传感器技术及机械检测

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1、第五章、传感器技术及机械量检测第一节、传感器概述n一、传感器的定义及分类n传感器是一种能按照一定规律将被测量转变成可以输出电信号的装置。n现代控制技术的三大基础：信息采集，传输、处理。n传感器是实现自动检测和控制的首要环节，其作用相当于人的五官。从外界获得信息，并从中提取有用信息的过程称为检测。外界感觉器官运动器官眼、耳、皮肤等肌肉、骨骼等大脑（）生物系统（）机电一体化系统外界传感器执行装置计算机一、传感器的定义及分类n（一）、按照被测量进行分类n温度n压力n流量n位移n速度n加速度一、传感器的定义及分类n（二）、按照工作原理n应变式n压电式n热电式n（三）、按照能量关系n有源传感器n无源传感

2、器n（四）、按技术阶段n结构型n物性型n智能型一、传感器的定义及分类n按输出信号的性质：按输出信号的性质：传感器接触型(如微动开关，接近开关)模拟型非接触型(光电开关，接近开关)电压，电流型(热电偶，光电电池，压电元件)电阻型(电位器，电阻应变片)开关型(二值型)数字型代码型(编码器，磁尺)计数型（二值计数器）电感，电容型(电感，电容式位移传感器)开关型 模拟型 数字型 开关型开关型 n传感器输入物理量达到某个值以上，其输出为传感器输入物理量达到某个值以上，其输出为“1”(ON)1”(ON)，O NO FF模拟型模拟型 n输出是与输入量变化相对应的连续变化的电量。输出是与输入量变化相对应的连续

3、变化的电量。Y=kXyY=kX2xyx数字型数字型 n有计数型和代码型两类。n计数型计数型又称为脉冲数字型，实际上是一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数。如，检测传送带上产品的个数，或检测执行机构的位置。n代码型代码型传感器又称编码器，输入量按照某种规律变化时，输出量根据输入的变化规律，输出相应的数字代数字代码码。计数型计数型1t2345代码型tk1k210101011如图，当输入为如图，当输入为k k1 1时，输出为时，输出为10101010，当，当输入为输入为k k2 2时，输出为时，输出为10111011。二、传感器的转换原理n1.光-电转换n2.

4、热-电转换n3.力-电压转换n4.力-电荷转换n5.磁-电转换n6.气体-电阻转换n7.温度-电阻转换三、几种主要传感器工作原理n1.光传感器光电效应n所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象。n光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效应多产生于半导体材料内。15 内光电效应器件n(1).光敏电阻n光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特

5、点 2022-12-516光敏电阻的原理和结构。n光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压会发生变化。一般而言，光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应会立即消失，电阻又恢复原值。2022-12-517光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受当光敏电阻受到光照时，到光照时，阻值减阻值减小。小。2022-12-518光敏电阻的基本特性和主要参数光敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 暗电阻、亮电阻与光电流。光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。在没有

6、受到光此时流过的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流被称为暗电流。被称为暗电流。2022-12-519(2)光敏晶体管 n光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。2022-12-520光敏三极管 n集电极电流是原始光电电流的倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。光敏三极管光敏三极管 2022-12-521光敏三极管外形光敏三极管外形 n2.温度

7、传感器n3.压力传感器n4.磁传感器n5.气体传感器 四、传感器基本特性四、传感器基本特性n当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为静态特性。输入输出关系特性称为静态特性。n传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性，即传感器系统的输出信号，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测和输入信号（被测量）量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所之间的关系，传感器系统示意图如下图所示。示。2022-12-523四、传感器基本特性四、传感器基本特性n传感器的静态特性：传感器的

8、静态特性：n1.测量范围：测量范围：传感器所能测量到的最小输入量传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量与最大输入量 之间之间的范围称为传感器的测量范围。的范围称为传感器的测量范围。n2.量程：量程：传感器测量范围的上限值传感器测量范围的上限值 与下限值与下限值 的代数差的代数差-称为量程。称为量程。n3.精度：精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示

9、，代表传感器测量的的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。最大允许误差，即相对误差。n4.灵敏度：灵敏度：灵敏度是指传感器输灵敏度是指传感器输n出的变化量与引起该变化量的输入变出的变化量与引起该变化量的输入变n化量之比，即化量之比，即，如右图所示。，如右图所示。2022-12-524四、四、传感器基本特性传感器基本特性n5.线性度：线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。

10、这样，线性度就用输入的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。式中，式中，为非线性最大误差为非线性最大误差(最大偏差最大偏差);为满量程输出值。为满量程输出值。常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图如图1-7所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。线性度。2022-12-525四四、传感器基本特性传感器基本特性2022-12-526机电

11、一体化对检测系统的基本要求机电一体化对检测系统的基本要求 n精度、灵敏度、分辨率高；n线性、稳定性和重复性好；n抗干扰能力强；n静、动态特性好。n此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。第二节、位置、位移传感器n一、位置检测传感器n接触式n非接触式光电开关的结构和分类光电开关的结构和分类 光电开关可分为遮断型和反射型光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产被

12、遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。生一个负脉冲信号。遮断型光电开遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。有能遮断光线的物体均可检测。光电开关外形光电开关外形遮断型光电开关示意图遮断型光电开关示意图遮断报警遮断报警遮断式光电开关原理遮断式光电开关原理ObjectReceiver 遮断式光电开关遮断式光电开关由相互分离且相对安由相互分离且相对安装的光发射器和光接装的光发射器和光接受器组成。当被检测受器组成。当被检测物体位于发射器和接物体位于发射器和接受器之间时，光线被受器之间时，光线被阻断，接受器接受不阻断，接受器接受不

13、到红外线而产生开关到红外线而产生开关信号。信号。被检测物体光发射器光接收器光电开关在光电开关在 流流水线上的应用水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）反射型光电开关反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况：反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。（简称散射型）。反射镜反射型光电开关采用较为方便反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角的单侧安装方式，但需要调整反射镜

14、的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感。感。定定区域反射式光电开关原理区域反射式光电开关原理 定区域式光电定区域式光电开关有一个非常确定开关有一个非常确定的检测区域，不经过的检测区域，不经过该区域的被测物体不该区域的被测物体不会引起光电开关产生会引起光电开关产生开关信号。开关信号。检测距离检测距离反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜三角反射镜集发射、接收器集发射、接收器于一身于一身光电断续器光电断续器 光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续光电断

15、续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过供了方便。当被检测物体经过U U型槽且阻断光轴时，光电开关型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。较适合高速

16、检测。光电断续器外形光电断续器外形光电断续器外形（续）光电断续器外形（续）红色红色光柱光柱 齿齿 盘 每盘 每转过转过一个齿，一个齿，光电断续器就光电断续器就输出一个脉冲。输出一个脉冲。通过脉冲频率通过脉冲频率的测量或脉冲的测量或脉冲计数，即可获计数，即可获得齿盘转速和得齿盘转速和角位移。角位移。光电断续器的应用光电断续器的应用请写出转速与频率的关系式请写出转速与频率的关系式n=？n 当 工 件当 工 件经过光电断经过光电断续器时，接续器时，接收器即产生收器即产生一个计数脉一个计数脉冲。冲。光电断续器的应用（续）光电断续器的应用（续）n二、位移传感器n角位移n线性位移1 1、电位差计（可变电位

17、器）、电位差计（可变电位器）总电阻R0滑块电阻RAE intEoutRAR0Eout=E in总电阻R0滑块电阻RA2 2、差动变压器、差动变压器差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组常用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。工作原理-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组差动变压器输出电压特性曲线 3.光栅式位移传感器光栅式位移传感器的分类1 测量线位移的长光栅2 测量角位移的圆光栅光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅

18、）和光电接收元件组成。光源光源：钨丝灯泡；：钨丝灯泡；半导体发光器件半导体发光器件光电元件：光电元件：光电光电池；光敏二极管池；光敏二极管光栅式位移传感器的工作原理 长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同均匀密集的平行细线。将两块玻璃板或金属板重叠放置，并使他们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光的干涉效应，在与光栅栅线近似垂直方向上将产生明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹，根据莫尔条纹设计了光栅传感器。莫尔条纹形成的原理2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常

19、数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻 线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响

20、。线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。WWBCABBH2sin22sin光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅 a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅 测量测量电路电路当位移量当位移量X X变化一个栅距时，其输出信号变化一个变化一个栅距时，其输出信号变化一个周期，整形后变化为一个周期的脉冲输出，则位周期

21、，整形后变化为一个周期的脉冲输出，则位移量为：移量为：X XNWNW径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量 当标尺光栅相对于指示光栅转当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的标尺光栅相对指示光栅转动的角度。角度。4、光电编码器 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在机器人及数控机床上应用较多，而由霍尔效应构

22、成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。编码器编码器1 1 认识编码器认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）（编码器在机器人控制中的应用）编码器编码器伺服伺服电机电机伺服伺服电机电机编码器编码器伺服伺服电机电机伺服伺服电机电机编码器编码器编码器编码器编码器编码器播放播放2 2 编码器的测量对象编码器的测量对象编码器编码器 轴式轴式套式套式电信号电信号二进制编码二进制编码脉冲脉冲3 3 编码器测量直线位移的方式编码器测量直线位移的方式（1 1）编码器装在丝杠末端）编码器装在丝杠末端编码器编码器位置反馈位置反馈 x 通 过 测 量 滚通 过 测 量 滚珠丝杠的角位珠

23、丝杠的角位移移，间接间接获得获得工作台的直线工作台的直线位移位移x，构成构成位位置半闭环置半闭环伺服伺服系统。系统。xt/360 （2 2）丝杠螺距）丝杠螺距编码器编码器螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？设设:螺距螺距t=4mm，丝杠在丝杠在4 4s时间里转动时间里转动了了10圈，求圈，求:丝杠的平丝杠的平均转速均转速n(r/min)及螺母及螺母移动了多少毫米？螺移动了多少毫米？螺母移动的平均速度母移动的平均速度v又又为多少？为多少？螺距螺距编码器编码器（3 3）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装位置反馈位置反馈 xxt/360 （4 4）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺

24、服电动机同轴安装编码器编码器工作台工作台丝杠丝杠伺服电动机伺服电动机编码器编码器导轨导轨（5 5）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装编码器编码器光电编码器伺服电动机 联轴器滚珠丝杠滑块光电编码器信号输出伺服电动机电源（6 6）编码器两种安装方式比较）编码器两种安装方式比较编码器编码器 xx 编码器装在丝杠末端编码器装在丝杠末端与前端（和伺服电动机与前端（和伺服电动机同轴）在位置控制精度同轴）在位置控制精度上有什么区别？上有什么区别？4 4 绝对式测量（绝对式测量（ABS）（1 1）信号性质信号性质编码器编码器0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45

25、 1 1 1 1 337.5 输出输出n位二进制编码，每一位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。个编码对应唯一的角度。（2 2）接触式绝对码盘）接触式绝对码盘编码器编码器4个电刷个电刷 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角最小分辨角 3602n 当当n4，3602422.5 导电为导电为“1”，非导电为，非导电为“0”（3 3）绝对式光电码盘）绝对式光电码盘编码器编码器LED光敏光敏元件元件5 5 增量式测量（增量式测量（INC）（1 1）信号性质信号性质编码器编码器 输出信号为一串脉冲，每一输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角个脉冲对应一个分辨角，对，对脉冲进行计数脉冲进行计

26、数N，就是对就是对 的的累加，即，角位移累加，即，角位移 N。如：如：0.352，脉冲，脉冲N1000，则：则：0.352 1000 352 （2 2）增量式光电编码器的结构）增量式光电编码器的结构编码器编码器码盘码盘光栏板光栏板LED零位标志零位标志（一转脉冲）（一转脉冲）光敏元件光敏元件 360条纹数条纹数 36010240.352 透光条纹透光条纹（3 3）辨向）辨向编码器编码器90 ABAB 光敏元件所产光敏元件所产生的信号生的信号A、B彼此相差彼此相差90 相相位，用于辨向。位，用于辨向。当码盘正转时，当码盘正转时，A信号超前信号超前B信信号号90；当码盘；当码盘反转时，反转时，B信

27、号信号超前超前A信号信号90。（4 4）辨向信号）辨向信号编码器编码器ABABA 超前于超前于B 90，正向正向A 滞后于滞后于B 90，反向反向（5 5）倍频（细分）倍频（细分）编码器编码器 /4细分前细分前4细分后细分后 在现有编码器的条件下，在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用辨角的大小。采用4细分细分技术后，计数脉冲的频率技术后，计数脉冲的频率提高了提高了4倍，相当于将原倍，相当于将原编码器的分辨力提高了编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的倍，测

28、量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。，提高了测量精度。（6 6）零标志（一转脉冲）零标志（一转脉冲）编码器编码器 一转（360）CC 在码盘里圈，还有一条在码盘里圈，还有一条狭缝狭缝C，每转能产生一个脉每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称冲，该脉冲信号又称“一一转信号转信号”或零标志脉冲，或零标志脉冲，作为测量的起始基准。作为测量的起始基准。（7 7）零标志在回参考点中的作用）零标志在回参考点中的作用编码器编码器Z 轴参考点轴参考点X 轴参考点轴参考点Y 轴参考点轴参考点回回参考点方式参考点方式SINUMERIK数控数控系统工作方式开关系统工作方式开关（8 8）回参考点减速开关）回参考点减速

29、开关编码器编码器限位限位开关开关参考点减速开关参考点减速开关滑块滑块（9 9）回参考点示意图）回参考点示意图编码器编码器减速寻找减速寻找零标志零标志零零标志找到标志找到参考点位置参考点位置速度速度慢速慢速快速快速行程行程碰到参考点减速开关碰到参考点减速开关播放播放6 6 编码器在数字测速中的应用编码器在数字测速中的应用（1 1）模拟测速和数字测速的比较）模拟测速和数字测速的比较编码器编码器MTGU测速发电机测速发电机nUnMPCn光电编码器光电编码器ffn（2 2）M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）编码器编码器 m1T 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其

30、参数为1024p/r，在在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，个脉冲，则转速（则转速（r/min)为为 ：n=60 65536/（1024 5）=768 r/min 编码器每转产编码器每转产生生 N 个脉冲，在个脉冲，在T 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生，则个脉冲产生，则转速（转速（r/min)为为:n=60m1/（NT）（3 3）T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）编码器编码器 编码器编码器输出脉冲输出脉冲时钟脉冲时钟脉冲fc m2 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，用已知个脉冲，用已知频率频率fc作为时钟，填作为时钟，填充到编码器输出的充到编码器输出

31、的两个相邻脉冲之间两个相邻脉冲之间的脉冲数为的脉冲数为m2，则则转速转速(r/min)为：为：n=60fc/（Nm2）有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为数为3000，时钟频率，时钟频率fc为为1MHz ，则转则转速（速（r/min)为为 ：n=60fc/（Nm2）=60106/（10243000）=19.53 r/min7 7 编码器在主轴控制中的应用编码器在主轴控制中的应用(1)(1)主轴编码器主轴编码器编码器编码器（2 2）主轴编码器用于）主轴编码器用于C 轴控制轴控制编码器编码器主轴编码器主

32、轴编码器回转刀盘回转刀盘自驱刀头自驱刀头CZn工件工件卡盘卡盘主轴主轴（3 3）主轴编码器用于螺纹车削）主轴编码器用于螺纹车削编码器编码器 车车削削螺纹时，为螺纹时，为保证每次切削的起保证每次切削的起刀 点 不 变，防 止刀 点 不 变，防 止“乱牙乱牙”，主轴编，主轴编码器通过对起刀点码器通过对起刀点到退刀点之间的脉到退刀点之间的脉冲进行计数来达到冲进行计数来达到车削螺纹的目的。车削螺纹的目的。播放播放起刀点起刀点退刀退刀点点小小 结结编码器编码器1.编码器用来测量编码器用来测量角位移角位移。在数控机床直线进。在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移给运动控制中，通过测量角位移间接间接测

33、量出直测量出直线位移，表达式为线位移，表达式为 xt/360 。2.绝对式编码器输出绝对式编码器输出二进制编码二进制编码，增量式编码，增量式编码器输出器输出脉冲脉冲。3.增量式编码器输出信号要进行增量式编码器输出信号要进行辨向辨向、零标志零标志和和倍频倍频等处理。等处理。4.编码器用于编码器用于数字测速数字测速，有，有M法法和和T法法等等方式；方式；在数控车床中用于在数控车床中用于C 轴轴控制和控制和螺纹切削螺纹切削。q 增量式码盘的规格及分辨率n 规格规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从现在市场上提供的规格从

34、3636线线/转转 到到 1010万线万线 /转转 都有；都有；选择：伺服系统要求的分辨率；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。考虑机械传动系统的参数。n 分辨率（分辨角）分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为设增量式码盘的规格为 n n 线线/转：转：n360光电编码器的特点光电编码器的特点n非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；n允许测量转速高，精度较高；。允许测量转速高，精度较高；。n光电转换，抗干扰能力强；光电转换，抗干扰能力强；n体积小，便于安装，适合于机床运行环境；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；n结

35、构复杂，价格高，光源寿命短；结构复杂，价格高，光源寿命短；n码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。第三节、测力传感器第三节、测力传感器n(一)、应变式力传感器n(二）、压电式力传感器（一）、应变式力传感器1.电阻应变片 2.电阻应变传感器测量电路 2.1、单臂桥 2.2、半桥 2.3、全桥3.电阻应变传感器的应用3.1、应变式力传感器3.2、应变式压力传感器3.3、应变式加速度传感器 各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平电阻应变传感器电阻应变传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化

36、测量对象：任何可以转化为应变量的非电量主要特点：结构简单，使用方便，性能稳定、可靠 灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量 环境适应性好 1.电阻应变片 电阻应变传感器组成:弹性元件、电阻应变片和测量电路弹性元件：感受被测量的变化电阻应变片：粘贴在弹性元件上 将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化测量电路：将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量电阻应变片的种类:电阻应变片分类金属电阻应变片半导体电阻应变片金属丝应变片金属箔应变片金属薄膜应变片体型半导体应变片扩散型半导体应变片薄膜型半导体应变片P型应变片N型应变片 一、金属电阻应变片 1金属丝电阻应变效

37、应 金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象FFLL+dL2r2(r-dr)SLR:电阻系数L:金属导线长度S:金属导线截面积SdSLdLdRdR两边微分：LdL应变：轴向纵向)(rdrr应变：径向横向)(rdrLdLdRdR2SLRlnlnlnln两边取对数：2dRdR dRdRKxxS121/灵敏系数：泊松比、泊松系数）泊松关系：(/LdLrdrd1)21(泊松比：表示导体横向应变量与纵向应变量的比例 “”号表示变形方向相反 LdLdKS/21/21 d金属丝应变灵敏系数为 物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量LdLRdRKS/应变灵敏系数主要决定于金属导体的几何尺寸发生的变化式

38、中 决定于导体几何尺寸发生的变化 决定于导体导电性能发生的变化21/d 2金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图21所示。二、电阻应变传感器测量电路机械应变引起的电阻值变化量很小一般满量程2%难以用测阻表作精确测量 采用电桥将电阻变化转换成电压或电流 放大测量测量电桥：分为直流电桥和交流电桥 测量电桥输出接高输入电阻放大器电桥视作开路iioURRRRRRRRURRRRRRU43214231434211 电桥投入测量之前，应将电桥调平衡，以消除电桥因不平衡而产生的零漂 电桥的平衡条件为R1R3=R2R4 应变测量电桥三种接法：单臂桥 半桥 全桥 当RR 时RRURRUSiou24/i

39、oUKU41单臂电桥灵敏度：iuUS41 单臂桥：输出电压小，灵敏度低具有一定非线性 2、半桥 半桥：双臂桥两个相邻桥臂接应变片：一个正应变、一个负应变 R1=R，R2=-R 接R1的桥臂为拉应变，接R2的桥臂为压应变。R1=R2=R3=R4=RiVK21 ioURRRRRRRRRU434221111 半桥：输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍 输出线性iouURRUS21/半桥的灵敏度3、全桥 四个桥臂都接有应变片 相邻桥臂所接的应变片承受相反应变 相对桥臂所接的应变片承受相同应变 R1=R2=R3=R4=R、R1=R3=R、R2=R4=-RioURRRRRRRRRRRRU44334422111

40、1 iURRiUK 全桥 输出电压和灵敏度比半桥大一倍 输出线性iouURRUS/全桥的灵敏度为测量对象：应力、力、扭矩、加速度及压力(压强)、位移 1、应变式力传感器柱式力传感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。三、电阻应变传感器的应用 根据测力现场需要选择弹性元件根据测力现场需要选择弹性元件 根据所选的弹性元件正确地布片根据所选的弹性元件正确地布片：尽量使应变片保持与拉压力平行或垂直 根据应变片的布片正确地接桥根据应变片的布片正确地接桥：尽量接成差动测量电桥 相邻桥臂所接的应变片承受相邻桥臂所接的应变片承受相相反应变应变 相对桥臂所接的应变片承受相同应变相对桥臂所接的应变片承受相同应变应变片

41、受拉压力所产生的应变：（1）与轴向任意角方向的应变为 2cos112式中 沿轴向的应变；弹性元件的泊松比 a.柱式力传感器 弹性元件：实心或空心圆柱R1R2R3R4载荷大静载称重b.环式力传感器 弹性元件是圆形或扁形吊环208.1EbhFr轴向应变正负应变相同 3.悬臂梁式传感器 悬臂梁分等强度梁和等载面梁 （1）等强度梁它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。2022-12-5114二、压电式传感器2022-12-5115引言n压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而

42、变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。2022-12-5116主要内容n1 压电式传感器的原理及材料 n2 压电式传感器测量电路 n3 压电式传感器的应用 2022-12-51171 压电式传感器的原理及材料 n1压电效应的概念 n某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电

43、介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。1.1 压电效应压电效应2022-12-5118压电效应可逆性（二）、压电式力传感器n1.压电效应n某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力作用而发生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，电介质会产生机械变形；当外加电场去掉后，电介质的变形也随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为”逆压电效应“。n压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医

44、学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用2022-12-51202.压电效应原理 n具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等 n石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴。nz轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。2022-12-5121 石英晶体及切片 2022-12-5122n石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可说明。n石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3

45、个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成队出现的）。n沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列结构。2022-12-5123 石英晶体的压电效应机理 2022-12-5124分析说明n（1）在无外力作用时 n（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形 n（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形 n（4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。2022-12-5125结论n沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷

46、极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。2022-12-51261.2 压电材料 n石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。n应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有3类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。2022-12-5127石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形2022-12-5128压电陶瓷外形压电陶瓷外形 2022-12-5129可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 2022-12-5130压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 2022-12-51311.3 压电式传感器的应用压缩式压电加速度传

47、感器的结构图2022-12-51321.3 压电式传感器的应用压缩式压电加速度传感器的结构图第四节、转速传感器n一、光电式转速传感器n光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。2022-12-5134n1、光电转速传感器如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小

48、孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。光敏晶体管放大整形电路白炽灯光敏晶体管转盘放大整形电路白炽灯转盘（a）（b）3.转速传感器的测量电路n1.计数测频法n2.周期测量法第六节、温度传感器n温度传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电参数随温度变化的特性来达到测量的目的。本节主要介绍热电偶、热敏电阻传感器的原理、测量电路及其应用。2022-12-5137（一）热电偶测量原理n1热电效应 n热电效应就是把两种不同的导体或半导体（A和B）串接成一个闭合回路，如果两导体接点处温度不同，则两点

49、之间便产生电动势，从而在回路中便形成了电流的现象。由此效应产生的电动势 通常称为热电动势。n1821年由Seeback发现，的，故又称为赛贝克效应。一、一、热电偶传感器热电偶传感器2022-12-5138热电势由两部分组成n两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。n一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。1392接触电势 n当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率

50、就不一样。n假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷。于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。2022-12-5140接触电势大小 BAABNNqKTTEln)(01413温差电动势 n温差电动势是同一导体（热电极）的两端因其温度不同而产生的一种电动势。由于温度不同，低温端的电子数会比高温端的电子数多，结果高温端因少出电 子而带正电，低温端因多出电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。其大小可表示为 ),(0TTEA),(0TTEB2022-12-514

51、24热电偶的电势 n设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势，热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为温差电动势，热电偶的热电势可表示为，),(),()()(),(0000TTETTETETETTEBAABABABBAABABABNNTTqKTETETTEln)()()(),(00002022-12-5143结论n（1）如果热电偶两材料相同，则无论结点处的温度如何，总电势为0。n（2）如果两结点处的温度相同，尽管A、B材料不同，总热电势为0。n（3）热电偶热电势的大小，只与组成热电

52、偶的材料和两结点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关，当热电偶两电极材料固定后，热电势便是两结点电势差。n（4）如果使冷端温度0保持不变，则热电动势便成为热端温度的单一函数。2022-12-5144（二）、热电偶结构及种类n1热电偶的基本结构形式 n2热电偶材料 n3常用热电偶2022-12-51451.热电偶的基本结构形式n热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。n热电偶的种类虽然很多，但通常由金属热电极、绝缘子、保护套管及接线装置等部分组成。2022-12-5146普通型热电偶 n普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。n普通型热电

53、偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。普通型热电偶结构图 2022-12-5147普通装配型普通装配型热电偶的热电偶的外形外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰2022-12-5148普通装配型普通装配型热热电偶的电偶的结构结构放大图放大图 接线接线盒盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 2022-12-5149铠装型热电偶 n铠装型热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体.n它可以做得很细

54、很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装型热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。2022-12-5150铠装型热电偶结构 1接线盒 2金属套管 3固定装置 4绝缘材料 5热电极2022-12-5151铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面2022-12-51522.热电偶材料n1对热电极材料的一般要求 n2电极材料的分类 2022-12-5153对热电极材料的

55、一般要求n（1）配对的热电偶应有较大的热电势，并且热电势对温度尽可能有良好的线性关系。n（2）能在较宽的温度范围内应用，并且在长时间工作后，不会发生明显的化学及物理性能的变化。n（3）电阻温度系数小，电导率高。n（4）易于复制，工艺性与互换性好，便于制定统一的分度表，材料要有一定的韧性，焊接性能好，以利于制作。2022-12-5154电极材料的分类n（1）一般金属，如镍铬-镍硅，铜-镍铜，镍铬-镍铝，镍铬-考铜等。n（2）贵金属，这类热电偶材料主要是由铂、铱、铑、钌、锇及其合金组成，如铂铹-铂、铱铑-铱等。n（3）难熔金属，这类热电偶材料系由钨、钼、铌、铼、锆等难熔金属及其合金组成，如钨铼-钨

56、铼、铂铑-铂铑等热电偶。（三）、热电偶测量电路n1.测量单点温度的基本测温电路n2.测量两点间温差大电路n3.测量平均温度的电路2022-12-5156二、热敏电阻传感器n工作原理热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。金属导体的电阻值随温度的升高而增大，但半导体却相反，它的电阻值随温度的升高而急剧减小，在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的10倍，因此可以用它来测量0.01或更小的温度。2022-12-5157结构类型及特点n热敏电阻是由一些金属氧化物，如锰、镍等氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同

57、的封装形式制成珠状、片状、杆状和垫状等各种形状。其主要由热敏探头、引出线、壳体构成。如图所示。2022-12-5158热敏电阻的温度特性曲线 2022-12-5159热敏电阻的温度特性曲线 第七节、气敏传感器n1.1.产生原因产生原因:为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点费用低等特点。n2.2.发展过程发展过程:半导体气敏元件是半导体气敏元件是6060年代初期研

58、制成功的，最先研制的是年代初期研制成功的，最先研制的是S SnOnO2 2薄膜元件。它薄膜元件。它是利用加热条件下是利用加热条件下S SnOnO2 2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。实现对可燃性气体检测。继而又发现在继而又发现在SnOSnO2 2烧结体中添加烧结体中添加PtPt或或pdpd等贵重金属可提高灵敏度。等贵重金属可提高灵敏度。19681968年年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。投放市场。n3.3.常用的气敏元件

59、常用的气敏元件:SnOSnO2 2半导体气敏元件，目前以半导体气敏元件，目前以TGSTGS型和型和QM-N5QM-N5型气敏元件为主型气敏元件为主.第七节、气敏传感器n一、半导体气敏传感器及其分类n电阻式：利用半导体材料与气体接触时电阻的变化来检测n表面控制型（可燃气体）n体控制型（酒精、氧气）n非电阻式（二极管整流特性、晶体管特性）：利用半导体材料与气体接触时功函数（禁带宽带）的变化来检测。n表面控制型（氢气、co)二、结构及工作原理n1.1.工作原理工作原理SnOSnO2 2的气敏效应的气敏效应经实验发现，多晶经实验发现，多晶SnOSnO2 2对多对多种气体具有气敏特性。种气体具有气敏特性

60、。多孔型多孔型SnOSnO2 2半导体材料，半导体材料，其电导率随接触的气体种其电导率随接触的气体种类而变化。类而变化。一般吸附还一般吸附还原性气体时电导率升高。原性气体时电导率升高。而吸附氧化性气体时其电而吸附氧化性气体时其电导率降低。导率降低。这种阻值变这种阻值变化情况如图所示。化情况如图所示。二、结构及工作原理n结构n气敏元件，加热器，封装体直热式元件又称内热式，这种元件的结构示意图如图10-18所示。组成:元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在SnO2基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。（1 1）直热式）直热式SnOSnO2 2气敏元件特

61、点气敏元件特点1.1.优点：优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内国内QNQN型和型和MQMQ型气敏元件型气敏元件.2.2.缺点缺点:热容量小，易受环境气流的影响；热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成接触不良。触不良。（2 2）旁热式）旁热式SnOSnO2 2敏元件敏元件这种元件的结构示意图

62、如图10-19所示。其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。旁热式旁热式SnOSnO2 2敏元件特点敏元件特点这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容易大，降免了回路间的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。持了材料结构的稳定性。目前国产目前国产QM-N5QM-N5型气敏元件，日本弗加罗型气敏元件，日本弗加罗TG

63、S#812TGS#812、813813型气敏元件采用这种结构。型气敏元件采用这种结构。三、气敏传感器的特性参数n1.加热电流和预热时间n2.加热电压n3.加热丝功率n4.测量回路电流n5.固有电阻值四、测量电路五、气敏传感器的应用第八节、离子感烟传感器n一、工作原理n离子感烟传感器由两个电离室组成，外电离室有孔与外界相通，烟雾可以进入电离室，而内电离室是封闭的，烟雾不能进入。由于烟雾进入外电离室，使内外两室离子电流不同，传感器输出与烟雾成正比的传感信号。二、应用n如用下图所示的电路来检测烟雾，请说明电路工作原理，并说明R1 R6的物理意义或作用。其中DL是蜂鸣器，M是排风扇电机。UGR4R3+_AR2R1R5T1T2R6KAM220VKADL传感器信号处理电路n放大传感器信号处理电路比较n如图所示为一光电开关电路，其中CdS为光敏电阻，其电阻值随光照强度的增大而减小。设有光照射时，CdS的电阻值为0K，没有光照射时，CdS的电阻值为30K，设运算放大器的正向饱和电压为12V，负向饱和电压为12V。n计数电路、分频电路CDQDRDSDCPQQCISR1D DQnQn+1000010101111四、四、D 触发器触发器