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机电一体化系统设计第3章检测与传感系统设计技术OK共95页文档_图文

机电一体化系统设计
华北电力大学 2019年11月20日

第3章 传感检测系统的选择与设计
本章要求重点掌握以下内容: ? 检测传感器的分类及机电一体化对
其基本要求; ? 常用检测传感器的原理及应用; ? 传感器的测量电路及与微机接口。

本章概述
? 传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之 一,机电一体化系统的自动化程度越高,对传感器 的依赖性也就越大。
? 能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用 技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成 部分。
? 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功 能,传感器又称为一次仪表。对转换后的电信号进行 测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示 等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。

非电量检测系统的结构形式

3.1传感器的组成和分类

3.1.1传感器的组成
? 通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。

被测量 敏 感 元 件

转 换 元 件

基本 电量 转换 电路 图3-1传感器的组成

(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,其输入、输出间具有确定的数学关系(最好为线 性)。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。
(2)转换元件:将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、 光强等)转换成电信号(如电阻、电感、电容等)形式。 (3)基本转换电路:将电信号量转换成便于测量的电量,如电

第3章 传感检测传系感统器的的选输择与入设信计
3.号1.不2 随传时感间器变化的性能指标
或变化非常缓慢
传感器的静态特性是

在静态标准条件下,利用一

定等级的标准设备,对传感

器进行往复循环测试,得到

的输入/输出特性(列表或

画曲线)。通常希望这个

特性(曲线)为线性,这对

标定和数据处理带来方便。

但实际的输出与输入特性

只能接近线性,与理论直线 有偏差,如图3-3所示。

图3-3 传感器的线性度示意图

第3章 传感检测系统的选择与设计 (1) 线性度
线性度可用下式计算:
(3-1)

式中:

γL——线性度(非线性误差); Δmax——最大非线性绝对误差; (2) 灵敏度

yFS ——输出满度值。

传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为

灵敏度,用S0表示,即

(3-2)

对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。

第3章 传感检测系统的选择与设计 (3)迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输
出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量 程输出yFS
(3-3)
ΔHm—输出值在正、反行程间的最大差值。
迟滞特性一般由实验 方法确定,如图3-4所示。
图3-4 迟滞特性

第3章 传感检测系统的选择与设计 (4) 重复特性。 传感器在同一条件下,被测输入量按同一 方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不 一致的程度,称为重复特性,如图3-5所示。重复特性误差用满 量程输出的百分数表示,即
(3-4)
式中: ΔRm——最大重复性误差。
重复特性也由实验方法确定, 常用绝对误差表示,如图3-5所示。
图3-5 重复特性

第3章 传感检测系统的选择与设计
(5)分辨力:传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点 附近的分辨力称为阈值。
(6)漂移:由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传 感器的输出发生的变化称为漂移。
(7)精度:精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程 度,包括传感器的测量精度和重复精度。 2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态 特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特 性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以 及试验分析的方法确定,其动态特性参数如:最大超调 量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。

第3章 传感检测系统的选择与设计 表3.2 传感器的技术指标

基本参数指标

环境参数指标

可靠性指标

其它指标

量程指标: 量程范围、过载能力等
灵敏度指标: 灵敏度、分辨力、满量程输 出、输入输出阻抗等
精度有关指标: 精度、误差、线性、滞后、 重复性、灵敏度误差、稳定性 等
动态性能指标: 固有频率、阻尼比、时间常 数、频率响应范围、频率特性 、临界频率、临界速度、稳定 时间、过冲量、稳态误差等

温度指标: 工作温度范围、温 度误差、温度漂移、 温度系数、热滞后等
抗冲振指标: 允许各向抗冲振的 频率、振幅及加速度 、冲振所引入的误差 等
其它环境参数: 抗潮湿、抗介质腐 蚀能力、抗电磁干扰 能力等

工作寿命、平均 使用有关指标:

无故障时间、保 供电方式(直流、交流

险期、疲劳性能、 、频率及波形等)、功

绝缘电阻、耐压 率、各项分布参数值、

及抗飞弧等

电压范围与稳定度等

结构方面指标: 外形尺寸、重量、壳 体材质、结构特点等 安装连接方面指标: 安装方式、馈线电缆 等

第3章 传感检测系统的选择与设计
3.1.3 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包 括: (1) 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号, 是电压还是电流。 (2) 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 (3) 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗 的大小如何等。 (4) 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。

第3章 传感检测系统的选择与设计
3.1.4 传感器的分类

1. 按能量变换的功能分:

物理传感器 化学传感器

2. 按输出 传感器 的信号分:

非电量型

有接点型(微动开关,接触开关,

二值型

行程开关)

电量

无接点型(光电开关,接近开关) 电阻型(电位器,电阻应变片)
模拟型 电压,电流型(热电偶,Cds电池)

数字型

电感,电容型(可变电容) 计数型(二次型+计数型) 代码型(旋转编码器,磁尺)

第3章 传感检测系统的选择与设计 开关型: 开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开
(ON)和关(OFF)。这种“l”和“0”数字信 号可直接传送到微机进行处理,使用方便。
模拟型: 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化 相对应的连续变化的电量。如电位器、电 容式位移传感器、电阻应变片输入与输出 可以是线性的也可以是非线性的。线性的 可以直接使用,非线性的需经过线性化处 理,模拟量经A/D转换后输入微机。

第3章 传感检测系统的选择与设计
数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲数字型,其工 作原理如图a-1所示。它可以是任何一种脉冲发生器,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,如可用来检测通过输送带上 的产品个数,也可用来检测运行机构的位移量,这时运行机构每移动一定距 离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号,例如增量式光电码盘和检测光栅。
代码型传感器又称编码器,其工作原理如图a-2所示;它输出的信号是数 字代码,每一代码相当于一个一定的输入量的值,例如图中输入量的值为K1 时,输出代码为1010,而输入量的值为K2时,输出代码为1011。代码的“1” 为高电平,“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。 常用来检测执行元件的位置或速度,如绝对值型光电编码器、接触式编码板 等。

3. 按第工3章作原传理感不检同分测系统的选择与设计
物理型传感器:利用一些材料物理特性变化(如集成传感器),有潜力
结构型传感器:利用弹性片、金属片、电容电感等结构元件(如一 般的电阻、电容、电感传感器)
4.按其作用可分为: (1)内部信息传感器:检测机电一体化系统 内部状态,按被测物理量又可分为检测位置、 速度、加速度、力、转矩、温度以及异常变 化的传感器。 (2)外部信息传感器:检测作业对象和外部 环境状态,包括压觉/滑觉传感器、视觉/听觉 传感器及电涡流传感器、无线电接收机等。

第3章 传感检测系统的选择与设计
5. 模拟式和数字式传感器检测系统 ? 模拟式检测系统 电阻、电容、电感、压电、磁电、热电式等传感器输出模 拟信号,其检测系统如图示:
振荡器

传感器

量程变换 放大器

解调器

滤波器

运算电路

A/D

计算机

显示、 执行机构

振荡器用于对传感器信号“调制”,以提高输出信号的 抗干扰能力;并对“解调” 提供参考信号,“解调”是使 信号恢复原有形式。
有的传感器可不进行调制与解调,直接阻抗匹配、放大、 滤波等。

第3章 传感检测系统的选择与设计
? 数字式检测系统
光栅、磁栅、光电编码器、激光干涉仪等传感器输出增量码信号,信号 变化的周期与被测位移成正比的信号,其检测系统如图示:

传 感 器

放 大 器

整 形 电 路

细 分 电 路

变 换 电 路

计 数 器

计 算 机

显示 执行 机构

辨向电路
传感器输出多为正弦波信号,经放大、整形后变成数字脉冲信号, 进入计数器、计算机,为提高分辨率,采取细分电路;
辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数; 脉冲信号所对应的被测来年感不便于读出和处理时,需进行脉冲当 量变换电路。
?模拟式系统:精度低、易受干扰影响、不便于长距离传输、有A/D转换, 成本高
?数字式系统:分辨率高、抗干扰强、易于长距离传输、易于计算机控制、 应用广泛)

第3章 传感检测系统的选择与设计

第3章 传感检测系统的选择与设计
3.1.5 传感器的标定
传感器标定是指利用较高等级的标准器具(或仪器、仪 表)对传感器的特性进行刻度,或者说通过试验建立传感 器的输入量与输出量之间的关系。同时,也确定出不同使 用条件下的误差关系。
传感器的标定分静态标定和动态标定: 1. 感器静态特性标定
静态标定目的是确定传感器的静态特性指标,如线性度、 灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。
2. 传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数,如时
间常数、上升时间或工作频率、通频带等。

第3章 传感检测系统的选择与设计
3.1.6 机电一体化系统对检测传感器基本要求
①体积小、重量轻、对整机的适应性好; ②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高; ③安全可靠、寿命长; ④便于与计算机连接; ⑤不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响,也不影响外
部环境; ⑥对环境条件适应能力强; ⑦现场处理简单、操作性能好; ⑧价格低廉。

第3章 传感检测系统的选择与设计
3.1.7 传感器的发展方向
1)集成化:集成(传感器、放大器、运算器、补偿器 等);组合(不同功能的传感器);排列(成矩 阵)。
(2)多功能化:如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长 度等多功能传感器。
(3)智能化:不但能对外界信号进行转换与测量,同时 还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。
(4)数字化:数字显示与微处理机的应用,使传感器应 用更为方便,可提高稳定性及精度,简化结构。

3.2 线位移检测传感器
? 3.2.1 光栅位移传感器 ? 3.2.2 感应同步器 ? 3.2.3 磁栅位移传感器

3.2.1 光栅位移传感器
?在高精度的数控机床上,目前大量使用光 栅作为反馈检测元件。光栅不是依靠电磁学 原理进行工作的,不需要激磁电压,而是利 用光学原理进行工作,因而不需要复杂的电 子系统。 ?常见的光栅从形状上可分为圆光栅和长光 栅。圆光栅用于角位移的检测,长光栅用于 直线位移的检测。光栅的检测精度较高,可 达 以上。

一、光栅的构造
光栅传感器由光源、透镜、光栅副(主光栅,也 称标尺光栅和指示光栅)和光电接收元件组成。
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源

? 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电 检测元件,它主要由标尺光栅(主光栅)和 光栅读数头两部分组成。通常,标尺光栅固 定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠), 光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床 底座),二者随着工作台的移动而相对移动。
? 在光栅读数头中,安装着一个指示光栅,当 光栅读数头相对于标尺光栅移动时,指示光 栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时,要 严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及 两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要 求。

光栅副:指示光栅+主光栅 (标尺光栅)
a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数)通常情况下,a=b=W/2 (注:a为刻线宽度,即透光的明线,b为刻线间的缝隙宽度, 即不透光的暗线)。同一个光栅元件,其标尺光栅和指示光栅 的线纹密度相同。

光栅传感器光源
? 钨丝灯泡: 输出功率较大,工作范围较宽(-40℃到+130℃) 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条 件下工作时,使用寿命将降低。
? 半导体发光器件: 转换效率高,响应特征快速。 如砷化镓发光二极管,与硅光敏三极管相结合,转换效 率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速 度约为几十ns,可以使光源工作在触发状态,从而减小 功耗和热耗散。

光电元件
? 包括有光电池和光敏三极管等部分。 ? 在采用固态光源时,需要选用敏感波长与光源相
接近的光敏元件,以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端,常接有放大器,通过放
大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。

二、工作原理
当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度θ来放置 两光栅尺时,必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照 射下,交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠,因而遮光面积最 小,挡光效应最弱,光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反, 距交叉点较远的区域,因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变 得越来越少,不透明区域面积逐渐变大,即遮光面积逐渐变大,使 得挡光效应变强,只有较少的光线能通过这个区域透过光栅,使这 个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直,相间出现的亮、暗带 就是莫尔条纹。

莫尔条纹(Moire)

主光栅 指示光栅

均匀刻线

夹角

移动

明暗相间条纹

莫尔条纹

条纹宽度: B? W ?W 2sin?(/2) ?
W-栅距, a-线宽, b-缝宽 W=a+b ,a=b=W/2

莫尔条纹形成的原理

横向莫尔条纹的斜率

tan?

?

?
tan

2

莫尔条纹间距

BH

?AB? B?C?

W
?

sin 2sin

?W ?

2

2

莫尔条纹的宽度BH由 光栅常数与光栅夹角决定

3 莫尔条纹技术的特点
? 方向性:垂直于角平分线,当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直
? 同步性:光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动 一个间距→方向对应
? 放大性:夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度
? 可调性:夹角θ↓→ 条纹间距B↑ → 灵活 ? 准确性:大量刻线 → 误差平均效应 → 克服
个别/局部误差 → 提高精度

莫尔条纹与标尺光栅移动方向的关系

标尺光 栅相对 指示光 栅的转 角方向
顺时针方 向

标尺光 栅移动
方向
←向左
→向右

莫尔条 纹移动
方向
向上↑
向下↓

逆时针方 向

←向左 →向右

向下↓ 向上↑

? 通过光电元件,可将莫尔条纹移动时光强的变化 转换为近似正弦变化的电信号,如图所示。
U

Um

U0

o

W/2

W 3W/2 2W

x

其电压为: U?U0?Umsin2W ?x
u0—输出信号中的直流分量;um—输出正弦信号的幅值; x— 两光栅间的瞬时相对位移。

即通过用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,则光信

号被转换为电信号(电压或电流)输出。输出电压信号的幅值为光 栅位移量x的函数。

U?U0?Umsin2W ?x
将该电压信号放大、整形使其变为 方波,经微分电路转换成脉冲信号,再 经过辨向电路和可逆计数器计数,则可 在显示器上以数字形式实时地显示出位 移量的大小。
位移量为脉冲数与栅距的乘积。测 量分辨率等于栅距。当栅距为单位长度 时,所显示的脉冲数则直接表示出位移 量的大小。

细分技术
? 提高分辨力方法: 在选择合适的光栅栅距的前提下,用内插
法把莫尔条纹间距进行“细分”,提高计数 脉冲的频率(故又称倍频)。 ? 细分就是在莫尔条纹变化一周期时,不只输 出一个脉冲,而是输出若干个脉冲,以减小 脉冲当量提高分辨力。 ? 细分方法有机械细分和电子细分两类。

3.2.2 感应同步器
? 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面 绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传 感器。按测量机械位移的对象不同可分为直 线型和圆盘型两类,分别用来检测直线位移 和角位移。
? 由于它成本低,受环境温度影响小,测量精 度高,且为非接触测量,所以在位移检测中 得到广泛应用,特别是在各种机床的位移数 字显示、自动定位和数控系统中。

二、感应同步器

? 1.感应同步器结构

定尺

节距2τ (2mm)

基板(钢、铜)

节距τ

绝缘粘胶 铜箔

(0.5mm) sin

耐切削液涂层

铝箔

l 4
cos
滑尺

二、感应同步器
? 包括定尺和滑尺,用制造印刷线路板的腐蚀方 法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方 齿形线圈。定尺绕组是连续的,滑尺上分布着两 个励磁绕组,分别称为正弦绕组和余弦绕组。当 正弦绕组与定尺绕组相位相同时,余弦绕组与定
尺绕组错开1/4节距(电相位差90°)。滑尺和
定尺相对平行安装,其间保持一定间隙 (0.05~0.2mm)。
直线型感应同步器定尺、 滑尺的结构

2.感应同步器的工作原理
? 在滑尺的绕组中,施加频率为f(一般为2~10kHz) 的交变电流时,定尺绕组感应出频率为f的感应电 动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位 置有关。
? 设正弦绕组供电电压为Us,余弦绕组供电电压为 Uc,移动距离为x,节距为T,则正弦绕组单独供 电时,在定尺上感应电势为
U '2?KsU co T x3 s 6 o?0 KsU co ?s

二、感应同步器

? 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为
U "2?KcU siT xn 36 o? 0 KcU si?n
由于感应同步器的磁路系统可视为线性,可进行线
' " ? ? 性叠加,所以定尺上总的感应电势为
U 2? U 2? U 2? Ksc U o?K scsU in
式中 : K-定尺与滑尺之间的耦合系数;θ-定尺与滑尺相对位移的角度表示量(电角度)

x 2?x o

T—节距,表示直线感应同步器的周期,标

??( )360? 准式直线感应同步器的节距为2mm。

T

T

利用感应电压的变化可以求得位移X,从而进行位置检测。

3. 测量方法
根据对滑尺绕组供电方式的不 同,以及对输出电压检测方式的不 同,感应同步器的测量方式有鉴相 式和鉴幅式两种工作法。

二、感应同步器

(1)鉴相式工作法

? 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同 幅值,但相位相差90o的两个电压,设
U s?U m si? nt U c?U m co ?ts
则 U2 ?U2' ?U2"
?Km U si?n tco ?? sKm U co ?tssi?n

?Km U si? nt? (?)

从上式可以看出,只要测得相角,就可以知道滑尺

的相对位移x:

x

?

?
360o

T

二、感应同步器
2.鉴幅工作法 ? 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和
相同相位,但幅值不等的两个交流电压:
U s?? U m si?n si? n tU c?U m co ?ssi? n t
则: U2?U'2 ?U"2 ?KUmsin?(??)sin?t
由上式知,感应电势U2的幅值随(θ-φ)作正弦变化, 当θ = φ时,U2=0。随着滑尺的移动,逐渐变化。因此, 可以通过测量U2的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对 位移。

4. 感应同步器的应用
? 直线式感应同步器常常会遇到有关接长的问题。例如,当感 应同步器用于检测机床工作台的位移时,由于行程较长,一 块感应同步器常难以满足检测长度的要求,需要将两块或多 块感应同步器的定尺拼接起来,即感应同步器接长。
? 感应同步器的定尺和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移 动的部件上(如工作台和床身),当工作台移动时,滑尺在 定尺移动。滑尺和定尺要用防护罩罩住,以防止铁屑、油污 和切割液等东西落到器件上,从而影响正常工作。由于感应 同步器的检测精度比较高,故对安装有一定的要求,如在安 装时要保证定尺安装面与机床导轨面的平行度要求,如这两 个面不平行,将引起定、滑尺之间的间隙变化,从而影响检 测灵敏度和检测精度。

3.2.3 磁栅位移传感器
? 磁栅是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行检测 的装置。它一般分为磁性标尺、拾磁磁头以及检测电 路三部分。在磁性标尺上,有用录磁磁头录制的具有 一定波长的方波或正弦波信号。检测时,拾磁磁头读 取磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号,并将其转化 为电信号,根据此电信号,实现对位移的检测。
? 磁栅按其结构特点可分为直线式和角位移式,分别用 于长度和角度的检测。
? 磁栅具有精度高、复制简单以及安装调整方便等优点, 而且在油污、灰尘较多的工作环境使用时,仍具有较 高的稳定性。磁栅作为检测元件可用在数控机床和其 他测量机上。

三、磁栅位移传感器
? 1.磁栅式位移传感器的结构
0
0a b 3

x 2

SS

NN

SS

NN

SS

NN

4

λ

1

输出信号

5

1—磁性膜 2—基体

7

3—磁尺 4—磁头

6 励磁电源

5—铁芯 6—励磁 绕组 7—拾磁绕组

三、磁栅位移传感器
? 磁性标尺 磁尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料
的基体上,涂敷、化学沉积或电镀上一层10~20μm厚的硬 磁性材料(如Ni-Co-P或Fe-Co合金),并在它的表面上录 制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、 0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损,通常在磁 性膜上涂一层1~2μm的耐磨塑料保护层。
按磁性标尺基体的形状,磁栅可分为实体式磁栅、带状 磁栅、线状磁栅和回转形磁栅。前三种磁栅用于直线位移测 量,后一种用于角位移测量。各种磁尺结构形状见图所示。
各种磁尺结构示意图 (a)实体式磁尺 (b)带状磁尺 (c)线状磁尺 (d)回转形磁尺

三、磁栅位移传感器

? 拾磁磁头
拾磁磁头是进行磁电转换
的器件,它将磁性标尺上的磁 信号检测出来,并转换成电信 号。磁栅的拾磁磁头与一般录 音机上使用的单间隙速度响应 式磁头不同,它不仅能在磁头 与磁性标尺之间有一定相对速 度时拾取信号,而且也能在它 们相对静止时拾取信号。这种 磁头叫做磁通响应式磁头,其 结构如图所示,它的一个明显 的特点就是在它的磁路中设有 “可饱和铁心”,并在铁心的 可饱和段上绕有两个可产生不 同磁通方向的激磁绕组和。

磁通响应式磁头

三、磁栅位移传感器

2. 拾磁原理:

? 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组,一个为

励磁绕组,另一个为拾磁绕组,将高频励磁电流通入

励磁绕组时,当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电
压为: U?U0si2 n? ?xsi? nt

式中:

U0—输出电压系数;
?—磁尺上磁化信号的节距;
χ—磁头相对磁尺的位移; ω—励磁电压的角频率。

在实际应用中,需要采用双磁头结构来辨别移动的方向

三、磁栅位移传感器
3.测量方式
(1)鉴幅测量方式(振幅式工作方式 )
? 如前所述,磁头有两组信号输出,将高频载波滤 掉后则得到相位差为π/2的两组信号
U1?U0sin2??x U2?U0co2s??x
? 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个 正(余)弦信号,经信号处理后可进行位置检测。 这种方法的检测线路比较简单,但分辨率受到录 磁节距λ的限制,若要提高分辨率就必须采用较复 杂的信频电路,所以不常采用。

三、磁栅位移传感器

2.鉴相测量方式

? 将一组磁头的励磁信号移相90°,则得到输出电

压为

U U2 1? ?U U 0 0c sio2 2 n? ??? sxxsci? o n ? tst

? 在求和电路中相加,则得到磁头总输出电压为

U?U0si????n2??x??t????

则合成输出电压U的幅值恒定,而相位随磁头与磁尺 的相对位置χ变化而变。读出输出信号的相位,就可 确定磁头的位置。

3.3 角位移检测传感器
? 一、旋转变压器
旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信 号的传感器。由于它结构简单,动作灵敏,对环境无特殊要 求,输出信号大,抗干扰好,因此被广泛应用于机电一体化 产品中。
? 二、光电编码器
光电编码器是一种码盘式角度—数字检测元件。它有两种 基本类型:一种是增量式编码器,一种是绝对式编码器。
增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等 优点,所以目前采用最多。
绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息, 便于计算机处理,但当进给数大于一转时,须作特别处理, 而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来,组成多 级检测装置,使其结构复杂、成本高。

光电编码器
? 编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角 度的数字信号,进行角位移检测的传感器。
? 编码器的种类很多,根据检测原理,它可分 为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。
? 光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式, 分为增量式编码器和绝对式编码器。

1、增量式光电编码器结构 图3-2 增量式光电编码器

二、光电编码器
2.增量式编码器工作原理 ? 鉴向盘与主码盘平行,并刻有a、
b两组透明检测窄缝,它们彼此 错开1/4节距,以使A、B两个光 电变换器的输出信号在相位上相
差90利°用。工增作量时式,鉴编向码盘器静止不 动源,发还主出码的可盘光测与投量转射轴到轴一主的起码转转盘动与速,鉴。光向 盘好上与方。鉴当向法主盘有码上两盘的上透种的明,不窄分透缝明对别区齐正时, 光线应被全用部测遮量住,脉光冲电的变换频器输 出的电透率压明为和区最正周小好期;与当的鉴主向原码盘理盘上上。的透明窄缝对齐时,光线全部通过,
光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期,光 电变换器将输出一个近似的正弦波电压,且光电变换器A、B 的输出电压相位差为90°。经逻辑电路处理就可以测出被测轴 的相对转角和转动方向。

3. 绝对式光电编码器 ? 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明
区组成,这些透明及不透明区按一定编码构 成,编码盘上码道的条数就是数码的位数。 绝对式编码器能够直接给出对应于每个转角 位置的二进制数码, 便于计算机处理。
图3-5 绝对式光电编码器结构示意 1—光源;2—透镜;3—编码盘; 4—狭缝;5—光电元件

4. 绝对式编码器原理
? 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接 转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电 磁式三种。
? 光电式码盘是目前应用较多的一种,它是在透明材料的圆盘 上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘, 码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道,在同一个 码道上印制黑白等间隔图案,形成一套编码。

(a) 4位二进制绝对式编码器的编码盘

(b) 4位格雷码盘示意图

图3-4 绝对式光电编码器的编码盘

1100
1101

4. 绝对式编码器原理

? 黑色不透光区和白色透光区分别 代表二进制的“0”和“1”。在一个 四位光电码盘上,有四圈数字码道, 每一个码道表示二进制的一位,里 侧是高位,外侧是低位,在360° 范围内可编数码数为24=16个。
? 工作时,码盘的一侧放置电源, 另一边放置光电接受装置,每个码 道都对应有一个光电管及放大、整 形电路。码盘转到不同位置,光电 元件接受光信号,并转成相应的电 信号,经放大整形后,成为相应数 码电信号。

0100 0011 0010

0000
0001

1111

1110

1011 1010

1001

0111 0110
0101

1000

?但由于制造和安装精度的影响,当码盘回转在两码段交替过程中,会产 生读数误差。例如,当码盘顺时针方向旋转,由位置“0111”变为 “1000”时,这四位数要同时都变化,可能将数码误读成16种代码中的 任意一种,如读成1111、1011、1101、…0001等,产生了无法估计的很 大的数值误差,这种误差称非单值性误差。

5. 绝对式编码器非单值性误差的消除

0000

0001 0011

(1).循环码盘 (或称格雷码盘) 右图所示为四位二 进制循环码。这种 编码的特点是任意 相邻的两个代码间 只有一位代码有变 化,即“0”变为“1” 或“1”变为“0”。因 此,在两数变换过 程中,所产生的读 数误差最多不超过 “1”,只可能读成 相邻两个数中的一个数。

1100 1101 1111 1110

0100

0101

1010

1011

1001

1000

0010

0111

0110

0010

5. 绝对式编码器非单值性误差的消除
(2).带判位光电装置的二进制循环码盘

0011 0010 0110

? 这种码盘是在四位二 进制循环码盘的最外 圈再增加一圈信号位。 该码盘最外圈上的信 号位的位置正好与状 态交线错开,只有当 信号位处的光电元件 有信号时才读数,这 样就不会产生非单值 性误差。

1110 1111

1010

1001

1000

0000

1011

0001

0111

1101

1010

1100

0100

3.4 速度、加速度传感器
? 一、直流测速发电机 ? 二、光电式速度传感器 ? 三、 电阻应变片式加速度传感器

一、直流测速发电机
? 测速发电机实际上 它是一台微型的直流 发电机。其结构有多 种,根据定子磁极激 磁方式的不同,直流 测速发电机可分为电 磁式和永磁式两种。 如以电枢的结构不同 来分,有无槽电枢、 有槽电枢、空心杯电 枢和圆盘电枢等。但 原理基本相同。
?直流测速发电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。 ?直流测速发电机在机电控制系统中,主要用作测速和校正元件。 在使用中,为了提高检测灵敏度,尽可能把它直接连接到电机 轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。

二、光电式速度传感器

? 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通 过光电池的遮挡板时,光电池输出阶跃电压信号, 经微分电路形成两个脉冲输出,测出两脉冲之间 的时间间隔△t,则可测得速度为

V??x/?t
光电光池电遮池挡挡板板

微分电路

V x
e0

t

e0

0

t

速度测量

二、光电式速度传感器

? 光电式转速传感器是由装在被测轴(或与被测轴相连接 的输入轴)上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆

盘组成,如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示

缝隙盘照射到光电器件上,当缝隙圆盘随被测轴转动时,

圆盘每转一周,光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲, 根据测量时间t内的脉冲数N,则可测得转速为

n ? 60 N Zt

一般取Z t =60×10m

(m=0,1,2……)。

利用两组缝隙间距W相

同,位置相差(i/2+

1/4)W(i为正整数)

的指示缝隙和两个光电

器件,则可辨别出圆盘

的旋转方向。

光电式转速传感器的结构原理图

三、电阻应变片式加速度传感器
? 结构如图所示。悬臂 梁的一端固定在本体 上,另一端装有重块, 壳体内充满硅油,通 过粘贴在悬臂梁上下 两面的电阻应变片间 接测得物体的加速度。 这实际上是一个由质 量-弹簧-阻尼构成的 二阶系统(重块是质 量块,悬臂梁为板状 弹簧,硅油为阻尼)。

3.5 传感器的正确选择和使用
一、传感器的选择
1.首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己 所需要的。有些传感器的输入/输出特性,理论上的分 析较复杂,但实际应用时很简单,用户只需根据使用 要求按其主要性能参数,如测量范围、精度、分辨力、 灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很 宽,对于具体的某种传感器,应根据实际的需要和可 能,在确保其主要性能指标的情况下,适当放宽对次 要性能指标的要求,切忌盲目追求各种特性参数均高 指标,以形成较高的性能/价格比。
2.要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和 维护要求。环境变化(如温度、振动、噪声等)将改变 传感器的某些特性(如灵敏度、线性度等指标),且能 造成与被测参数无关的输出,如零点漂移。因此,应 根据环境要求合理选用传感器。

二、传感器的正确使用
使用传感器时,可以采取某些技术措施来改善传 感器的性能:
? 1. 平均技术. 常用的平均技术有误差平均效应和数 据平均处理。误差平均效应的原理是利用多个传感 器单元同时感受被测量,因而其输出将是这些单元 输出的总和。这在光栅、感应同步器等栅状传感器 中都可取得明显效果;数据平均处理是在相同条件 下重复测量次,然后取其平均值(滤波),因此, 该技术可以大大降低随机误差。
? 2.差动技术. 差动技术在电阻应变式、电感式、电 容式等传感器中得到广泛应用,它可以消除零位输 出和偶次非线性项,抵消共模误差、减小非线性。

二、传感器的正确使用
? 3.稳定性处理. 传感器作为长期使用的元件, 其稳定性显得特别重要,因此,对传感器的 结构材料要进行时效处理,对电子元件进行 筛选等。
? 4.屏蔽和隔离. 屏蔽、隔离措施可抑制电磁 干扰,隔热、密封、隔振等措施可消弱温度、 湿度、机械振动的影响。

三、传感器的标定与校准
1.传感器的标定 ? 利用标准设备产生已知的非电量,并用其作为基准 量来确定传感器的输出电量与输入非电量之间的关系 的过程。 ? 传感器在出厂时均要进行标定,厂家的产品列表中 所列的主要性能参数(或指标)就是通过标定得到的。 传感器的标定应在与其使用条件相似的环境状态下和 规定的安装条件下进行。 2.传感器的校准 ? 传感器在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后 再使用时,必须对其性能参数进行复测或作必要的调 整与修正,以保证其测量精度,这个复测过程就是"校 准"。 校准与标定内容基本相同。

被测量 敏



3.6 检测信号的感元采集与处换元 理





基本 电量 转换 电路

传感器处于被测对象与检测系统的界面位置,是信号输入的主 要窗口,为检测系统提供必需的原始信号。中间转换电路将传感器 的敏感元件输出的电参数信号转换成易于测量或处理的电压或电流 等电量信号。通常,这种电量信号很微弱,需要由中间转换电路进 行放大、调制解调、A/D(D/A)转换等处理以满足信号传输、微 机处理的要求,根据需要还必须进行必要的阻抗匹配、线性化及温 度补偿等处理。中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定, 不同的传感器要求配用的中间转换电路经常具有自己的特色。
需要指出的是,在机电一体化系统设计中,所选用的传感器多 数己由生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户设计,除非是 现有传感器产品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求,才 自己选用传感器的敏感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。

模阻拟式一式、传电、感感检器式测是、目电系前容统应式的用、最压组多电成的式传、感磁器电,式如及电热

电式等传感器均输出模拟信号,其输出是与被
检测系测统物的理组量成相首对先应的跟连传续感变器化输的出电信的号信。号形式和 仪器的功能有关,并由此决定检测系统的类型。

1. 模拟信号检测系统

? 振荡器用于对传感器信号进行调制,并为解调 提供参考信号;

? 量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足 不同测量范围的需要;

? 解调器用于将已调制信号恢复成原有形式;







传 感 器

程 变 换 电



















运 算 电 路

/ 数 转 换

计 算 机


执`









振荡器

一、检测系统的组成

? 滤波器可将无用的干扰信号滤除,并取出代表 被测物理量的有效信号;
? 运算电路可对信号进行各在种具体处的理机,电以一正体确化产获品得的 所需的物理量,其功能也可检在测系对统信中号,进也行可模能没/数有转图 换后,由数字计算机来实现中;的某些部分或增加一些其
? 计算机对信号进行进一步它处部分理,后如,有可些获传得感器相可应不 的信号去控制执行机构,而进在行调不制需与要解执调行,机而直构接的进 检测系统中,计算机则将有行关阻抗信匹息配送、去放显大示和滤或波打等。 印输出。







传 感 器

程 变 换 电



















运 算 电 路

/ 数 转 换

计 算 机


执`









振荡器

一、检测系统的组成

2. 数字信号检测系统

? 数字信号数检字式测传系感统器可直接将被测量转换成数字信 显

有 量 器码 输绝数出对字的码式 编数号扰距种码。字输能离还与当式出力传不,,输很被传和既又。多测感增可易因,提于此但高信,却传感器检号尽得测的管到光电转换精运目了度算前越放大整形、处数来分理字越辨、式多纠错电路 率存传的及储感应码制变换 抗和器用干远品。译码器


执`




量一一对应最,常称见的为数绝字式传感器有光栅、磁栅、容栅、

对码。绝对感码应检同步测器系、光电编码器等,主要用于几何

统如右图所位示置、,速每度一等的码测道量的。状态由相应光电元件读出,

经光电转换和放大整形后,得到与被测量相对应的编码。 纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大 误差。采用循环码(格雷码)传感器时则先转换为二进 制码,再译码输出。

一、检测系统的组成

? 当传感器输出增量码 信号,即信号变化的 周期数与被测量成正 比,其增量码数字信 号检测系统的典型组 成如右图所示。

传 感 器

放 大 器

整 形 电 路

细 分 电 路

脉冲 当量 变换 电路

辨向电路



计 数

寄 存

计 算

示` 执

器器机行

传感器的输出多数为正弦波信号,需先经放大、整形后变成
数字脉冲信号。但在多数情况下,为提高分辨率,常采用细分电 路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数,其中n称为细分数。 辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测 量不便读出和处理时,需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进 行复杂的运算处理,并将结果直接送去显示或打印输出,或求取 控制量去控制执行机构。

一、检测系统的组成
3.开关信号检测系统 ? 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。

一、检测系统的组成
4、传感器与微机的基本接口
输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量 信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和 开关量。与此相应的有三种基本接口方式,见下表。

a是最简单上的述一四种种方二方式、式。模中传,感拟除器量第输的一种转外BA换/所D,示 转输其多 换它路 器入三检 ,测通种信过都号多可共路用用模一拟个开关
出的模拟信于号对经多A路/D检转测换信器号转进换行采集,依因次对此各对路应信的号系进行统采常样,其

成入于数计只1.字算有模信机一拟c号 总 路所量,线检示的通。测与转过这信第换三种号二被态方的输种称缓式场入方作冲仅合式方多器适。的式路送用(数4种据采d)所特 但 同集示信 一点系方号 瞬是式统电采 时,。路集 的其简速各中单度路各,低信路节,号信省不。号元能都器获有件得单,

主要区别是信号的采集/ 传感器保前持,A/电因D 路而... 在可缓三冲态多获器 路得... 开同总 线关一之瞬传感...器
时的各路信号。 a)

独 道 别 同的 , 采 精放...大 采 可 用 度样 根 不 的据 同/A保多 路 模 拟 开/D检 的持转测采电换信样采 保路器样 持号/和保/,的持A因/特D电A而转点/路D灵换,或活通分不总 线 性大,抗干关扰能控力制强器 ,但电路复

杂,采用的元器件较多。

b)

控制器

传感器

采样/ 保持





传感器

采样/ 保持

模 拟 开







A/D

总 缓冲器 线

器 输 入

采样/ 保持

A/D

采样/
保...持

A/D
...

采样/ 保持

A/D











线



c) d)

二、模拟量的转换输入

2. 多路模拟开关
多路模拟开关又 称多路转换开关,简 称多路开关,其作用 是分别或依次把各路 检测信号与A/D转换 器接通,以节省A/D 转换器件。

1 模2 拟3 输4 入5 通6 道7
8

S0 S1 S2 S3 S4
S5 S6 S7

....... A/D转换器

开关控制与驱动电路

选通信号 开关地址输入端

右上图表示一个8通道的模拟开关的结构图,它由模拟开关S0~S7及开关控 制与驱动电路组成。8个模拟开关的接通与断开,通过用二进制代码寻址来指 定,从而选择特定的通道。例如当开关地址为000时,S0开关接通,S1~S7 均断开,当开关地址为111时,S7开关接通,其它7个开关断开。模拟开关一
般采用MOS场效应管,如果后级电路具有足够的输入阻抗,则可以直接连接。

二、模拟量的转换输入
3. 信号采集与保持 ? 所谓采集,就是把时间连续的信号变成一串不
连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采 样开关来实现。采样开关又称采样器,实质上它 是一个模拟开关,每隔时间间隔T闭合一次,每 次闭合持续时间τ,其中,T称为采样周期,其倒 数fs=1/T称为采样频率,τ称为采样时间或采样宽 度,采样后的脉冲序列称为采样信号。
? 采样信号是一个离散的模拟信号,它在时间轴上 是离散的,但在函数轴上仍是连续的,因而还需 要用A/D转换器将其转换成数字量。

二、模拟量的转换输入

? A/D转换过程需要一

定时间,为防止产生

误差,要求在此期间

VF

u0

内保持采样信号不变。 N1 ui
实现这一功能的电路

N2 C

称采样/保持电路。

Uc

典型的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和 运算放大器组成,如右上图所示。

混三杂、在数有用字信信号号中的的干预扰处信理号有两大

?

传感器的类 的输: 周期周出干期信扰性号是干被5扰采0和H入z随的计机工算性频干机干扰后扰。往,典采往型用要先进行 适当的预处积理分,时间其为目2的0m是s整去数除倍混的杂双在积有分用型信号中的

各种干扰,A/并D转对换检器测,系可统有的效地非消线除性其、影零响位。误差和增

益误差等进对行于补随机偿性和干修扰正,。可数采字用信数号字滤预波处的理一般用

软件的方法方来法实予以现削。弱或消除。

1. 数字滤波

? 数字滤波实质上是一种程序滤波,与模拟滤波 相比具有如下优点:①不需要额外的硬件设备,不

存在阻抗匹配问题,可以使多个输入通道共用一套

数字滤波程序,从而降低了仪器的硬件成本。②可

以对频率很低或很高的信号实现滤波。③可以根据

信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波参数,灵 活、方便、功能强。

三、数字信号的预处理
2. 静态误差补偿
在机电一体化产品中,常用软件方法对传感器的非线性传 输特性进行补偿校正,以降低对传感器的要求。 (1). 非线性补偿 ? 下图a为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理 电路至A/D转换器的输入—输出有非线性,如下图b所示, 可按下图c所示的反非线性特性进行转换,进行非线性的校 正,使输出y与输入x呈理想直线关系,如下图d所示。

x

传调感理器电及路其A/D u

a)

x

u

xi

微型计算 机/处理器

y=x y=x

0

xi

b)

x0

ui

u0

x

c)

d)

三、数字信号的预处理
(2).零位误差补偿 ? 检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移
引起的。采用软件对零位误差进行补偿的方法又 称数字调零,其原理如下图所示。

被测信号







...

Ui











A/D









基准信号UR





零信号输入

三、数字信号的预处理
? 多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测 信号接通,并经测量及放大电路和A/D转换器后, 将信号采入微型机。在测量时,先将多路开关接 通某一被测信号,然后将其切换到零信号输入端, 由微型机先后对被测量和零信号进行采样,设采 样值分别为x和a0,其中a0即为零位误差,由微 型机执行下列运算:y = x-a0,就可得到经过零 位误差补偿后的采样值y。

...

被测信号 多

Ui





关 基准信号UR

零信号输入











A/D











三、数字信号的预处理

(3). 增益误差补偿

增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起的。增益误

差补偿又称校准,采用软件方法可实现全自动校准,其原理

与数字调零相似。在检测系统工作时,可每隔一定时间自动

校准一次。校准时,在微型机控制下先把多路开关接地(如

图所示),得到采样值a0,然后把多路开关接基准输入UR, 得到采样值xR,并寄存a0和xR。在正式测量时,如测得对 应输入信号Ui的采样值为xi,则输入信号可按下式计算:

Ui

?

xi ?a0 xR?a0

UR

?采用上述校准方法可使测得的 输入信号Ui与检测系统的漂移和
增益变化无关,因而实现了增益 误差的补偿。

本章小结
? 传感器是机电一体化产品中不可缺少的重要组成部 分之一。传感器把被测物理量(大多数为非电量) 检测出来,转换成与之相应的其他易于测量的物理 量(大多数为电量)。随后,这个信息被传送给信 息处理部分进行判断、运算、存贮、进而控制被测 量。传感器输出信息正确与否将直接影响整个系统 的工作,因此,传感器的正确选择和应用十分重要。
? 传感器的输出多数为模拟量,作为信息处理设备的 微型计算机只能接收数字量信息。则它们之间需要 设置必要的计算机输入接口,此接口的任务主要有: 传感器输出信号的预处理(如放大、调制、整形等); 模拟量与数字量的转换(如A/D转换器);计算机接口 等。

谢谢!



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