機(jī)電一體化技術(shù)-第二章-傳感器與檢測 PPT課件

機(jī)電一體化技術(shù)第二章傳感器與檢測Sensor Measurement 本章重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn) 常用傳感器的工作原理和性能 難點(diǎn) 檢測信號的采集與處理 第二章檢測與傳感器 measurement sensor 第一節(jié)概述第二節(jié)線位移檢測傳感器第三節(jié)角位移檢測傳感器第四節(jié)速度 加速度傳感器第五節(jié)測力傳感器第六節(jié)其他傳感器第七節(jié)傳感器的正確選擇和使用第八節(jié)檢測信號的采集與處理 第一節(jié)概述 傳感器的意義在機(jī)電一體化產(chǎn)品中 無論是機(jī)械電子化產(chǎn)品 如數(shù)控機(jī)床 還是機(jī)電相互融合的高級產(chǎn)品 如機(jī)器人 都離不開檢測與傳感器這個(gè)重要環(huán)節(jié) 若沒有傳感器對原始的各種參數(shù)進(jìn)行精確而可靠的自動檢測 那么信號轉(zhuǎn)換 信息處理 正確顯示 控制器的最佳控制等 都是無法進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)的 機(jī)電一體化第二章 傳感器的作用用于實(shí)現(xiàn)計(jì)測功能 傳感器的作用就相當(dāng)于人的感官 用于檢測有關(guān)外界環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量 如力 位移 速度 位置等 及其變化 并將這些信號轉(zhuǎn)換成電信號 然后再通過相應(yīng)的變換 放大 調(diào)制與解調(diào) 濾波 運(yùn)算等電路將有用的信號檢測出來 反饋給控制裝置或送去顯示 機(jī)電一體化第二章 傳感器的應(yīng)用傳感器與檢測系統(tǒng)可對各種材料 機(jī)件 現(xiàn)場等進(jìn)行無損探傷 測量和計(jì)量 對自動化系統(tǒng)中各種參數(shù)進(jìn)行自動檢測和控制 機(jī)電一體化第二章 一 傳感器的分類 sensorclassification 機(jī)電一體化產(chǎn)品主要以微型計(jì)算機(jī)作信息處理機(jī)和控制器 傳感器獲取的有關(guān)外界環(huán)境及自身狀態(tài)變化的信息 一般反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理或?qū)嵤┛刂?機(jī)電一體化第二章 傳感器按輸出信號的性質(zhì)分類 模擬型 analog 數(shù)字型 digital 接觸型 如微動開關(guān) 行程開關(guān) 接觸開關(guān) 非接觸型 如光電開關(guān) 接近開關(guān) 電壓 電流型 如熱電偶 光電池等 電阻型 如電位器 電阻應(yīng)變片等 電感 電容型 如電感 電容式位移傳感器 計(jì)數(shù)器 二值 十值計(jì)數(shù)器 代碼型 如旋轉(zhuǎn)編碼器 磁尺等 圖2 1傳感器按輸出信號性質(zhì)分類 傳感器sensor 開關(guān)型 二值型 on off 機(jī)電一體化第二章 開關(guān)型傳感器 on offtypesensor 輸出 1 和 0 或開 ON 和關(guān) OFF 兩個(gè)值 如果傳感器的輸入物理量達(dá)到某個(gè)值以上時(shí) 其輸出為 1 ON狀態(tài) 在該值以下時(shí)輸出為 0 OFF狀態(tài) 其臨界值就是開 關(guān)的設(shè)定值 兩點(diǎn)式 這種 1 和 0 數(shù)字信號可直接送入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 機(jī)電一體化第二章 模擬型傳感器 analogtypesensor 輸出是與輸入物理量變化相對應(yīng)的連續(xù)變化的電量 傳感器的輸入 輸出關(guān)系可能是線性的 也可能是非線性的 線性輸出信號可直接采用 而非線性輸出信號則需進(jìn)行線性化處理 這些線性信號一般需進(jìn)行模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換 A D 將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再送給微型計(jì)算機(jī)處理 機(jī)電一體化第二章 數(shù)字型傳感器 計(jì)數(shù)型 代碼型 計(jì)數(shù)型又稱脈沖計(jì)數(shù)型 它可以是任何一種脈沖發(fā)生器 所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比 加上計(jì)數(shù)器就可以對輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)型傳感器可用來檢測通過輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù) 也可用來檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量 這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)每移動一定距離或轉(zhuǎn)動一定角度就會發(fā)出一個(gè)脈沖信號 例如光柵檢測器和增量式光電編碼器就是如此 機(jī)電一體化第二章 digitaltypesensor 代碼型傳感器即絕對值式編碼器 輸出的信號是二進(jìn)制數(shù)字代碼 每一代碼相當(dāng)于一個(gè)一定的輸入量之值 代碼的 1 為高電平 0 為低電平 高低電平可用光電元件或機(jī)械式接觸元件輸出 通常被用來檢測執(zhí)行元件的位置或速度 例如絕對值型光電編碼器 接觸型編碼器等 機(jī)電一體化第二章 二 傳感器的發(fā)展方向 developmentofsensor 一 新型傳感器的開發(fā) 從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程 機(jī)電一體化第二章 1 同一功能的多個(gè)敏感元件排列成線性 面型的陣列型傳感器 2 多種不同功能的敏感元件集成一體 成為可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)測量的傳感器 3 傳感器與放大 運(yùn)算 溫度補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能 機(jī)電一體化第二章 二 傳感器的集成化和多功能化 Integrationandmultifunctionalofsensor 隨著微電子學(xué) 微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展 出現(xiàn)了多種集成化傳感器 三 傳感器的智能化 Sensorintellectualization 不僅具有信號檢測 轉(zhuǎn)換功能 同時(shí)還具有記憶 存儲 解析 統(tǒng)計(jì)處理及自診斷 自校準(zhǔn) 自適應(yīng)等功能 如進(jìn)一步將傳感器與計(jì)算機(jī)的這些功能集成于同一芯片上 就成為智能傳感器 機(jī)電一體化第二章 第二章檢測與傳感器 第一節(jié)概述第二節(jié)線位移檢測傳感器第三節(jié)角位移檢測傳感器第四節(jié)速度 加速度傳感器第五節(jié)測力傳感器第六節(jié)其他傳感器第七節(jié)傳感器的正確選擇和使用第八節(jié)檢測信號的采集與處理 機(jī)電一體化第二章 第二節(jié)線位移檢測傳感器 一 光柵位移傳感器 RasterDisplacementSensor 光柵是一種新型的位移檢測元件 是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置 測量精確度高 可達(dá) 1 m 響應(yīng)速度快 量程范圍大 可進(jìn)行非接觸測量等 其易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制 廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測量中 機(jī)電一體化第二章 特點(diǎn) 一 光柵的構(gòu)造 光柵 raster 是在透明的玻璃板上 均勻地刻出許多明暗相間的條紋 或在金屬鏡面上均勻地劃出許多間隔相等的條紋 通常線條的間隙和寬度是相等的 光柵 以透光的玻璃為載體的稱為透射光柵 不透光的金屬為載體的稱為反射光柵 根據(jù)載體 根據(jù)外形 直線光柵 圓光柵 機(jī)電一體化第二章 光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu) 由標(biāo)尺光柵 指示光柵 光電器件和光源等組成 通常 標(biāo)尺光柵和被測物體相連 隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移 機(jī)電一體化第二章 一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的 而刻線之間的距離W稱為柵距 光柵條紋密度一般為每毫米25 50 100 250條等 機(jī)電一體化第二章 二 工作原理 如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝 且讓它們的刻痕之間有較小的夾角 時(shí) 這時(shí)光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋 這種條紋稱莫爾條紋 Molestripe 它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列 機(jī)電一體化第二章 圖2 3莫爾條紋 二 工作原理 續(xù)一 莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶 它由一系列四棱形圖案組成 如圖中的d d線區(qū)所示 f f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的 機(jī)電一體化第二章 二 工作原理 續(xù)二 莫爾條紋具有如下特點(diǎn) 1 莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例 當(dāng)指示光柵不動 標(biāo)尺光柵向左右移動時(shí) 莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動 光柵每移動過一個(gè)柵距W 莫爾條紋就移動過一個(gè)條紋間距B 查看莫爾條紋的移動方向 即可確定主光柵的移動方向 機(jī)電一體化第二章 2 莫爾條紋具有位移放大作用 莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為 機(jī)電一體化第二章 莫爾條紋的放大倍數(shù)為 2 7 可見 越小 放大倍數(shù)越大 實(shí)際應(yīng)用中 角的取值范圍都很小 例如當(dāng) 10 時(shí) K 1 1 0 0029rad 345 也就是說指示光柵與標(biāo)尺光柵相對移動一個(gè)很小的W距離時(shí) 可以得到一個(gè)很大的莫爾條紋移動量B 可以用測量條紋的移動來檢測光柵微小的位移 從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測量 機(jī)電一體化第二章 3 莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用 莫爾條紋是由一系列刻線的交點(diǎn)組成 它反映了形成條紋的光柵刻線的平均位置 對各柵距誤差起了平均作用 減弱了光柵制造中的局部誤差和短周期誤差對檢測精度的影響 圖2 4光柵輸出波形 通過光電元件 可將莫爾條紋移動時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號如圖 其電壓 2 8 式中U0 輸出信號的直流分量 Um 輸出信號的幅值 x 兩光柵的相對位移 機(jī)電一體化第二章 將此電壓信號放大 整形變換為方波 經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號 再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù) 則可用數(shù)字形式顯示出位移量 位移量等于脈沖與柵距乘積 測量分辨率等于柵距 機(jī)電一體化第二章 2 8 提高測量分辨率的常用方法是細(xì)分 且電子細(xì)分應(yīng)用較廣 這樣可在光柵相對移動一個(gè)柵距的位移 即電壓波形在一個(gè)周期內(nèi) 時(shí) 得到4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖 將分辨率提高4倍 這就是通常說的電子4倍頻細(xì)分 機(jī)電一體化第二章 二 感應(yīng)同步器 InductionSynchromesh 感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理把兩個(gè)平面繞組間的位移量轉(zhuǎn)換成電信號的一種位移傳感器 按測量機(jī)械位移的對象不同 直線型 用來檢測直線位移 圓盤型 用來檢測角位移 機(jī)電一體化第二章 特點(diǎn) 成本低 受環(huán)境溫度影響小 測量精度高 且為非接觸測量 所以在位移檢測中得到廣泛應(yīng)用 特別是在各種機(jī)床的位移數(shù)字顯示 自動定位和數(shù)控系統(tǒng)中 機(jī)電一體化第二章 一 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 直線型感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成 機(jī)電一體化第二章 圖2 6直線型感應(yīng)同步器定尺 滑尺的結(jié)構(gòu) 制造工藝先在基板 玻璃或金屬 上涂上一層絕緣粘合材料 將銅箔粘牢 用制造印刷線路板的腐蝕方法制成節(jié)距T一般為2mm的方齒形線圈 定尺繞組是連續(xù)的 滑尺上分布著兩個(gè)勵磁繞組 分別稱為正弦繞組和余弦繞組 滑尺和定尺相對平行安裝 其間保持一定間隙 0 05 0 2mm 機(jī)電一體化第二章 在滑尺的正弦繞組中 施加頻率為f 一般為10kHz 的交變電流時(shí)定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電勢 感應(yīng)電勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān) 二 感應(yīng)同步器的工作原理 圖2 7定尺感應(yīng)電勢波形圖僅對A繞組激磁 機(jī)電一體化第二章 圖2 7定尺感應(yīng)電勢波形圖僅對A繞組激磁 當(dāng)兩繞組同向?qū)R時(shí) 滑尺繞組磁通全部交鏈于定尺繞組 所以其感應(yīng)電勢為正向最大 移動1 4節(jié)距后 兩繞組磁通不交鏈 即交鏈磁通量為零 再移動1 4節(jié)距后 兩繞組反向時(shí) 感應(yīng)電勢負(fù)向最大 依次類推 每移動一節(jié)距 周期性的重復(fù)變化一次 其感應(yīng)電勢隨位置按余弦規(guī)律變化 見圖2 7a 機(jī)電一體化第二章 同樣 若在滑尺的余弦繞組中 施加頻率為f的交變電流時(shí) 定尺繞組上也感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電勢 其感應(yīng)電勢隨位置按正弦規(guī)律變化 見圖2 7b 圖2 7定尺感應(yīng)電勢波形圖 僅對B繞組激磁 機(jī)電一體化第二章 設(shè)正弦繞組供電電壓為Us 余弦繞組供電電壓為Uc 移動距離為x 節(jié)距為T 則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí) 在定尺上感應(yīng)電勢為 2 9 余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為 2 10 機(jī)電一體化第二章 感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性 可進(jìn)行線性疊加 所以定尺上總的感應(yīng)電勢為 2 11 式中K 定尺與滑尺之間的耦合系數(shù) 定尺與滑尺相對位移的角度表示量 電角度 T 節(jié)距 表示直線感應(yīng)同步器的周期 標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm 機(jī)電一體化第二章 感應(yīng)同步器 Inductionsynchromesh 是利用感應(yīng)電壓的變化來進(jìn)行位置檢測的 根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同 以及對輸出電壓檢測方式的不同 感應(yīng)同步器的測量方式有 相位工作法 幅值工作法 通過檢測感應(yīng)電壓的相位來測量位移 通過檢測感應(yīng)電壓的幅值來測量位移 機(jī)電一體化第二章 三 測量方法 1 相位工作法Phasemethodofworking 當(dāng)滑尺的兩個(gè)勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值 但相位相差90o的兩個(gè)電壓時(shí) 定尺感應(yīng)電勢相應(yīng)隨滑尺位置而變 設(shè) 2 12 2 13 機(jī)電一體化第二章 則 2 14 從上式可以看出 感應(yīng)同步器把滑尺相對定尺的位移x的變化轉(zhuǎn)成感應(yīng)電勢相角的變化 因此 只要測得相角 就可以知道滑尺的相對位移x 2 15 機(jī)電一體化第二章 2 幅值工作法 在滑尺的兩個(gè)勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位 但幅值不等的兩個(gè)交流電壓 機(jī)電一體化第二章 2 16 2 17 根據(jù)線性疊加原理 定尺上總的感應(yīng)電勢U2為兩個(gè)繞組單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢U2 和U2 之和 即 2 18 機(jī)電一體化第二章 式中KUmsin 感應(yīng)電勢的幅值 Um 滑尺勵磁電壓最大的幅值 滑尺交流勵磁電壓的角頻率 2 f 指令位移角 由上式知 感應(yīng)電勢U2的幅值隨 作正弦變化 當(dāng) 時(shí) U2 0 隨著滑尺的移動 逐漸變化 因此 可以通過測量U2的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移 機(jī)電一體化第二章 三 磁柵位移傳感器 Magnetismgridsensor 磁柵是利用電磁特性來進(jìn)行機(jī)械位移的檢測 主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測元件 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 動態(tài)范圍大 1 20m 和磁信號可以重新錄制 缺點(diǎn) 需要屏蔽和防塵 機(jī)電一體化第二章 一 磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示 它由磁尺 磁柵 磁頭和檢測電路等部分組成 圖2 8磁柵工作原理1 磁性膜2 基體3 磁尺4 磁頭5 鐵芯6 勵磁繞組7 拾磁繞組 機(jī)電一體化第二章 磁尺是采用錄磁的方法 在一根基體表面涂有磁性膜的尺子上 記錄下一定波長的磁化信號 以此作為基準(zhǔn)刻度標(biāo)尺 圖2 8磁柵工作原理1 磁性膜2 基體3 磁尺4 磁頭5 鐵芯6 勵磁繞組7 拾磁繞組 機(jī)電一體化第二章 磁頭把磁柵上的磁信號檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號 檢測電路主要用來供給磁頭激勵電壓和磁頭檢測到的信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出 機(jī)電一體化第二章 圖2 8磁柵工作原理1 磁性膜2 基體3 磁尺4 磁頭5 鐵芯6 勵磁繞組7 拾磁繞組 為了在低速運(yùn)動和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測 必須采用磁通響應(yīng)型磁頭 磁通響應(yīng)型磁頭 MagneticFluxResponseTypeHeadplate 機(jī)電一體化第二章 是利用帶可飽和鐵芯的磁性調(diào)制器原理制成的 其結(jié)構(gòu)如圖2 8所示 圖2 8磁柵工作原理1 磁性膜2 基體3 磁尺4 磁頭5 鐵芯6 勵磁繞組7 拾磁繞組 在鐵芯上繞有兩個(gè)繞組 一個(gè)為勵磁繞組 另一個(gè)為拾磁繞組 這兩個(gè)繞組均由兩段繞向相反并繞在不同的鐵芯臂上的繞組串聯(lián)而成 將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時(shí) 在磁頭上產(chǎn)生磁通 1 當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí) 磁尺上的磁信號產(chǎn)生的磁通 o進(jìn)入磁頭鐵芯 并被高頻勵磁電流所產(chǎn)生的磁通 1所調(diào)制 機(jī)電一體化第二章 于是在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為 2 19 式中U0 輸出電壓系數(shù) 磁尺上磁化信號的節(jié)距 磁頭相對磁尺的位移 勵磁電壓的角頻率 這種調(diào)制輸出信號跟磁頭與磁尺的相對速度無關(guān) 機(jī)電一體化第二章 為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向 通常采用了間距為 m 1 4 的兩組磁頭 其中m為任意正整數(shù) 圖2 9辨向磁頭配置 機(jī)電一體化第二章 圖2 9辨向磁頭配置 如圖2 9所示 i1 i2為勵磁電流 其輸出電壓分別為 2 20 2 21 U1和U2是相位相差90 的兩列脈沖 至于哪個(gè)導(dǎo)前 則取決于磁尺的移動方向 根據(jù)兩個(gè)磁頭輸出信號的超前或滯后 可確定其移動方向 機(jī)電一體化第二章 二 測量方式 磁柵的測量方式有鑒幅測量方式和鑒相測量方式 1 鑒幅測量方式 Peak to peakvaluedemodulationmode 如前所述 磁頭有兩組信號輸出 將高頻載波濾掉后則得到相位差為 2的兩組信號 2 23 機(jī)電一體化第二章 2 22 兩組磁頭相對于磁尺每移動一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正 余 弦信號 經(jīng)信號處理后可進(jìn)行位置檢測 這種方法的檢測線路比較簡單 但分辨率受到錄磁節(jié)距 的限制 若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路 所以不常采用 機(jī)電一體化第二章 2 鑒相測量方式 Phasedemodulationmode 采用相位檢測的精度可以大大高于錄磁節(jié)距 并可以通過提高內(nèi)插脈沖頻率以提高系統(tǒng)的分辨率 將圖中一組磁頭的勵磁信號移相90 則得到輸出電壓為 2 25 機(jī)電一體化第二章 2 24 在求和電路中相加 則得到磁頭總輸出電壓為 2 26 由上式可知 合成輸出電壓U的幅值恒定 而相位隨磁頭與磁尺的相對位置 變化而變 讀出輸出信號的相位 就可確定磁頭的位置 機(jī)電一體化第二章 第二章檢測與傳感器 第一節(jié)概述第二節(jié)線位移檢測傳感器第三節(jié)角位移檢測傳感器第四節(jié)速度 加速度傳感器第五節(jié)測力傳感器第六節(jié)其他傳感器第七節(jié)傳感器的正確選擇和使用第八節(jié)檢測信號的采集與處理 第三節(jié)角位移檢測傳感器AngularDisplacementSensor 一 旋轉(zhuǎn)變壓器 RotaryTransformer 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號的傳感器 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 動作靈敏 對環(huán)境無特殊要求 輸出信號大 抗干擾好 機(jī)電一體化第二章 一 旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造和工作原理 RotaryTransformer sStructureandPrinciple 旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似 由定子和轉(zhuǎn)子組成 當(dāng)以一定頻率 頻率通常為400Hz 500Hz 1000Hz及5000Hz等幾種 的激磁電壓加于定子繞組時(shí) 轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦 余弦函數(shù)關(guān)系 或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系 前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 適用于大角位移的絕對測量 后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器 適用于小角位移的相對測量 機(jī)電一體化第二章 如圖2 10所示 旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機(jī)的形式 在定子上有激磁繞組和輔助繞組 它們的軸線相互成90 在轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)輸出繞組 正弦輸出繞組和余弦輸出繞組 這兩個(gè)繞組的軸線也互成90 一般將其中一個(gè)繞組 如Z1 Z2 短接 圖2 10正余弦變壓器原理圖D1D2 激磁繞組D3D4 輔助繞組Z1Z2 余弦輸出繞組Z3Z4 正弦輸出繞組 機(jī)電一體化第二章 二 旋轉(zhuǎn)變壓器的測量方式 measuringmode 當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同 相位相差為90 的交變激磁電壓時(shí) 便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3 根據(jù)線性疊加原理 U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和 即 2 27 2 28 2 29 式中k w1 w2 旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比 w1 w2 轉(zhuǎn)子 定子繞組的匝數(shù) 可見 測得轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓的幅值和相位 可間接測得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 的變化 機(jī)電一體化第二章 圖2 11線性旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖 線性旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器 不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式 如圖2 11 這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi) 一般為 60 其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角 成線性關(guān)系 此時(shí)輸出電壓為 2 30 機(jī)電一體化第二章 2 30 根據(jù)此式 選定變壓比k及允許的非線性度 則可推算出滿足線性關(guān)系的轉(zhuǎn)角范圍 圖2 12 如取k 0 54 非線性度不超過 0 1 則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角范圍可以達(dá)到 60 圖2 12轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與輸出電壓的關(guān)系曲線 機(jī)電一體化第二章 二 光電編碼器 Photoelectricityencoder 光電編碼器是一種碼盤式角度 數(shù)字檢測元件 兩種基本類型 增量式編碼器 Increasetypeencoder 絕對式編碼器 Absolutetypeencoder 具有結(jié)構(gòu)簡單 價(jià)格低 精度易于保證等優(yōu)點(diǎn) 所以目前采用最多 能直接給出對應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息 便于計(jì)算機(jī)處理 但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí) 必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來 組成多級檢測裝置 使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 成本高 機(jī)電一體化第二章 一 增量式編碼器 Increasetypeencoder 是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖 然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù) 以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量 工作原理如圖2 13所示 圖2 13增量式編碼器工作原理 機(jī)電一體化第二章 它由主碼盤 鑒向盤 光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成 在圖形的主碼盤 光電盤 周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫 形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū) 圖2 13增量式編碼器工作原理 機(jī)電一體化第二章 二 絕對式編碼器 Absolutetypeencoder 絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件 編碼盤有光電式 接觸式和電磁式三種 光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種 它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼 機(jī)電一體化第二章 圖2 14所示為四位二進(jìn)制的碼盤 碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道 在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案 形成一套編碼 黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的 0 和 1 在一個(gè)四位光電碼盤上 有四圈數(shù)字碼道 每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位 機(jī)電一體化第二章 圖2 14四位二進(jìn)制的碼盤 工作時(shí) 碼盤的一側(cè)放置電源 另一邊放置光電接受裝置 每個(gè)碼道都對應(yīng)有一個(gè)光電管及放大 整形電路 碼盤轉(zhuǎn)到不同位置 光電元件接受光信號 并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號 經(jīng)放大整形后 成為相應(yīng)數(shù)碼電信號 但由于制造和安裝精度的影響 當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過程中 會產(chǎn)生讀數(shù)誤差 機(jī)電一體化第二章 例如 當(dāng)碼盤順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 由位置 0111 變?yōu)?1000 時(shí) 這四位數(shù)要同時(shí)都變化 可能將數(shù)碼誤讀成16種代碼中的任意一種 如讀成1111 1011 101 0001等 產(chǎn)生了無法估計(jì)的很大的數(shù)值誤差 這種誤差稱非單值性誤差 機(jī)電一體化第二章 為了消除非單值性誤差 可采用以下的方法 1 循環(huán)碼盤 或稱格雷碼盤 Cycliccodeplate 圖2 15四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤 也是一種二進(jìn)制編碼 只有 0 和 1 兩個(gè)數(shù) 圖示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼 特點(diǎn)是任意相鄰的兩個(gè)代碼間只有一位代碼有變化 即 0 變?yōu)?1 或 1 變?yōu)?0 因此 在兩數(shù)變換過程中 所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過 1 只可能讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù) 所以 它是消除非單值性誤差的一種有效方法 機(jī)電一體化第二章 2 帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤 這種碼盤是在四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤的最外圈再增加一圈信號位 圖2 16所示就是帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤 該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開 只有當(dāng)信號位處的光電元件有信號時(shí)才讀數(shù) 這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差 機(jī)電一體化第二章 圖2 16帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤 第二章檢測與傳感器 第一節(jié)概述第二節(jié)線位移檢測傳感器第三節(jié)角位移檢測傳感器第四節(jié)速度 加速度傳感器第五節(jié)測力傳感器第六節(jié)其他傳感器第七節(jié)傳感器的正確選擇和使用第八節(jié)檢測信號的采集與處理 第四節(jié)速度 加速度傳感器speedandaccelerationsensor 一 直流測速發(fā)電機(jī)DCLoggingSpeedGenerator 直流測速發(fā)電機(jī)是一種測速元件 實(shí)際上它是一臺微型的直流發(fā)電機(jī) 根據(jù)定子磁極激磁方式的不同 直流測速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種 機(jī)電一體化第二章 測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種 但原理基本相同 圖2 17所示為永磁式測速發(fā)電機(jī)原理電路圖 恒定磁通由定子產(chǎn)生 當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí) 電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢 經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢 圖2 17永磁式測速發(fā)電機(jī)原理圖 機(jī)電一體化第二章 從圖中可以看出 當(dāng)負(fù)載電阻RL 時(shí) 其輸出電壓V0與轉(zhuǎn)速n成正比 隨著負(fù)載電阻RL變小 其輸出電壓下降 而且輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間并不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系 由此可見 對于要求精度比較高的直流測速發(fā)電機(jī) 除采取其它措施外 負(fù)載電阻RL應(yīng)盡量大 圖2 18直流測速發(fā)電機(jī)輸出特性 機(jī)電一體化第二章 直流測速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大 線性好 但由于有電刷和換向器 構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜 摩擦轉(zhuǎn)矩較大 機(jī)電一體化第二章 圖2 19光電式速度傳感器工作原理圖 物體以速度V通過光電池的遮擋板時(shí) 光電池輸出階躍電壓信號 經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出 測出兩脈沖之間的時(shí)間間隔 t 則可測得速度為 二 光電式速度傳感器PhotoelectricityTypeSpeedSensor 光電脈沖測速原理如圖2 19所示 機(jī)電一體化第二章 機(jī)電一體化第二章 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸 或與被測軸相連接的輸入軸 上的帶縫圓盤 光源 光電器件和指示縫隙圓盤組成 如圖2 20所示 光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上 當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時(shí) 由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同 機(jī)電一體化第二章 因此圓盤每轉(zhuǎn)一周 光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖 根據(jù)測量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N 則可測得轉(zhuǎn)速為 機(jī)電一體化第二章 三 差動變壓器式速度傳感器Differentialmotiontransformertypespeedsensor 差動變壓器式除了可測量位移外 還可測量速度 其工作原理如圖2 2