2.3.5光电式转速传感器 光电式转速传感器由安装在被测轴（或与被测轴直接相连的输入轴》的带孔圆盘、光 源、光电转换元件和指示缝隙盘组战。图229为光电式转速传感器原理。开孔盘上有20 个、30个、60个、.小孔。开孔盘转一周，光敏元件接受光的次数等于盘上的开孔数。 者开孔数为m,记录过程时间为，总脉冲数为N,则转速为 n-×60-0 (2-16) 光电转速传感器跟计数器配套使用，检测范围可达10r/min,精度1r/min。 2.3.6电涡流式转速传感器 电涡流传感器不仅可以用于测量距离，还可以测量转速。图2-30为电涡流测速原理。 在转轴上开一个或多个槽，旁边安装一个涡流传感器。当转轴转动时，电涡流传惑器改变与 转轴之间的距离，于是输出也周期性改变，此变化信号经过变换、放大后，用频率计测出变 化的频率，就可以计算出转轴的转速。 n=60 (2-17) 式中n一转轴的转速，r/min f—频率计测出的频率，Hz: 一转轴上开的槽数。 2.3.7空间滤波器 在黑暗的房间里透过窗户看路上的行人，人的眼睛能够感受到光线的明暗变化。实践表 明，行人的走路速度不同，光线的明暗变化频率也不同。利用这种现象制作的速度传感器就 是空间滤波器 图231是空间滤波器的工作原理。以点光源为研究对象，当点光源以速度v移动时， 输出波形的周期T和点光源的像在梳状感光元件上移动一个节距力所需时间相同。 感光元件 校测转 传短 图2-30电泻流测速原理 时2-31空间滤波器 12
T-mvcos (2-18) 式中m一光学系统的倍率： :一点光源的像的移动方向与感光元件的夹角。 速度0s8可由式(2-19)进行计算 vcos (2-19】 式中f一-输出波形的颜率，H2。 由式(2-19)可以求出物体移动的速度v a (2-20) 2.4加速度传感器 2.4.1压电式加速度传感器 压电传感器的基本原理是压电材料的压电效应。某些物质在机械力的作用下发生变形， 内部产生极化现象，在材料的上下表面产生极性相反的电荷。当去掉外力后， 电荷消失。这 种现象就是压电效应。图232为压电式加速度传感器结构。在两片表面镀银的压电片（石 英或陶瓷品体)上放置质量块，并用硬弹簧给质量块预加压缩载荷。该载荷要求远大于传感 器在振动、冲击测试中可能承受的最大动应力。整个传感器放在尺寸较大的机座上，并用金 属外壳罩住。测试时传感器的机座与测试件刚性连接。当测试件的振动频率远低于传感器的 谐振频率时，传感器输出载荷（或电压）与测试件的加速度成正比，经电荷敬大器或电压放 大器就可测出加速度 压电式传感器的测量电路如图2-33所示。 金屑外克 22 引出封 基连 图232压电式加速度传感器结构 图233测量电路 2.4.2倾斜镜式光纤加速计 光纤加速计是利用光强度调制原理设计的新瘦传感器。当质量块在惯性力的作用下 产生位移，位移变化影响人射光强的变化，进而测得加速度。图234是倾斜镜式光纤 加速计的剖面图。在套简里，固定者三根光纤，最上面一根是输人光纤，下面两根是接 收信号的接收光纤，三根光纤都是使用多模光纤。由于黄铜板弹簧是水平放置，而且厚 23
83 图2-34插斜镜武州纤加连计 1一黄支体 度小，宽度大，所以它只能感受垂直方向的加速度，对水平方向的加速度几乎不反应 输入光纤与接收光纤的排列情况，如图235所示，最上面是输人光 纤，下面两根是接收光纤。箱入光纤将光源发出的光导人，并经图 2-34所示的自聚焦透镜射向倾斜镜，反射回来的光，再经自聚焦透 镜，使光斑照射到接收光纤上。 当无加谏度时，北群位于两接收光纤2和3之间（见图2-35）， 处于平衡位置，因而两个接收光纤得到的光强相同。当质量块有加 速度时，倾斜镜发生倾斜角日，使光斑位置向上或向下移动，移动方 向由加速度的方向来决定。如果倾斜镜向上倾斜，则接收光纤？的 西收览价衡纤光强增加，接收光纤3的光强减少。如果反射镜向下倾斜，则光强 排列惰 的变化相反 这种倾斜镜式加速度计构思巧妙、结构精巧、灵敏度高、测量范围 大，不易受冲击振动或电源波动的影响，最小可测加速度值小丁 一反射光 1×10-g,探头总长约5cm左右，直径约1cm, 2.5力和力矩传感器 2,5.1硅压阻式压力传感器 硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。在单晶硅的基片上用扩散工 艺制成一定形状的应变元件，应变元件在受到压力作用时，其电阻发生变化，因而使输出电 压变化。硅压阻压力传感器对温度很敏感。因此需要采用温度补偿电路。随若半导体电子技 术的发展，采用激光技术对电阻进行修正，使其具有较高的混度稳定性。硅压阻压力传惑器 将敏感元件和检测元件集成在一块硅片上，没有中间转换环节和活动部件，属于固态传感 器。因此工作可靠、寿命长。图2-36所示为硅压阻压力传感器的结构简图。 2.5.2力矩传感 转矩传感器根据电信号的引出方式分为接触式和非接触式。现介绍非接触式转矩传惑 器。图2-37所示为无接触力矩测景原理。传动轴的两端安装有磁分度圆A,用磁头B检 测两圆盘之间的转角差。转角差△0与负载力矩M成正比例。因此只要测出转角差，就可以 测量力矩的大小
正力接 图236硅压阻压力传感器的结构简 图37九按触力矩测量原理 2.6视觉传感器 视觉传感器在光机电一体化系统中用于机器人视觉、零件尺寸和缺陷检测等方面。以光 电变换为主的视觉传感器包括照明、摄像、光电变涣和扫描4个部分。视党传感器早期采用 光导摄像管，20世纪70年代后逐步被电荷相合器作CCD(charge coupled devices)所代替 电荷糊合器件CC具有尺寸小、T作电压低(DC:7~9V)、寿命长，坚周耐冲击、信息 处理容易等特点，在工业检测和机器人视觉中得到广泛应用。本章主要介绍电荷耦合器 件CCD. 电荷耦合器件CCD是一种MOS(金属-氧化物-半导体)结构的新型器件。它具有光电 转换、信号存储和信号传输（自扫描）的功能，在像传感、信息处理和信息存储等方面应 用广泛，因而发展非常迅速。 CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信 号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号 电荷的产生、存储、传输和检测 CCD有两种基本类型，一种是电荷包有储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传 输，这类器件称为表面沟道CCD(简称SCCD): 另一种是电荷包存储在高半导体表面一定深度的 体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器 件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD) .6.1CCD工作原理 (1)由荷存储 构成CCD的基本单元仍是MOS结构，如倒 2-38所示。在P型硅（或N型硅）单品的村底 上，生成很薄的一层SiO。再在其上蒸镀一层间 图2-38D的基本结构 距排列很小的铝条电极，在电极上有适当的正偏 一铝条电：2一0：3一势日 压或负偏压。该电压形成的磁场通过SO,薄层，并排斥P型（或N型)硅中的多数我流 子，从而在电极上形成电荷耗尽区，在SO和S的界面上得到一个存储少数载流子的势 阱。所加偏压越大，势阱越深。 (2)电荷耦合 25
图2-39通过对CCD中四个电极的考察来说明CCD中的势阱及电荷是如何从一个势阱 转移到另一个势阱。假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱 里，其他电极上均加有大于圆值的较低电压（如2V)。设图2-39(a)为初始时刻，经过 t时刻后，各电极上的电压如图2-39(b)所示。第二个电极的偏压仍保持为10V,第三个 电极上的偏压由2V变到10V。因这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），它们各自的对 应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为这两个电极下的势阱所共有[见图 2-39(b)、(c)]。若此后电极上的偏压变为图2-39(d)所示，即第二个电极的偏压由10V变 为2V,第三个电极编压仍为10V,则共有的电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图 2-39(e)所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置 ① 2V -一一 一存有电荷的势册 间)初始状态 新势洲 )电荷由兜极向2电极转移 ⊙)电有在①.②电极下均匀分布 3 电齧移动 (d电荷桃续由D电极向②电极转移 e)电商完全转移到2电极 图2-39CCD电荷转移过程 通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按 一定方向移动。 (3)电荷的注入和输出 ①电荷的注入在CCD中，电荷注入的方法有光注人和电注入两种。此处介绍光注人 26