機床中傳感器在伺服系統(tǒng)中的應用

第7章位移(wèiyí)傳感器7.1機械位移傳感器7.2光柵(guāngshān)位移傳感器7.3磁柵位移傳感器7.4接近傳感器7.5轉(zhuǎn)速傳感器7.6多普勒傳感器7.7液位傳感器7.8流量及流速傳感器精品資料7.1機械(jīxiè)位移傳感器精品資料7.1機械位移傳感器機械位移傳感器是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何學量的一種傳感器。根據(jù)傳感器的信號輸出形式，可以分為(fēnwéi)模擬式和數(shù)字式兩大類，如圖6-1所示。機械傳感器根據(jù)被測物體的運動形式可細分為(fēnwéi)線性位移傳感器和角位移傳感器。機械位移傳感器是應用最多的傳感器之一，品種繁多。精品資料機械位移傳感器數(shù)字式模擬式光柵(guāngshān)式磁柵式電位器式電阻(diànzǔ)應變式電容式螺旋管電感式差動變壓器式渦流式光電式霍耳器件式微波式超聲波式圖7.1機械位移傳感器的分類精品資料7.1.1電位器式位移傳感器1.電位器的基本概念圖7-2是電位器的結(jié)構(gòu)圖。它由電阻體、電刷、轉(zhuǎn)軸、滑動臂、焊片等組成，電阻體的兩端和焊片A、C相連，因此AC端的電阻值就是電阻體的總阻值。轉(zhuǎn)軸是和滑動臂相連的，在滑動臂的一端裝有電刷，它靠滑動臂的彈性(tánxìng)壓在電阻體上并與之緊密接觸，滑動臂的另一端與焊片B相連。精品資料圖7-2電位器的一般(yībān)結(jié)構(gòu)精品資料圖7-3是電位器電路圖。電位器轉(zhuǎn)軸上的電刷將電阻體電阻R0分為R12和R23兩部分，輸出電壓為U12。改變電刷的接觸位置(wèizhi)，電阻R12亦隨之改變，輸出電壓U12也隨之變化。常見用于傳感器的電位器有：線繞式電位器、合成膜電位器、金屬膜電位器、導電塑料電位器、導電玻璃釉電位器、光電電位器。精品資料圖7-3電位器電路(diànlù)精品資料2.電位器的主要技術(shù)參數(shù)(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達到的最大值和最小值；(2)電阻值變化規(guī)律，指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對數(shù)式、指數(shù)式、直線式等；(3)線性電位器的線性度，指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差；(4)滑動噪聲，指調(diào)電位器阻值時，滑動接觸點打火產(chǎn)生的噪聲電壓(diànyā)的大小。精品資料7.1.2電容式位移傳感器電容式位移傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面積式電容傳感器進行位移的測量。1.變極距式電容傳感器圖7-4是空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器工作原理圖。一個電極板固定(gùdìng)不動，稱為固定(gùdìng)極板，極板的面積為Ａ，另一極板可左右移動，引起極板間距離d相應變化。精品資料7-4變極距式電容(diànróng)傳感器工作原理圖精品資料變極距式電容傳感器的初始(chūshǐ)電容C0可由下式表示：C0=ε0A/d0

只要測出電容變化量⊿C，便可計算(jìsuàn)得到極板間距的變化量，即極板的位移量⊿d。除用變極距式電容傳感器測位移外，還可以用變面積式電容傳感器測角位移。精品資料7.1.3螺管式電感位移傳感器螺管式電感位移傳感器主要由螺管線圈和鐵芯組成，鐵芯插入線圈中并可來回移動。當鐵芯發(fā)生(fāshēng)位移時，將引起線圈電感的變化。線圈的電感量與鐵芯插入線圈的長度有如下的關(guān)系：

鐵芯隨被測物體一起移動，導致線圈(xiànquān)電感量發(fā)生變化。其檢測位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米。缺點是靈敏度低。精品資料7.1.4差動變壓器如圖7-6所示。初級線圈L1加交流勵磁電壓Uin，次級線圈上由于電磁感應而產(chǎn)生感應電壓。由于兩個(liǎnɡɡè)次級線圈相反極性串接，所以兩個(liǎnɡɡè)次級線圈中的感應電壓UOUT1和UOUT2的相位相反，當鐵芯處于中心對稱位置時，則UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。當鐵芯向兩端位移時，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值與鐵芯的位移成正比。精品資料圖7-6差動變壓器結(jié)構(gòu)(jiégòu)原理圖精品資料7.2光柵(guāngshān)位移傳感器精品資料7.2光柵位移傳感器7.2.1莫爾條紋由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學器件稱為光柵，如圖7-7所示。用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。光柵的刻痕密度一般為每厘米(límǐ)10、25、50、100線?？毯壑g的距離為柵距W。精品資料圖7-7光柵(guāngshān)結(jié)構(gòu)放大圖精品資料如果把兩塊柵距W相等的光柵(guāngshān)面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵(guāngshān)上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。如圖7-8所示。莫爾條紋是光柵(guāngshān)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7-8中d－d線區(qū)所示。圖7-8中f－f線區(qū)則是由于光柵(guāngshān)的遮光效應形成的。精品資料圖7-8莫爾條紋(tiáowén)精品資料莫爾條紋有兩個重要的特性：(1)當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(yídòng)。查看莫爾條紋的上下移動(yídòng)方向，即可確定主光柵左右移動(yídòng)方向。(2)莫爾條紋有位移的放大作用。當主光柵沿與刻線垂直方向移動(yídòng)一個柵距W時，莫爾條紋移動(yídòng)一個條紋間距B。當兩個等距光柵的柵間夾角θ較小時，主光柵移動(yídòng)一個柵距W，莫爾條紋移動(yídòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：精品資料

條紋間距(jiānjù)與柵距的關(guān)系為：

當θ角較小時，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當大。這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量(cèliáng)條紋的移動來檢測光柵的位移?？梢詫崿F(xiàn)高靈敏的位移測量(cèliáng)。精品資料7.2.2光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖7-9所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生移動。當主光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移。用光電器件記錄(jìlù)莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。精品資料圖7-9光柵(guāngshān)位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖精品資料7.2.3光柵位移傳感器的應用光柵位移傳感器：測量精度高（分辨率為0.1μm），動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm），可進行無接觸測量，容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化。在機械工業(yè)(gōngyè)中得到了廣泛的應用，特別是在量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控制、工作母機的坐標測量等方面。精品資料7.3磁柵位移(wèiyí)傳感器精品資料7.3磁柵位移傳感器磁柵是一種有磁化信息的標尺。它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長λ錄上磁性刻度(kèdù)線而構(gòu)成的。因此又把磁柵稱為磁尺。磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當于一個個小磁鐵按NS、SN、NS……的狀態(tài)排列起來，如圖7-10所示。精品資料圖7-10磁柵的基本(jīběn)結(jié)構(gòu)精品資料磁柵的種類可分為單型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。磁柵主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其它類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（1～20m）和磁信號可以(kěyǐ)重新錄制等優(yōu)點。缺點是需要屏蔽和防塵。磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7-11所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。精品資料圖7-11磁柵位移(wèiyí)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖精品資料當磁尺與磁頭之間產(chǎn)生相對(xiāngduì)位移時，磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組，在繞組中產(chǎn)生感應電壓。該電壓隨磁尺磁場強度周期的變化而變化，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。圖7-12是磁信號與靜態(tài)磁頭輸出信號波形圖。磁頭輸出信號經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成電脈沖信號并以數(shù)字形式顯示出來。精品資料圖7-12磁信號與磁頭(cítóu)輸出信號波形圖精品資料7.4接近(jiējìn)傳感器精品資料7.4接近傳感器接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。利用位移傳感器對所接近的物體具有的敏感特性來識別(shíbié)物體的接近，并輸出相應開關(guān)信號。通常又把接近傳感器稱為接近開關(guān)。常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍耳效應式、光電式、熱釋電式、多卜勒式、電磁感應式、微波式、超聲波式。精品資料7.4.1電容式接近傳感器電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)。由高頻振蕩電路(diànlù)、檢波電路(diànlù)、放大電路(diànlù)、整形電路(diànlù)及輸出電路(diànlù)組成，如圖7-13所示。被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多，電容C隨之增大，使振蕩電路(diànlù)的振蕩減弱，直至停止振蕩。振蕩電路(diànlù)的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路(diànlù)轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號向外輸出。精品資料圖7-13電容接近(jiējìn)傳感器的電路框圖精品資料7.4.2電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖7-14所示。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分。當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產(chǎn)生渦流而吸收振蕩能量，使振蕩減弱以至(yǐzhì)停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號輸出。精品資料圖7-14電感式接近傳感器工作原理(yuánlǐ)框圖精品資料7.4.3熱釋電紅外傳感器接近電路當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(fúhào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，稱為熱釋電效應。能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱熱釋電元件。熱釋電紅外傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應探測人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器。它用于防盜、報警、來客告之及非接觸開關(guān)等設備中。圖7-15為熱釋電紅外報警器電路，由熱釋電傳感器、濾波器、輸出轉(zhuǎn)換器、比較器、驅(qū)動器和報警電路組成。精品資料圖7-15熱釋電紅外報警器電路(diànlù)原理精品資料7.5轉(zhuǎn)速(zhuànsù)傳感器精品資料7.5轉(zhuǎn)速傳感器7.5.1磁電式轉(zhuǎn)速傳感器如圖7-16所示，由永久磁鐵、感應線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工(jiāgōng)有齒形凸起，磁盤裝在被測轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小的變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。感應線圈會感應出一定幅度的脈沖電勢，其頻率為：精品資料f=Z·n

根據(jù)測定的脈沖頻率，即可得知被測物體的轉(zhuǎn)速。如果磁電式轉(zhuǎn)速傳感器配接上數(shù)字電路，便可組成數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量儀，可直接讀出被測物體的轉(zhuǎn)速。當被測轉(zhuǎn)速很低時，輸出脈沖電勢的幅值很小，以致無法(wúfǎ)測量出來。所以，這種傳感器不適合測量過低的轉(zhuǎn)速，其測量轉(zhuǎn)速下限一般為50轉(zhuǎn)/秒左右，上限可達數(shù)百千轉(zhuǎn)/秒。精品資料圖7-16磁電式轉(zhuǎn)速(zhuànsù)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖精品資料7.5.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器圖7-17所示，由裝在輸入軸上的開孔盤、光源、光敏元件以及縫隙板所組成，輸入軸與被測軸相連接旋轉(zhuǎn)。從光源發(fā)射(fāshè)的光，通過開孔盤和縫隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光，產(chǎn)生脈沖信號，送測量電路計數(shù)，測得轉(zhuǎn)速。為了使每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)增加，以擴大應用范圍，需增加圓盤的開孔數(shù)目。目前多采用圖7-18所示的開縫隙盤結(jié)構(gòu)。光電脈沖變換電路如圖7-19所示。精品資料圖7-1７直射式光電轉(zhuǎn)速(zhuànsù)傳感器原理1—開孔盤2—縫隙板3—光敏元件4—光源精品資料圖7-18光電轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)1—光源(guāngyuán)2—透鏡3—指示盤4—旋轉(zhuǎn)盤5—光電元件精品資料圖7-19光電脈沖(màichōng)變換電路原理圖精品資料7.6多普勒傳感器精品資料7.6多普勒傳感器7.6.1多普勒效應假若發(fā)射機與接收機之間的距離發(fā)生變化，則發(fā)射機發(fā)射信號的頻率與接收機收到信號的頻率就不同。此現(xiàn)象是由奧地利物理學家多普勒發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)的，所以稱為多普勒效應。發(fā)射機發(fā)射出的無線電波向被測物體輻射，被測物體以速度v運動，如圖7-20（a）所示。被測物體做為接收機接收到的頻率為：

f1=f0+v/λ0

精品資料如果(rúguǒ)把f1做為反射波向接收機發(fā)射信號，如圖6-20（b）所示。接收機接收到的信號頻率為：f2=f1+v/λ1=f0+v/λ0+v/λ1

由于(yóuyú)被測物體的運動速度遠小于電磁波的傳播速度，則可近似認為：λ0=λ1

，則：f2=f0+2v/λ0

由多普勒效應產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即：

Fd=f2-f0=2v/λ0

精品資料圖7-20多普勒效應(xiàoyìng)示意圖精品資料7.6.2多普勒雷達測速被測物體的運動速度v可以用多普勒頻率(pínlǜ)來描述。多普勒雷達的電路原理如圖7-21所示。它由發(fā)射機、接收機、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。發(fā)射信號和接收到的回波信號經(jīng)混頻器混頻，兩者產(chǎn)生差頻輸出，差頻的頻率(pínlǜ)正好為多普勒頻率(pínlǜ)。Fd

＝2vcosθ/λ0＝Kv(Hz)

精品資料圖7-21多普勒雷達(léidá)檢測線速度工作原理圖精品資料7.7液位傳感器精品資料7.7液位傳感器液位傳感器按測定原理可分為：浮子式液位傳感器、平衡浮筒(fútǒng)式液位傳感器、壓差式液位傳感器、電容式液位傳感器、導電式液位傳感器、超聲波式液位傳感器、放射線式液位傳感器。精品資料7.7.1導電式水位傳感器如圖7-22所示。電極可根據(jù)檢測水位的要求進行升降調(diào)節(jié)，當水位低于檢知電極時，兩電極間呈絕緣(juéyuán)狀態(tài)，檢測電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為零。如果水位上升到與檢知電極端都接觸時，由于水有一定的導電性，因此測量電路中有電流流過，指示電路中的顯示儀表就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時在限流電阻兩端有電壓輸出。如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對供水系統(tǒng)進行自動控制。精品資料圖7-22導電(dǎodiàn)式水位傳感器基本工作原理圖精品資料圖7-23是一種實用的導電式水位檢測器的電路原理圖。電路主要由兩個運算放大器組成，IC1a運算放大器及外圍元件組成方波發(fā)生器，通過電容器C1與檢知電極相接。IC1b運算放大器與外圍元件組成比較器，以識別儀表水位的電信號狀態(tài)。采用發(fā)光二極管作為水位的指示。導電式水位傳感器，在日常工作和生活中應用很廣泛，它在抽水及儲水設備、工業(yè)(gōngyè)水箱、汽車水箱等方面均被采用。精品資料圖7-23導電(dǎodiàn)式水位檢測器電路原理圖精品資料7.7.2壓差(yāchà)式液位傳感器壓差(yāchà)式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準面上的壓力與液面到基準面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可得知液面的高度。如圖7-24所示，當儲液缸為開放型時，其基準面上的壓力由下式確定：P=ρ·h=ρ·（h1+h2）

精品資料圖7-24開放(kāifàng)罐測壓示意圖精品資料⊿P=P1-P2=ρ·（h1+h2）-ρ0·（h3+h2）=ρ·h1-(ρ0·h3+ρ0·h2

-

ρ·h2)

需要測定的是h1高度，因此移動壓力傳感器的零點，把零點提高ρ·h2,就可以得到壓力與液面高度h1成比例的輸出。當儲液缸為密封型時（見圖7-25），壓差、液位高度及零點的移動關(guān)系(guānxì)如下：同樣，只要(zhǐyào)移動壓差式傳感器的零點，就可以得到壓差與液面h1成比例的輸出。精品資料圖7-25密封罐測壓示意圖精品資料圖7-26是壓差式液位傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它由壓差傳感器和電路(diànlù)兩部分組成。壓差傳感器實際上是一個差動電容式壓力傳感器。它由動電極感壓膜片、固定電極隔壓膜片等組成。當被測的壓力差加在高壓側(cè)和低壓側(cè)的輸入口時，該壓力差經(jīng)隔液膜片的傳遞作用于感壓膜片上，感壓膜片便產(chǎn)生位移，從而使動電極與固定電極之間的電容量發(fā)生變化。精品資料圖7-26壓差(yāchà)式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖精品資料7.8流量(liúliàng)及流速傳感器精品資料7.8流量及流速傳感器流量及流速傳感器的種類(zhǒnglèi)有：電磁式流量傳感器、渦流式流量傳感器、超聲波式流量傳感器、熱導式流速傳感器、激光式流速傳感器、光纖式流速傳感器、浮子式流量傳感器、渦輪式流量傳感器、空間濾波器式流量傳感器。精品資料7.8.1電磁式流量傳感器1.電磁式流量傳感器的工作原理及使用如圖7-27所示，在勵磁線圈加上勵磁電壓后，絕緣導管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當導電性液體流經(jīng)絕緣導管時，電極上便會產(chǎn)生(chǎnshēng)如下式所示的電動勢：

管道內(nèi)液體流動的容積(róngjī)流量與電動勢的關(guān)系為：

可以通過對電動勢的測定，求出容積流量。

精品資料1-鐵芯2-電極(diànjí)3-絕緣導管4-勵磁線圈5-液體圖7-27電磁式流量計工作原理圖精品資料2.電磁式流速傳感器電路如圖7-