 直流测速机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩 较大。 2.光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器，由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙 圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成。 3.加速度传感器 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理都是利用惯性质量受加速度所 产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，间接度量被测加速度。最常用的有应变式、压 电式、电磁感应式等。 (1)压电效应及压电材料。压电材料的压电特性只和变形有关，施加的外力是产生变形的手段。石英晶 体产生压电效应的方向只有 x 轴方向，其他方向都不会产生电荷。 (2)压电传感器结构及特性。压电传感器是以电荷或两极间的电势作为输出信号。当测试静态信号时， 由于任何阻抗的电路都会产生电荷泄漏，因此测量电势的方法误差很大，只能采用测量电荷的方法。当给 压电传感器施加交变的外力，传感器就会输出交变的电势，信号处理电路相对简单，因此压电式传感器适 合测试动态信号，且频率越高越好。 压电传感器结构一般由两片或多片压电晶体粘合而成，由于压电晶片有电荷极性，因此接法上分 成并联和串联两种。 并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容也大，故时间常数大，可以测量较慢变化的信号，并以电 荷作为输出参数测量。串联接法输出电压高，本身电容小，适应以电压输出的信号和测量电路输出阻抗很 高的情况。 由于压电传感器信号较弱，且是电荷的表现形式，因此测量电路必须进行信号放大。目前，压电 传感器应用相当普遍，且生产厂家都专门配备有传感器处理电路。 3. 2. 4 温度传感器 按温度测量方式来分，温度传感器可分为接触式和非接触式。 所谓接触式，就是温度传感器直接接触被测物体表面的一种测量方式。 热敏电阻器是一种有代表性的接触式温度传感器。 (1)铂热电阻器。 (2)热电偶。热电偶是利用热电效应原理而制成的一种温度传感器。热电偶具有以下优点:比较便宜、容易 买到，测量方法简单、测温精度高，测量时间上的滞后小，可以实现很宽范围内的温度测量(与热敏电阻等 相比)。可以选用与灵敏度和寿命等状况相适应的热电偶类型。利用热电偶可以进行小型被测物和狭窄场所
的测温，可以进行较长距离（即被测物体与测温仪表之间的距离较远）的温度测量，对于测量电路到测温仪 表中间的电路，即使局部的温度发生变化，也基本上不会对测定值造成影响。 (3)非接触式温度传感器。具有代表性的非接触式温度传感器是热电式温度传感器。 3.2.5红外线传感器 水银温度计是一种使用最早的红外线传感器。 红外线传感器接收红外光的照射，并将红外光的辐射能量转换成电信号。 33传成器的洗择方法 (1)根据测量对象选择相应传感器类型 (2)明确传感器使用目的和条件，选择传感器工作方式 (3)了解所测量的范围、精度和灵敏度 (4)考虑测量环境、测量的稳定性、寿命、使用的方便性、是否容易买到以及价格等因素。 1.灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范用内，希望传感器的灵敏度越高越好 2响应特性（反应时间） 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条 件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。 3线性范围 传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。 4稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性 5.精度 精度是传感器的一个重要性能指标，它是关系到整个量系统测量精度的一个重要环节。 传感器输出信号（模拟信号、数字信号和开关信号）的不同，其测量电路也有模拟型测量电路、数 字型测量电路和开关型测量电路之分。 1.模拟型测量电路 模拟型测量电路适合于电阻式、电感式、电容式、电热式等输出模拟信号的传感器。 2.数字型测量电路 数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。绝对码数字式传感器输出的编码与被测量一 对应，每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换、放大整形后，得到与被测量相对应的编码。 3开关型测量电路 专感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实 质为功率放大电路。 4.转换电路 中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。 ()电桥。电桥适用于参量式传感器。其作用是被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电 容等参数的变化 (2)放大电路。放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。常用的 抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接地等方法。屏蔽是抑制场干扰的主要措施，而滤波则是抑制干扰最有 效的手段，特别是抑制导线藕合到电路中的干扰。对于信号通道中的干扰，可根据测量中的有效信号频谱 和干扰信号的频谱，设计滤波器，以保留有用信号，剔除干扰信号。接地的目的之一是给系统提供一个基 准电位，若接地 方法不正确 引志 (3)调制 解调电路。由传感 器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢的类似于直流的信号，若采用一能 直流放大器进行放大和传送，零点漂移及干扰等会影响测量精度。因此常先用调制器把直流信号变换成某 种频率的交流信号，经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式 (4模/数与数/模转换电路，为了满足系统信息的传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟 10
10 的测温，可以进行较长距离(即被测物体与测温仪表之间的距离较远)的温度测量，对于测量电路到测温仪 表中间的电路，即使局部的温度发生变化，也基本上不会对测定值造成影响。 (3)非接触式温度传感器。具有代表性的非接触式温度传感器是热电式温度传感器。 3. 2. 5 红外线传感器 水银温度计是一种使用最早的红外线传感器。 红外线传感器接收红外光的照射，并将红外光的辐射能量转换成电信号。 3. 3 传感器的选择方法 (1)根据测量对象选择相应传感器类型。 (2)明确传感器使用目的和条件，选择传感器工作方式 (3)了解所测量的范围、精度和灵敏度 (4)考虑测量环境、测量的稳定性、寿命、使用的方便性、是否容易买到以及价格等因素。 1.灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。 2.响应特性(反应时间) 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条 件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。 3.线性范围 传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。 4.稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。 5.精度 精度是传感器的一个重要性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。 传感器输出信号(模拟信号、数字信号和开关信号)的不同，其测量电路也有模拟型测量电路、数 字型测量电路和开关型测量电路之分。 1.模拟型测量电路 模拟型测量电路适合于电阻式、电感式、电容式、电热式等输出模拟信号的传感器。 2.数字型测量电路 数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。绝对码数字式传感器输出的编码与被测量一一 对应，每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换、放大整形后，得到与被测量相对应的编码。 3.开关型测量电路 传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实 质为功率放大电路。 4.转换电路 中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。 (1)电桥。电桥适用于参量式传感器。其作用是被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电 容等参数的变化，转化为电量。 (2)放大电路。放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。常用的 抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接地等方法。屏蔽是抑制场干扰的主要措施，而滤波则是抑制干扰最有 效的手段，特别是抑制导线藕合到电路中的干扰。对于信号通道中的干扰，可根据测量中的有效信号频谱 和干扰信号的频谱，设计滤波器，以保留有用信号，剔除干扰信号。接地的目的之一是给系统提供一个基 准电位，若接地方法不正确，会引起干扰。 (3)调制与解调电路。由传感器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢的类似于直流的信号，若采用一般 直流放大器进行放大和传送，零点漂移及干扰等会影响测量精度。因此常先用调制器把直流信号变换成某 种频率的交流信号，经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式 (4)模/数与数/模转换电路，为了满足系统信息的传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟