第5章 位置传感器与角度传感器

第五部分数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。

为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。

直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。

b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。

用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。

位移传感器的输出只有两种形式，即模拟式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。

(2)模拟式和数字式位移传感器:模拟传感器——传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。

数字位移传感器——工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。

根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。

(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。

半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。

2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。

传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个物理量等分后的最小单位。

无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。

另一方面，测量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影响。

3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。

光栅位移检测装置的测量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。

《数控技术及应用》第一章绪论（一）数控技术的产生及其应用领域开环控制系统用于经济型数控机床上。

数控机床加工依赖于各种数字化信息。

绕X轴旋转的回转运动坐标轴是A轴。

（二）数控机床的分类、组成、及各部分的作用（三）数字控制系统的分类、组成其工作原理对步进电机施加一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，这个角度叫做步距角，电机的总角位移和输入脉冲的数量成正比，而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。

数控系统所规定的最小设定单位就是脉冲当量。

数控机床的种类很多，如果按加工轨迹分则可分为点位控制、直线控制和连续控制。

根据控制运动方式的不同，机床数控系统可分为点位数控系统和连续数控系统。

点位控制的特点是，可以以任意途径达到要计算的点，因为在定位过程中不进行加工。

（四）数控技术的发展趋势及其与现代制造系统的关系第二章数控加工程序的编制1.数控机床的机床坐标系与工件坐标系的含义是什么?答：机床坐标系是机床上固有的坐标系。

一般利用机床机械结构的基准来确定，在说明书中均有规定。

工件坐标系是在编程时使用，由编程人员在工件上指定某一个点作为原点，并在其上建立工件坐标系。

工件坐标系的原点在机床坐标系中称为调整点，它的选择应使工件上最大尺寸能加工出来。

数控机床上有一个机械原点，该点到机床坐标零点在进给坐标轴方向上的距离可以在机床出厂时设定，该点称机床参考点。

（一）数控机床程序编制的目的、步骤和方法数控加工程序的编制方法主要有手工编程和自动编程两类。

（二）工件加工程序的格式和代码G代码可以分为模态G代码和非模态G代码，非模态指令只能在本程序段内有效。

数控编程中，主轴功能字S指定的是主轴每分钟转速（r/min）。

进给功能字F常用mm/min或mm/r单位。

（三）手工编程方法通常在命名或编程时，不论何种机床，都一律假定工件静止刀具移动。

确定数控机床坐标轴时，一般应先确定Z轴。

数控铣床的默认加工平面是XY平面。

数控机床的标准坐标系是以右手直角笛卡尔坐标系来确定的。

一、选择题1．传感器已广泛应用于日常生活。

下列传感器能够将力学量转换为电学量的是（）A．应变片B．干簧管C．热敏电阻D．霍尔元件A解析：AA．应变片是在外力的作用下产生机械形变，其电阻发生相应变化，从而将力学量转换为电学量。

A正确；B．干簧管是将磁学量转化为电学量，B错误；C．热敏电阻是将温度转化为电学量，C错误；D．霍尔元件是将磁学量转化为电学量，D错误。

故选A。

2．抗击新型冠状病毒期间，由于无法外出，某同学在家利用所学物理知识设计能显示拉力大小的电子健身器材，如图所示是原理图。

轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100N/cm。

定值电阻R0=5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1=25Ω，电源输出电压恒为U=3V，理想电流表的量程为0～0.6A。

当拉环不受力时，滑片P位于a端。

下列关于这个电路的说法正确的是（）A．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0AB．当拉力为400N时，电流表指针指在0.3A处C．当拉力为400N时，电流表指针指在0.5A处D ．该健身器材能测量力的范围是0～400N B解析：B当拉环不受力时，滑片P 在a 端，由欧姆定律得I =01U R R +=0.1A 故A 错误；BC ．拉力为400N 时，由F =k Δx ，则Δx =4cm对应的电阻为R aP =20Ω，R 1接入电路的电阻R Pb =5Ω，由欧姆定律得I ′=0pbU R R +=0.3A 故B 正确，C 错误；D ．在P 移动到b 点时Δx ′=5cm ，由F =k Δx ，拉力最大F =500N故D 错误。

故选B 。

3．下列说法正确的是（ ）A ．穿过闭合电路的磁通量发生变化时，这个闭合电路中就有感应电流产生B ．只要导体相对磁场运动，导体中一定会产生感应电流C ．话筒是一种能够将电信号转换为声音信号的传感器D ．热敏电阻能把热量这个热学量转换为电阻这个电学量A解析：AA ．穿过闭合电路的磁通量发生变化时，这个闭合电路中就有感应电流产生，选项A 正确；B ．只有当闭合电路的部分导体切割磁感线运动时，导体中才会产生感应电流，选项B 错误；C ．话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器，选项C 错误；D ．热敏电阻是由半导体制成的，电阻随温度的升高而减小；从而把温度这个热学量转换为电阻这个电学量；故D 错误；故选A 。

第5章《传感器及其应用》第1节 揭开传感器的“面纱”【学习目标】1．了解传感器在生产和生活中的应用。

2．知道非电学量转换成电学量的技术意义。

3．知道传感器的最基本原理及其一般结构。

4．知道敏感元件的作用。

【要点透析】1. 什么是传感器？传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）按一定规律转换成便于处理和传输电学量（如电压、电流等）的一种元件。

传感器输入的是非电学物理量，输出的是电学量。

将非电学物理量转换成电学量后，测量比较方便，而且能输入到计算机进行处理。

各种传感器是自动控制设备中不可缺少的元件，已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以至家庭生活等多种领域。

2．传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助电源。

如图5.1-1所示。

敏感元件（预变换器）：将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件。

敏感元件是传感器的核心部分，它是利用材料的某种敏感效应（如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等）制成的。

转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件，如压电晶体、热电偶等。

转换电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路称为测量电路。

3．传感器的分类传感器的种类很多，目前尚没有统一的分类方法，一般常采用的分类方法有如下几种：（1）按工作原理分类物理传感器：利用物质的物理性质和物理效应感知并检测出待测对象信息的传感器，如电容传感器、电感传感器、光电传感器、压电传感器等；化学传感器：利用化学反应识别和检测信息的传感器，如气敏传感器、湿敏传感器等； 生物传感器：利用生物化学反应识别和检测信息的传感器，它是由固定生物体材料和适图5.1-1 敏感元件当转换器件组合成的系统。

如组织传感器、细胞传感器、酶传感器等。

（2）按用途分类这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据需要测量的对象选择所需要的传感器。

第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。

，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。

微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

17．答：⑴20。

C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。

V0在48.78～67.63mV之间变化。

⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。

C时，V0在0～18.85mV之间变化。

30。

C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。

⑶20。

C时，V0为0～18.85mV，30。

C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。

但相对（2）得情况来说有很大的改善。

18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。

11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。

因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。

习题集及答案第1章概述1.1什么是传感器？按照国标定义，“传感器〞应该如何说明含义？1.2传感器由哪几局部组成？试述它们的作用及相互关系。

1.3简述传感器主要开展趋势，并说明现代检测系统的特征。

1.4传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5传感器的图形符号如何表示？它们各局部代表什么含义？应注意哪些问题？1.6用图形符号表示一电阻式温度传感器。

1.7请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。

如果没有传感器，应该出现哪种状况。

1.8空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1 答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理局部总称为传感器。

我们对传感器定义是：一种能把特定的信息〔物理、化学、生物〕按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

我国国家标准〔GB7665—87〕对传感器〔 Sensor/transducer〕的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置〞。

定义说明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。

按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。

1.2 答：组成——由敏感元件、转换元件、根本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。

1.3 答：〔略〕答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含 12 个小类。

按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。

一、选择题1．(0分)[ID：129463]传感器已广泛应用于日常生活。

下列传感器能够将力学量转换为电学量的是（）A．应变片B．干簧管C．热敏电阻D．霍尔元件2．(0分)[ID：129454]如图所示，额温枪因其具有快速、无接触测温的特点，广泛应用在各类新型冠状病毒防控场所．额温枪核心部件的传感器是（）A．位移传感器B．声音传感器C．力传感器D．红外温度传感器3．(0分)[ID：129447]如图所示电路中，E为电源（内阻为r），R2、R3为定值电阻，R4为滑动变阻器，R1为光敏电阻（其阻值随光照强度的增大而减小），电压表为理想电压表，开关S闭合后，电容器中一带电微粒恰好处于静止状态。

下列说法正确的是（）A．若仅将R4的滑片向下移动，电压表的示数将变大，电源效率将变大B．若仅将R4的滑片向下移动，R2消耗的电功率将变大，带电微粒将向上运动C ．若仅增大光照强度，R 4消耗的电功率将变小D ．若仅增大光照强度，将有电流向下通过R 34．(0分)[ID ：129444]下列关于传感器说法正确的是（ ） A ．干簧管接入电路中相当于电阻的作用B ．霍尔元件能够把磁学量（如磁感应强度）转化为电学量（如电压）C ．光敏电阻随光照强度增加电阻增大D ．热敏电阻的阻值随温度的升高而升高5．(0分)[ID ：129438]利用电容传感器可检测矿井渗水，及时发出安全警报，从而避免事故的发生。

如图所示是一种通过测量电容器电容的变化来检测矿井中液面高低的仪器原理图，A 为位置固定的导体芯，B 为导体芯外面的一层绝缘物质，C 为导电液体（矿井中含有杂质的水），A 、B 、C 构成电容器。

若矿井渗水（导电液体深度增大），则电流（ ）A ．从b 向a ，A 、B 、C 构成的电容器放电 B ．从a 向b ，A 、B 、C 构成的电容器放电 C ．从b 向a ，A 、B 、C 构成的电容器充电D ．从a 向b ，A 、B 、C 构成的电容器充电6．(0分)[ID ：129426]如图所示为一种常见的电子台秤，质量为0M 的秤盘置于压力传感器上，传感器输出电压与作用在其上的压力成正比，当秤盘没有放入物体时，传感器输出电压为0U ，将某物体放置于秤盘，传感器输出电压为U ，则该物体的质量为（ ）A ．M U U B ．00M U UC ．()000M U U U - D ．()00M U U U- 7．(0分)[ID ：129424]用图甲所示电路测量电流表的内阻。