chapter信息傳輸元件課件

1、6.1. Functions 作用Data transmission element: Sensors 信號(hào)傳輸元件：傳感器Detecting output parameter, then transform it into voltage or digital numbers proportionally 檢測(cè)輸出量，并將其成比例地變換成電壓或數(shù)字量Output analogue parameters: analogue sensors 輸出模擬量模擬式傳感器Output digital parameters: digital sensors 輸出數(shù)字量數(shù)字式傳感器第1頁(yè)，共28頁(yè)。6.2.

2、 Classifications and working principles 類型及其工作原理According to the parameters transmitted, it can be: 根據(jù)檢測(cè)傳輸?shù)牡奈锢砹靠煞譃椋?1) Position sensors 位移傳感器（線位移和角位移）(2) Velocity sensors 速度傳感器（線速度和角速度） (3) Acceleration sensors 加速度傳感器(4) Force (pressure) sensors 力（壓力）傳感器(5) Flow sensors 流量傳感器第2頁(yè)，共28頁(yè)。（1）Position sen

3、sors 位移傳感器 輸入 輸出信號(hào) 種 類 檢測(cè)范圍 線性度（%） 應(yīng)用范圍 線 位 移 模擬直 流直線式電位計(jì) 10-150mm (0.1-1)% 實(shí)驗(yàn)室用 交流50,400, 3000(Hz)差動(dòng)變壓器 25 mm (0.1-1)% 一般位移檢測(cè)數(shù) 字 式 感應(yīng)同步器 250 mm可接長(zhǎng) 1m 高精度位移檢測(cè)直線光柵 1000-1500 mm 1m 高精度位移檢測(cè)磁 柵 1m 高精度位移檢測(cè)角 位 移 模擬直 流回轉(zhuǎn)電位計(jì) 1轉(zhuǎn)360o，多轉(zhuǎn)360o40(0.1-1)% 位移給定 交 流 50,400 (Hz) 差動(dòng)變壓器 10o (0.1-1)% 一般角位移檢測(cè) 自整角機(jī) 180o0.

4、1-0.5度一般角位移檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器 0-60o0.1% 一般角位移檢測(cè)數(shù) 字 式 感應(yīng)同步器 連 續(xù) 1-5角秒 高精度角位移 檢測(cè)圓光柵 模擬第3頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器電位器輸出電壓u與電刷位移x或角位移（旋轉(zhuǎn)式）成正比分辨率取決繞線的粗細(xì)和均勻程度（塑料膜片式的例外）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、價(jià)廉、易維護(hù)缺點(diǎn)：速度低，易產(chǎn)生雜波，壽命短，分辨率低不適合小位移、高精度和長(zhǎng)期連續(xù)工作第4頁(yè)，共28頁(yè)。A 直線式（1）位移傳感器差動(dòng)變壓器（電感式）直線式和回轉(zhuǎn)式，直線式最常用一次線圈加恒幅高頻(1kHz,3kHz,5kHz甚至10kHz)交流電壓激磁，二次繞組(差動(dòng)連接)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E1和E2鐵芯

5、中間位E1=E2，輸出E=E1-E2=0鐵芯左右移動(dòng)時(shí)，輸出電壓E的大小和極性與鐵芯位移x的大小和方向相關(guān)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，精度較高，線性區(qū)大，無(wú)機(jī)械摩擦，壽命長(zhǎng)。廣泛應(yīng)用缺點(diǎn)：線圈幾何形狀不對(duì)稱和存在磁環(huán)等造成不靈敏區(qū)B 回轉(zhuǎn)式第5頁(yè)，共28頁(yè)。（1）位移傳感器自整角機(jī) 發(fā)送機(jī)輸入電壓與接收機(jī)輸出電壓的相位角分別顯示指令軸和輸出軸的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角差(r-c) 轉(zhuǎn)角位移差傳感器優(yōu)點(diǎn)：精度高，簡(jiǎn)單，可靠，壽命長(zhǎng)缺點(diǎn)：繞組不對(duì)稱、不均勻時(shí)，磁路發(fā)生畸變而引起誤差控制用微電機(jī)，成對(duì)工作組成：發(fā)送機(jī)和接收機(jī)均有轉(zhuǎn)子（1個(gè)繞組）和定子（3個(gè)定子繞組），定子繞組星形互連工作原理：基于電磁感應(yīng)指令輸入軸帶發(fā)送機(jī)，系統(tǒng)輸

6、出軸帶接收機(jī)發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子輸入指令電壓ui，在對(duì)應(yīng)的定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，形成大小與轉(zhuǎn)子繞組A和定子繞組Bi夾角相關(guān)的感應(yīng)電流Ii流過(guò)接收機(jī)定子繞組Ci的電流Ii在接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組D中產(chǎn)生大小與Ci和D夾角相關(guān)的感應(yīng)電勢(shì)Uc第6頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器控制用微電機(jī)，原理、結(jié)構(gòu)與自整角機(jī)類似區(qū)別：定子A和轉(zhuǎn)子B均為兩相繞組應(yīng)用范圍廣，精度更高定子繞組A1通激磁電壓，A2短接A2開路時(shí)，A1激磁電壓產(chǎn)生交變磁通a在B1， B2產(chǎn)生感應(yīng)交變正、余弦電勢(shì)Eb1， Eb2當(dāng)輸出繞組接負(fù)載時(shí)，感應(yīng)電流產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁通b1，b2使激磁通a畸變影響檢測(cè)精度A2短接，電樞反應(yīng)磁通b1，b2在A2上

7、產(chǎn)生的交變磁通a2與b1，b2相反而抵消其對(duì)a的影響定子和轉(zhuǎn)子的一相繞組串接可提高線性度范圍單個(gè)：檢測(cè)角度，成對(duì)：檢測(cè)角差第7頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器感應(yīng)同步器 高精度的位移檢測(cè)元件，有直線和圓形直線式：定尺（連續(xù)繞組）和滑尺（正、余弦相間繞組），節(jié)距均為為P繞組用印刷電路，激磁頻率極高(10kHz)滑尺正、余弦繞組激磁，從定尺的連續(xù)繞組輸出電壓實(shí)際是一個(gè)展成平面的無(wú)鐵芯多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器，與旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理相同滑尺相對(duì)定尺每移動(dòng)一節(jié)距，定尺輸出就有變化，將其處理顯示及可獲得相應(yīng)的位移信息根據(jù)激磁電源的供電方式分鑒幅和鑒相兩類第8頁(yè)，共28頁(yè)。（1）位移傳感器感應(yīng)同步器圓形感應(yīng)同步器圓形

8、感應(yīng)同步器是直線感應(yīng)同步器的變形定子：正、余弦相間多級(jí)繞組，激磁轉(zhuǎn)子：連續(xù)繞組輸出電壓圓盤上一般等分108格54對(duì)磁極，每格制作1個(gè)印刷電路繞組當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子每轉(zhuǎn)一格，轉(zhuǎn)子輸出就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，將這種變化處理后顯示就可獲得相應(yīng)的角位移信息級(jí)數(shù)多且高頻激磁，精度極高第9頁(yè)，共28頁(yè)。（1）位移傳感器感應(yīng)同步器（鑒幅工作方式）滑尺正、余弦繞組加頻率、相位相同而幅值不等的激磁電壓定尺繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓u1式中：K：滑尺與定尺的電磁耦合系數(shù)X：滑尺與定尺的相對(duì)位移P：繞組的節(jié)距c ：與機(jī)械位移x相應(yīng)的角位移第10頁(yè)，共28頁(yè)。（1）位移傳感器感應(yīng)同步器（鑒幅工作方式測(cè)位移差）根據(jù)疊加原理，定尺繞組上的

9、總輸出電壓：則定尺的輸出電壓： 如果滑尺激磁電壓幅值取： 和頻率高，角差小時(shí)，忽略動(dòng)態(tài)，輸出電壓經(jīng)放大、解調(diào)后就有：可見，鑒幅工作時(shí)，定尺繞組上輸出的是角差在閉環(huán)控制系統(tǒng)中r為指令， c使輸出位移（即x）第11頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器感應(yīng)同步器（鑒相工作方式測(cè)位移）正、余弦繞組分別加頻率和幅值相等，相位差90度的激磁電壓和定尺繞組上產(chǎn)生電壓：定尺輸出電壓反映機(jī)械位移即x，第12頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器感應(yīng)同步器（鑒相工作方式測(cè)位移）零值法：能使輸出電壓的相位超前或滯后變化的相對(duì)分頻器使相頻器與定尺的輸出電壓相位差為零，這時(shí)分頻器輸出電壓的相位角e恰好等于c。通過(guò)數(shù)顯裝置便可測(cè)出

10、c直讀法：定尺輸出電壓整形成移相方波后與基準(zhǔn)方波比較，形成相位差門寬，門寬內(nèi)加入一串脈沖，由計(jì)數(shù)器顯示脈沖數(shù)便可測(cè)出反映機(jī)械位移的相角c變換放大控制電路相對(duì)分頻器ce第13頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器磁柵組成：磁尺、磁頭和檢測(cè)電路磁尺尺面上鍍有節(jié)距為的柵狀磁信號(hào)的磁性薄膜磁頭讀取磁信號(hào)，有激磁繞組和輸出繞組激磁繞組加激磁電壓Us，輸出繞組對(duì)應(yīng)有輸出電壓Uo磁尺和磁頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁頭輸出電壓幅值是位移量x的余弦函數(shù)，頻率是激磁頻率的2倍，即第14頁(yè)，共28頁(yè)。（1） 位移傳感器磁柵 輸出幅值系數(shù)； 磁柵的節(jié)距，通常為0.05mm和0.2m； 磁頭在磁柵一個(gè)節(jié)距范圍內(nèi)的相對(duì)位移； 輸出信號(hào)的頻

11、率。兩個(gè)磁頭的間距為 （m為正整數(shù)），即兩個(gè)磁頭相對(duì)磁柵相差1/4節(jié)距，輸出信號(hào)的相位差 也分鑒幅和鑒相兩種，經(jīng)檢測(cè)電路處理，利用相位計(jì)原理測(cè)出輸出信號(hào)的相位，便可測(cè)的位移第15頁(yè)，共28頁(yè)。（1）位移傳感器光柵由主光柵（標(biāo)尺光柵）、指示光柵和測(cè)量電路組成主光柵：條狀光學(xué)玻璃（或金屬板），刻有與其間距等寬w 且均勻的線紋，形成明暗相間的線條指示光柵短，刻有與主光柵同樣密度線紋指示光柵與主光柵平行安放，兩光柵的刻線互傾微小夾角莫爾條紋光經(jīng)主光柵投射，在指示光柵上出現(xiàn)莫爾條紋主光柵沿刻線的垂直方向移動(dòng)，莫爾條文沿夾角 平分線的方向移動(dòng)主光柵移動(dòng)一柵距w ，莫爾條紋移動(dòng)一條紋間距B 用計(jì)數(shù)器記錄下指

12、示光柵移過(guò)的條紋數(shù)，便測(cè)出主光柵的移動(dòng)位移x第16頁(yè)，共28頁(yè)。原理：永磁鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線產(chǎn)生與速度成比例的感應(yīng)電勢(shì)B：磁場(chǎng)強(qiáng)度，L：導(dǎo)線長(zhǎng)度,：磁鐵速度磁鐵不動(dòng)，線圈運(yùn)動(dòng)，即動(dòng)圈式速度傳感器線圈的感應(yīng)電勢(shì)E與運(yùn)動(dòng)速度v成比例（2） 速度傳感器 動(dòng)圈式第17頁(yè)，共28頁(yè)。（2） 速度傳感器 測(cè)速發(fā)電機(jī)（交流式）定子激磁繞組和輸出繞組垂直安裝激磁繞組加頻率、振幅恒定的電壓，便產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，輸出繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割激磁磁通，在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)引起電流形成轉(zhuǎn)子磁通而在輸出繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)EE的幅值與轉(zhuǎn)子速率成比例優(yōu)點(diǎn)：無(wú)電刷、無(wú)雜波、空心轉(zhuǎn)子慣量小缺點(diǎn)：輸出電壓較

13、小多用于交流伺服系統(tǒng)第18頁(yè)，共28頁(yè)。（2)）速度傳感器 測(cè)速發(fā)電機(jī) （直流式）永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)它激式測(cè)速發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)：幅值與轉(zhuǎn)速成比例，極性與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相關(guān)感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)換向器電刷A、B引出優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，輸出電壓波動(dòng)小缺點(diǎn)：長(zhǎng)期使用后，永磁鐵受振動(dòng)后將發(fā)生減磁現(xiàn)象而使特性改變它激式。需配激磁穩(wěn)壓電源第19頁(yè)，共28頁(yè)。（2）速度傳感器 差動(dòng)變壓器式 直流磁化鐵芯。鐵芯運(yùn)動(dòng)二次繞組感應(yīng)出與鐵芯速度成比例電勢(shì)交流使二次繞組感應(yīng)出與鐵芯位移成比例的電勢(shì)Ei交流和直流同時(shí)送入一次繞組，用一只差動(dòng)變壓器同時(shí)檢測(cè)位移和速度位移：兩個(gè)二次繞組的電壓之差；速度：一繞組中的輸出70年代

14、末日本研制成功，并應(yīng)用于航空、振動(dòng)臺(tái)電液控制系統(tǒng)第20頁(yè)，共28頁(yè)。（2） 速度傳感器 脈沖發(fā)生器（電磁式）齒輪旋轉(zhuǎn)，氣隙變化，導(dǎo)致磁阻變化，進(jìn)而磁通變化，線圈便產(chǎn)生與磁阻變化頻率相同的脈沖經(jīng)整形后得到與轉(zhuǎn)速成比例的脈沖輸出信號(hào)如果把齒輪換成齒條，便成為直線式電磁脈沖發(fā)生器 電磁式脈沖發(fā)生器第21頁(yè)，共28頁(yè)。（2） 速度傳感器 脈沖發(fā)生器（光電式 ）光源通過(guò)轉(zhuǎn)盤的透光孔射到光敏元件上，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電管便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號(hào)光電脈沖信號(hào)處理方便，脈沖頻率高，檢測(cè)精度高，被廣泛應(yīng)用 第22頁(yè)，共28頁(yè)。當(dāng)應(yīng)變筒受拉、壓力F作用時(shí)，電阻R1和R2 的阻值發(fā)生變化電橋的輸出電壓U，因阻值改

15、變而發(fā)生變化電壓U與力F成比例作用力轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)（3） 力傳感器 電阻式FF第23頁(yè)，共28頁(yè)。（3） 力傳感器 電磁式組成：彈性支架，壓磁元件壓磁元件：多層導(dǎo)磁硅鋼片疊成裝于彈性支架中孔1，2激磁繞組，3，4裝輸出繞組原理壓磁元件不受力時(shí)，激磁繞組通交變電流，A、B、C、D四區(qū)磁阻相同，磁力線對(duì)稱分布(圖b)次級(jí)繞組無(wú)輸出壓磁元件受F力，A、B區(qū)磁阻增大，C、D區(qū)磁阻不變磁力線扭曲而與次級(jí)繞組交鏈(圖c)，產(chǎn)生與力F成正比的感應(yīng)電勢(shì)E特點(diǎn)：輸出力和輸出功率大，過(guò)載能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，無(wú)位移，運(yùn)行條件要求低，抗干擾能力強(qiáng)第24頁(yè)，共28頁(yè)。（4） 壓力傳感器 組成：垂鏈形膜片，應(yīng)變筒，輸出插座，殼體垂鏈形膜片將流體壓力轉(zhuǎn)換成總力應(yīng)變筒將力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)工作原理同力傳感器第25頁(yè)