第三章測量模塊

第三章測量模塊測量模塊：傳感器+信號調(diào)理+測量系統(tǒng)

作用：信號采集處理，把機(jī)械模塊的狀態(tài)和性能參數(shù)轉(zhuǎn)為電信號，并作信號轉(zhuǎn)換和信號處理，提供給檢測和控制。常用傳感器（被測量）：位移、速度、加速度、力（轉(zhuǎn)矩）、壓力第一節(jié)機(jī)械量傳感器分類一傳感器：將被測變量變換為其他形式的信號的裝置。通常是將非電量轉(zhuǎn)化為與之友確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。被測量：位移，速度，加速度，力，力矩，壓力。輸出：力，位移，電壓，電阻等。二調(diào)理電路:將傳感器輸出的信號放大，濾波，使其與控制器或顯示裝置或A/D轉(zhuǎn)換器相適應(yīng)。傳感器的分類

P71表3-11，按被測量分類：力、速度、溫度2，按工作原理（信號轉(zhuǎn)換原理）分類：結(jié)構(gòu)型：傳感器的結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，電容傳感器物性型：敏感元件材料本身物理特性的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換壓力式加速度計3，按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型（無源）：能量控制型（有源）：四傳感器的發(fā)展第二節(jié)性能指標(biāo)—輸入輸出關(guān)系特性工作特性、靜態(tài)特性、動態(tài)特性一、工作特性性能、質(zhì)量、環(huán)境

1.測量特性（性能）量程：被測量的上下限定義閾值：能產(chǎn)生輸出變化的被測量的最小變化量分辨率：被測量連續(xù)變化時，輸出以離散階梯形式變化，階梯的大小定義為分辨率。靈敏度：輸出變化量與對應(yīng)的輸入變化量的比值。2.工作特性（質(zhì)量）可靠性：在給定的時間周期內(nèi)，能在給定條件下（環(huán)境限制，超量程范圍，輸出漂移量）工作的可能性。漂移：在給定的時間內(nèi)，產(chǎn)生的不希望的變化。零漂:輸入為零時的漂移。靈敏度漂移:靈敏度變化。3.環(huán)境影響:

零位溫漂:在給定的溫度范圍內(nèi)的零漂。靈敏度溫漂:在給定的溫度范圍內(nèi)的靈敏度變化。二靜態(tài)特性——被測量是常量或者緩慢變化的量。精度——輸出與被測變量理想值的一致程度。誤差——測量值與理想值之差。精度表示法：①以被測量表示（如±1℃）②滿量程的百分?jǐn)?shù)（如±1%）③輸出值的百分?jǐn)?shù)（如±1%）重復(fù)性——在相同條件下，連續(xù)幾次測量所得輸出之間的最大差值.

可重現(xiàn)性——在長時間內(nèi)，由兩個方向趨近同一個輸入，多次測量所得輸出的最大差值。線性度——輸入輸出特性曲線與直線的緊密程度,由實(shí)際特性曲線與對應(yīng)所選直線之間的變化量與滿量程的百分比確定。獨(dú)立線性度直線基于零位的線性度直線基于端點(diǎn)的線性度直線最小二乘線性度——由標(biāo)定曲線的輸入輸出數(shù)據(jù)，通過最小二乘擬合計算獲得。動態(tài)特性:

快速變化量的性能用時域和頻域的兩種描述方法。

1.時域指標(biāo)由階躍響應(yīng)定義.四.性能要求和改善措施

1.性能要求P752.改善措施（1）差動技術(shù)

(2)平均技術(shù)

(3)穩(wěn)定性技術(shù)

(4)屏蔽隔離

(5)閉環(huán)技術(shù)第三節(jié)位移傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器——角位移測量，精度5″～30″1．結(jié)構(gòu)：定子+轉(zhuǎn)子（兩極電機(jī)）P762．工作原理圖3-6

變壓器工作原理：定子是輸入繞組：在Ｗs1—Ｗs2，加

轉(zhuǎn)子是輸出繞組余弦乘法器：US*COS(Φ),正弦乘法器：UC*SIN(Φ)P77余弦乘法器：US*COS(Φ),正弦乘法器：UC*SIN(Φ)二、感應(yīng)同步器（一）結(jié)構(gòu)和原理

1．直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)由定尺、滑尺組成.

在鋼基尺上貼銅箔繞組，繞組節(jié)距2τ=2mm

定尺：250mm，連續(xù)繞組滑尺：兩個繞組（正弦繞組、余弦繞組）,相距1／4節(jié)距(τ/2)下課休息

2．工作原理滑尺的正弦繞組加激磁電壓,定子感應(yīng)電壓隨滑尺位移而變化，定子感應(yīng)電壓與定子和滑尺的位置關(guān)系如下圖.下課休息結(jié)論:

滑尺的正弦繞組加激磁電壓，定尺得到的感應(yīng)電壓是余弦波形。又因?yàn)榛哂嘞依@組與正弦繞組錯開1／4節(jié)距（即

/2），所以在滑尺的余弦繞組的激磁下，定尺的感應(yīng)電壓應(yīng)是按正弦規(guī)律變化?；咭埔粋€節(jié)距2τ（2mm），感應(yīng)電勢變化2角度。當(dāng)移動量為Xmm時，感應(yīng)電勢變化機(jī)角度，則2τ/2=

X/,即X=（τ/）.（弧度）（mm)=（（度）/360）×2τ=（（度）/360）×W(P80)(二）感應(yīng)同步器應(yīng)用

感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，有鑒相與鑒幅兩種應(yīng)用方式

1．鑒相方式(P79)

滑尺繞組，加同頻同幅不同相的電壓

US=Umsinwt–––定子感應(yīng)電壓為K.Umsinwt.cosUC=Umcouwt–––定子感應(yīng)電壓為-K.Umcoswt.sin

疊加：得定子感應(yīng)電壓為

U=KUmsinwtcos–KUmcoswtsin=KUmsin(wt–)=KUmsin(wt–x./τ)----輸出電壓的相位角與滑尺線位移成正比。下課休息

2．鑒幅方式，滑尺加同頻同相不同幅的勵磁電壓

US=Umsin電sinwtUC=Umcos電sinwt

定尺感應(yīng)信號：

U=KUmsin電sinwtcos機(jī)–KUmcos電sinwtsin機(jī)

=KUmsin(電-機(jī))sinwt

證明定尺電壓幅值是機(jī)的函數(shù)，只要測出幅度，就可以求得機(jī),也就可以得位移.

當(dāng)位移為X時，調(diào)電,令電＝機(jī)，使U＝0,邊位移邊測U,U=KUmsinsinwt=KUm

sinwt

KUm

KUmX

可以對位移增量進(jìn)行高精度的細(xì)分，若要使分辯率為1m，即 ，把U放大，調(diào)節(jié)增益使U的幅值達(dá)到門檻電平，產(chǎn)生一個脈沖。對脈沖計數(shù)，同時修改電，使電＝機(jī)，使U＝0，當(dāng)位移又有1m的增量時，又產(chǎn)生一個脈沖?？偽灰屏烤褪怯嫈?shù)值乘上0.001mm。

下課休息

對脈沖計數(shù)（1個脈沖對應(yīng)1m），同時修改電，使電＝機(jī)，使U＝0，當(dāng)位移又有1m的增量時，又產(chǎn)生一個脈沖?？偽灰屏烤褪怯嫈?shù)值乘上0.001mm。下課休息三、光電編碼器

––––把機(jī)械轉(zhuǎn)角位移變成電脈沖1．結(jié)構(gòu)：下課休息圓光柵：玻璃圓盤，真空鍍膜法鍍上一層不透光的金屬膜和感光材料，用照相腐蝕制成等距的透光和不透光的線紋，線距為P。里圈有一條透光線紋，產(chǎn)生零位信號Z。指示光柵:有兩條透光線紋A、B，相距1/4P，產(chǎn)生A、B兩路相位相差/2的信號。下課休息2．工作原理：每過一個光柵節(jié)距，在光電元件上形成明––暗––明變化一個周期的光信號，經(jīng)光電轉(zhuǎn)化為近似的正弦信號，經(jīng)放大，整形變成矩形脈沖，脈沖數(shù)與角位移成正比。A、B兩路相位相差/2，正轉(zhuǎn)時B超前90O，反轉(zhuǎn)時A超前90O,用于辨別進(jìn)給方向。下課休息3.方向判別(圖3-13)下課休息5．主要參數(shù)：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

60，120，180，360，720（電光計數(shù)控制）

2000，2500，3000，5000（一般數(shù)控機(jī)床）

10000,20000，25000，30000（高精度伺服系統(tǒng)）高分辨率脈沖編碼器通過細(xì)分電路來實(shí)現(xiàn)。下課休息

(一)結(jié)構(gòu)：長光柵（標(biāo)尺光柵）裝在機(jī)床移動部件上短光柵（指標(biāo)光柵）固定在機(jī)床的固定部件上下課休息四、光柵（直線光柵測直線位移、圖光柵測角位移）光柵：透射光柵、反射光柵透射光柵：在涂有感光材料的光學(xué)玻璃表面，刻上等間隔光柵線紋。光源可以垂直入射，光敏元件直接接受光照。優(yōu)點(diǎn):信噪比好，刻線密度大.

缺點(diǎn)：玻璃易破損，熱脹系數(shù)與機(jī)床金屬不一致，影響測量精度。（用于2m以下的位移測量）反射光柵：在不銹鋼上經(jīng)照相腐蝕（或刻線）制成。優(yōu)點(diǎn):與機(jī)床金屬熱膨脹系數(shù)一致，可做成長光柵，用于大位移場合。缺點(diǎn)：反射后，莫爾條紋反差大，刻線密度低,在50線/mm以下。光柵讀數(shù)頭：光電轉(zhuǎn)換，把位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出。光柵線紋太密，線紋計數(shù)有困難，利用莫爾條紋放大后,再測量.下課休息（二）莫爾條紋：長短光柵節(jié)距W、平行放量、矩光柵傾斜角。長短光柵的刻線相交，光照時，會產(chǎn)生明暗交替相間、間距相等的條紋（稱為莫爾條紋）下課休息P/2/W=tg(/2)=/2W=P/

1.莫爾條紋的放大作用

W=P/,P=0.01mm,=0.11°=0.002rad

W=0.01/0.002=500*0.01=5(mm)2．莫爾條紋的誤差均化作用莫爾條紋由若干光柵刻線干涉形成，即許多條刻線才能生成一定密度的莫爾條紋，平均了節(jié)距誤差．

3．利用莫爾條紋測位移

1）光柵橫向移一個節(jié)距W

莫爾條紋上下移動一個莫爾條紋節(jié)距Ｂ（莫爾條紋明暗變化一個周期，檢測莫爾條紋的明暗變化，就可測得光柵橫向移動的距離．）

2）根據(jù)莫爾條件的移動方向，可以辨別光柵的移動方向，光柵右移，莫爾條紋下移．下課休息第四節(jié)速度傳感器直流測速發(fā)電機(jī)微型的直流發(fā)電機(jī)，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。

1分類：電磁式——磁場由電磁線圈產(chǎn)生永磁式——磁場由永久磁鐵產(chǎn)生

2靈敏度：0.5V～20v/(Kr/min)3線性度：0.2%～0.1%4作用：測量轉(zhuǎn)速5工作原理：電磁感應(yīng)原理p84圖3-18

每根導(dǎo)線

N根導(dǎo)線

---輸出直流電壓與轉(zhuǎn)速成正比6輸出特性二碼盤式轉(zhuǎn)速傳感器1脈沖頻率法在給定的采樣時間△t秒內(nèi)，測量編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為N。則轉(zhuǎn)速n

低速時，編碼器脈沖頻率太低。在△t秒內(nèi)漏檢一個脈沖，影響很大。

(r/min)

2脈沖周期法測一個或N2個編碼器脈沖所對應(yīng)得時間間隔t,設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為N，則

（1）精度高。誤差±1個時鐘脈沖（2）高速時，用多個脈沖間隔來提高精度

第五節(jié)加速度傳感器

,若直測v,x,經(jīng)微分，誤差會放大。

,固定m,測力F，間接算a.質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)二結(jié)構(gòu)

:應(yīng)變式結(jié)構(gòu)：a→ma→懸臂梁彎曲→應(yīng)變片測變形量x.

壓電式結(jié)構(gòu)：a→ma→壓電元件變形→電荷Q。壓阻式結(jié)構(gòu)：a→ma→半導(dǎo)體壓阻元件變形→電阻率變化.

壓阻效應(yīng)：三分類壓電式加速度計對低頻（靜態(tài)）信號不敏感第六節(jié)力、扭矩和壓力傳感器由彈性元件把力、扭矩、壓力轉(zhuǎn)換成位移或應(yīng)變應(yīng)變——單位長度的位移彈性元件：柱型，環(huán)型，懸臂梁型，棒型，筒型，膜片，膜盒。傳感元件：電阻應(yīng)變式，壓阻式，壓電式，電容式。彈性變形范圍大，靈敏度高，測量頻帶寬。力學(xué)模型：二階微分方程一電阻應(yīng)變式——電阻應(yīng)變效應(yīng)

應(yīng)變片粘合在彈性元件上，構(gòu)成橋路。彈性元件受力→應(yīng)變→電阻變化→電橋輸出電壓

其中---應(yīng)變，G---標(biāo)定系數(shù)作用：測力二壓阻式——半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料基片上擴(kuò)散電阻，組成電橋，基片做彈性敏感元件，基片受力變形，阻值變化，電橋產(chǎn)生輸出。

其中

——應(yīng)變，

——半導(dǎo)體的彈性模量

——壓阻系統(tǒng)。作用：測力三壓電式——利用壓電元件的壓電效應(yīng)壓電元件——石英晶體，壓電陶瓷壓電效應(yīng)——壓電元件沿一定方向受外力作用而變形時，其相應(yīng)的相對的表面產(chǎn)生極性相反的電荷，電荷與外力的大小成正比，電荷極性取決于變形方向。壓電效應(yīng)可逆——振動源應(yīng)用：靜態(tài)力，壓力，動態(tài)和惡劣環(huán)境下力的測量。四電容式——把力的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化受力→電容極距變化→電容變化五電感式——把力的變化轉(zhuǎn)化為電感量的變化第七節(jié)霍爾式電流傳感器原理：霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：當(dāng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，有電流通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢。第八節(jié)信號調(diào)理電路作用：放大及變換濾波（噪聲抑制）隔離阻抗變換匹配一前置放大

1電壓跟隨器——放大倍數(shù)為1的運(yùn)放（1）電路：同相輸入,反相端直接連輸出端（2）特點(diǎn)：輸出電壓=輸入電壓輸入阻抗大：100MΩ

輸出阻抗?。?00Ω（3）作用：阻抗變換和匹配（1）電路圖3-28

反相端：輸入，同相端：接地，反饋元件：電容——輸出電壓與壓電傳感器的電荷成正比，與反饋電容成反比，（與引線電容和隔直點(diǎn)容無關(guān)）2，電荷放大器（—增益調(diào)節(jié)）3儀表放大器——差動放大器(1)電路圖3-30三個運(yùn)放組成

又∴==高輸入阻抗高共模抑制平衡的差動輸入增益外部電阻決定濾波電路必要性：電磁干擾產(chǎn)生噪聲抑制噪聲方法：接地、屏蔽、濾波濾波器分類：低通、高通、帶通、帶阻（2）一階有源低通濾波——加一級運(yùn)放，提高增益和帶負(fù)載能力。頻率特性：對數(shù)幅頻特性如圖3-32d2二階有源低通濾波

(1)電路圖3-33

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程得到

令S=jω,得頻率特性:對數(shù)幅頻特性如圖3-33：-40dB/10倍頻程（二）高通濾波——把濾波網(wǎng)絡(luò)中R和C對換，低通就變成高通了，二階高通濾波電路如圖3-34。（三）帶通濾波——低通和高通串聯(lián)起來，并讓，就形成了帶通。具有選頻功能，選擇性由Q表示，

—中心頻率，B—帶寬。（四）帶阻濾波（略）與帶通濾波器相反三交流載波測量電路場合：交流差動電橋測量電路：交流放大、同步解調(diào)、低通濾波作用：消除低頻系統(tǒng)噪聲、DC漂移、解調(diào)器噪聲，獲得與被測量成正比的信號關(guān)鍵：同步解調(diào)器

第九節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量：隨時間連續(xù)變化的量；測量過程：采樣→A/D→計算機(jī)采樣、量化、編碼采樣頻率：為使采樣信號能不失真地復(fù)原，采樣頻率必須高于信號最高頻率的二倍以上。量化誤差：采樣量化電路（即A/D電路）的位數(shù)決定了量化誤差。分辨率=，位數(shù)越多，誤差越小。

信號形式：（1）數(shù)字量：如旋狀變壓器輸出的轉(zhuǎn)角，經(jīng)轉(zhuǎn)角—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（IRDC-1730）后，直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)角的數(shù)字量（直接送給計算機(jī)）。（2）脈沖量：光電編碼器，光柵等把位移變成脈沖量（經(jīng)計數(shù)器→數(shù)字量→計算機(jī)）。（3）模擬量：直流測速發(fā)電機(jī)，壓電式，電阻式傳感器等產(chǎn)生，連續(xù)變化的模擬量（經(jīng)A/D→數(shù)字量→計算機(jī)）

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志方式：中斷、查詢、軟件延時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部分：（1）信號調(diào)理：多路轉(zhuǎn)換器、可調(diào)增益放大器、抗混疊濾波器（2）采樣/保持：采樣/保持器（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換：A/D，V/F，I/F（4）數(shù)模轉(zhuǎn)換：D/A（5）其他：定時/計數(shù)器，總線接口電路等一、多路開關(guān)1，采集系統(tǒng)對多路開關(guān)的要求對多個模擬通道分時轉(zhuǎn)換，每個模擬通道輸入信號前都有一個采樣保持器（緩變信號可省略）。要求：（1）開路阻抗無窮大、通路阻抗為0（2）切換速度快、噪聲小、壽命長、工作可靠類型：機(jī)械式、電子開關(guān)式2，典型多路選擇開關(guān)芯片AD7501：8個輸入，1個