伺服系統(tǒng)中的傳感器與檢測系統(tǒng)課件

計數(shù)型（二次型+計數(shù)型）

電壓，電流型（熱電偶,Cds電池）電感，電容型（可變電容）有接點型(微動開關，接觸開關，行程開關)電阻型（電位器，電阻應變片）二值型電量無接點型(光電開關，接近開關)模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉編碼器，磁尺）計數(shù)型（二次型+計數(shù)型）有12.2線位移檢測傳感器包括光柵位移傳感器、感應同步器、磁柵位移傳感器等。2.2.1光柵位移傳感器（1）光柵的結構在玻璃尺或玻璃盤進行長刻線（一般為10～12mm）的密集刻劃，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是光柵。光柵種類很多，按工作原理分為物理光柵和計量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者用于精密位移測量和精密機械自動控制等。計量光柵又分為長光柵和圓光柵。

長光柵主要用于測量長度，條紋密度有每毫米25、50、100、250條等。圓光柵也稱光柵盤，其刻線刻制在玻璃盤上，用來測量角度或角位移。2.2線位移檢測傳感器包括光柵位移傳感2光柵上的刻線稱為柵線（不透光），柵線寬度為a，縫隙（透光）寬度為b，一般取a=b，W（W=a+b）稱為光柵的柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)）。光柵上的刻線稱為柵線（不透光），柵線寬度為a，縫3（2）光柵傳感器的組成及工作原理光柵傳感器由光源、透鏡、主光柵（標尺光柵）、指示光柵和光電元件構成。光源和透鏡組成照明系統(tǒng)，光線經(jīng)過透鏡后成平行光投向光柵。主光柵與指示光柵在平行光照射下，形成莫爾條紋。光電元件主要有光電池和光敏晶體管，它把莫爾條紋的明暗強弱變化轉換為電量輸出。（2）光柵傳感器的組成及工作原理4主光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，主光柵可以接長。主光柵與指示光柵之間的距離d可以根據(jù)光柵的柵距進行選擇，一般取d=W2/λ，W為柵距，λ為有效光波長。測量系統(tǒng)的精度主要由主光柵的精度決定。主光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，主光柵可以接長5莫爾條紋是指當指示光柵與主光柵的柵線有一個微小的夾角θ時，由于擋光效應(當線紋密度≤50條/mm時)或光的衍射作用(當線紋密度≥100條/mm時)，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距W大的多的明暗相間的條紋，相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫爾條紋間距。莫爾條紋是指當指示光柵與主光柵的柵線有一個微小的夾角6當光柵之間的夾角θ很小，且兩光柵的柵距都為W時，莫爾條紋間距B（a-a間距）為：

K為放大倍數(shù)。由于θ值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為橫向莫爾條紋。

當光柵之間的夾角θ很小，且兩光柵的柵距都為W時，7莫爾條紋具有如下特點：1）運動對應關系：任意一個光柵沿垂直于柵線的方向每移動一個柵距W，莫爾條紋近似沿柵線方向移動一個條紋間距；光柵反方向移動時，莫爾條紋也作反方向移動。因此可以通過測量莫爾條紋的移動量和移動方向判斷主光柵（或指示光柵）的位移量和位移方向。2）位移放大：由于θ值很小，光柵具有位移放大作用，放大系數(shù)為：3）減小誤差：莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的。對光柵的刻線誤差有平均作用。個別柵線的柵距誤差或斷線等疵病對莫爾條紋的影響很小，從而提高了光柵傳感器的可靠性和測量精度。莫爾條紋具有如下特點：8通過前面的分析知道，主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋就變化一個周期2π，通過光電轉換元件，可將莫爾條紋的變化變成電信號，電壓的大小對應于與莫爾條紋的亮度，它的波形近似于一個直流分量和一個正弦波交流分量的疊加。 式中 W——柵距；

x——主光柵與指示光柵間瞬時位移；

U0——直流電壓分量；

Um——交流電壓分量幅值；

U——輸出電壓。通過前面的分析知道，主光柵每移動一個柵距W，9將該電壓信號放大、整形使其變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路轉換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積：將該電壓信號放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉換成脈沖信號10由于光柵傳感器只能產(chǎn)生一個正弦信號，因此不能判斷x移動的方向。為了能夠辨別方向，需要在間距為B/4的位置設置兩個光電元件，以得到兩個相位差為90°的正弦信號，然后將信號送到辨向電路中去處理。由于光柵傳感器只能產(chǎn)生一個正弦信號，因此不能判斷x11（a）（b）（a）（b）12當主光柵向左移動，莫爾條紋向上運動時，光電元件1和2分別輸出如前圖（a）所示的電壓信號u1、u2，經(jīng)過放大整形后得到相位相差90°的兩個方波信號u’1、u’2。u’1經(jīng)反相后得到方波u”1。u’1和u”1經(jīng)RC微分電路后得到兩組光脈沖信號u’1w和u”1w，分別加到與門Y1和Y2的輸入端。對與門Y1，由于u’1w處于高電平時u’2總是低電平，故脈沖被阻塞Y1無輸出。對與門Y2，u’1w處于高電平時u’2也正處于高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置“1”，可逆計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進行加法計數(shù)。同理，當主光柵反向移動時，輸出信號波形如圖（b）所示，與門Y2阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發(fā)器置“0”，可逆計數(shù)器對與門Y1輸出的脈沖進行減法計數(shù)。這樣每當光柵移動一個柵距時，辨向電路只輸出一個脈沖，計數(shù)器所計的脈沖數(shù)即代表光柵位移。當主光柵向左移動，莫爾條紋向上運動時，光電元件1和13若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測得比柵距更小的位移量，可以增加刻線密度，但這種方法制造、安裝及調(diào)試困難；采用細分技術：它是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出若干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當量的方法。在一個莫爾條紋的間隔內(nèi)，放置若干個光電元件，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n個脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨率為光142.2.2感應同步器（1)感應同步器結構感應同步器由兩個印刷電路繞組構成，類似于變壓器的初、次級繞組，又稱平面變壓器。相對位移會引起兩個繞組間的互感量變化，因此可以測量位移，分為直線型（直線位移）和圓盤型（角位移）。

直線型感應同步器的基本結構：

由定尺和滑尺組成——定尺安裝在固定部件上（如機床臺座），滑尺與運動部件（如機床刀架）一起沿定尺移動。繞組分布不同——定尺是連續(xù)繞組，滑尺是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差90

相角，又稱為正、余弦繞組。2.2.2感應同步器15節(jié)距節(jié)距16（2）感應同步器的工作原理定尺或滑尺其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應電動勢，該電動勢隨定尺與滑尺的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。再通過對此信號的處理，便可測量出直線位移量。定尺與滑尺間的氣隙應保持在0.25±0.05mm范圍內(nèi)。（2）感應同步器的工作原理定尺與滑尺間的氣隙應保持在0.217伺服系統(tǒng)中的傳感器與檢測系統(tǒng)課件18在滑尺上施加的正弦激磁電壓為：正弦或余弦繞組在定尺上相應產(chǎn)生的感應電勢分別為：式中：x—機械位移；W—繞組節(jié)距；正、負號表示滑尺移動的方向。在滑尺上施加的正弦激磁電壓為：正弦或余弦繞組在定尺上相應19感應同步器的輸出信號是一個反映定尺與滑尺相對位移的交變感應電勢，可以通過鑒相法或鑒幅法對輸出信號進行處理，得到位移信息。

鑒相法：根據(jù)感生電勢的相位鑒別位移量；在滑尺的正弦、余弦繞組上施加頻率相同、幅值相同、相位差為90

的交流電壓勵磁，即定尺輸出的總感應電勢為：將感生電勢輸入數(shù)字鑒相電路，可由相位得到位移。感應同步器的輸出信號是一個反映定尺與滑尺相對位移的交20鑒幅法：根據(jù)感生電勢的幅值鑒別位移量。在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、幅值不同的正弦勵磁電壓，即定尺繞組輸出的總感應電勢為：將感生電勢輸入數(shù)字鑒幅電路，可由幅值得到位移。鑒幅法：根據(jù)感生電勢的幅值鑒別位移量。21感應同步器的優(yōu)點：輸出信號不經(jīng)過機械傳動機構，有較高的精度與分辨力；基于電磁感應原理，幾乎不受溫度、油污、塵埃等影響，抗干擾能力強；定尺與滑尺是非接觸測量，使用壽命長，維護簡單；可以作長距離位移測量，行程從幾米到幾十米；工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。感應同步器的優(yōu)點：222.2.3磁柵式位移傳感器

（1）磁柵式位移傳感器的結構

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2.2.3磁柵式位移傳感器1—磁性膜2—基體3—23（2）原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應電壓為：U0——輸出電壓系數(shù)；

λ——磁尺上磁化信號的節(jié)距；χ——磁頭相對磁尺的位移；ω——勵磁電壓的角頻率。式中：

在實際應用中，需要采用雙磁頭結構來辨別移動的方向（2）原理：U0——輸出電壓系數(shù)；式中：在實際應用中，需要24（3)測量方式鑒幅測量方式:

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π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復雜的信頻電路，所以不常采用。（3)測量方式25鑒相測量方式：將一組磁頭的勵磁信號移相90°，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。鑒相測量方式：則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭262.3角位移檢測傳感器2.3.1旋轉變壓器（1）旋轉變壓器構成旋轉變壓器一般做成兩極電機的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90°。在轉子上有兩個輸出繞組——正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90°，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。2.3角位移檢測傳感器2.3.1旋轉變壓器27伺服系統(tǒng)中的傳感器與檢測系統(tǒng)課件28（2）工作原理旋轉變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉子組成。當以一定頻率（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，轉子繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系，或在一定轉角范圍內(nèi)與轉角成正比關系。前一種旋轉變壓器稱為正余弦旋轉變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉變壓器，適用于小角位移的相對測量。（2）工作原理29（3）測量方式當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，便可在轉子繞組中得到感應電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應電勢之和，即式中:k=w1/w2——旋轉變壓器的變壓比

w1、w2——轉子、定子繞組的匝數(shù)（3）測量方式式中:k=w1/w2——旋轉變壓器30線性旋轉變壓器實際上也是正余弦旋轉變壓器，不同的是線性旋轉變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉角范圍內(nèi)（一般為±60°），其輸出電壓和轉子轉角θ成線性關系。此時輸出電壓為（k取0.5時）線性旋轉變壓器實際上也是正余弦旋轉變壓器，不同的是312.3.2光電編碼器

角度編碼器是測量角位移的最直接、最有效的數(shù)字式傳感器，它把角位移直接轉換成脈沖或二進制編碼，分為增量編碼器（脈沖盤式）和絕對編碼器（碼盤式）。按結構分為光電式、接觸式和電磁式三種。光電式具有非接觸、體積小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特點，在數(shù)控機床、機器人位置控制等領域有廣泛應用。光電式編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼“0或1”——不透光或透光區(qū)域。2.3.2光電編碼器32四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為24=16個。每個數(shù)位都對應有一個光電器件及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應數(shù)字信號。標準二進制編碼器(8421碼盤)紅色不透光——“0”角度分辨率為：（1）絕對值編碼器四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編33由于光電器件安裝誤差的影響，當碼盤回轉在兩碼段邊緣交替位置時，就會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當碼盤由位置“0111”變?yōu)椤?000”時——四位數(shù)要同時變化，可能將數(shù)碼誤讀成1111、1011、1101、……、0001等，產(chǎn)生無法估計的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。實際絕對編碼器常采用二進制循環(huán)碼盤（格雷碼盤）；由于光電器件安裝誤差的影響，當碼盤回轉在兩碼段邊34任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即由“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)——有效消除非單值性誤差。格雷碼盤任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即由“0”變35碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有信號位處的光電元件有信號才能讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有信36（2）增量編碼器一般只有三個碼道，不直接輸出編碼。外碼道——產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道；內(nèi)碼道——辨向碼道，其辨向方法與光柵的辨向原理相同。中間碼道——開有一個窄縫，用于產(chǎn)生定位或零位信號。光電脈沖信號通過整形、放大、細分、辨向后輸出脈沖信號或顯示角位移，分辨率以每轉脈沖數(shù)表示。（2）增量編碼器光電脈沖信號通過整形、放大、細分、辨向后輸出37除了測量角位移，還可通過脈沖測量轉速。f為脈沖頻率：每轉產(chǎn)生N個脈沖，在T時間內(nèi)測得m個脈沖，則轉速為：每轉產(chǎn)生N個脈沖，測得兩相鄰脈沖間包含m2個時鐘脈沖，時鐘周期為Tc，則轉速為：除了測量角位移，還可通過脈沖測量轉速。f為脈沖頻率：38增量式編碼器結構增量式編碼器結構392.4速度、加速度傳感器2.4.1直流測速發(fā)電機

測速發(fā)電機的結構有多種，但原理基本相同。如圖所示為永磁式測速發(fā)電機原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當轉子在磁場中旋轉時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉換成正比的直流電勢。2.4速度、加速度傳感器2.4.1直流測速發(fā)電機40直流測速發(fā)電機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機軸上。有的電機本身就已安裝了測速發(fā)電機。當直流測速發(fā)電機的輸出端與測量電路構成回路后，直流測速發(fā)電機就相當于一個電源，感應電勢為電源電勢，電樞繞組的電阻值Ra相當于電源的內(nèi)阻，電刷之間的輸出電壓Ua的計算公式為：直流測速發(fā)電機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正41

2.4.2光電式速度傳感器

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為2.4.2光電式速度傳感器42光電式轉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，如下圖所示。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，當縫隙圓盤隨被測軸轉動時，圓盤每轉一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉速為光電式轉速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的43光源聚光帶縫隙圓盤光源聚光帶縫隙圓盤44

2.4.3加速度傳感器作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應，進一步轉化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應變片式和壓電式等。2.4.3加速度傳感器45

電阻應變式加速度計結構原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。電阻應變式加速度計結構原理如下圖所示。它由重塊、懸臂46壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應用較為廣泛。壓電加速度傳感器結構原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構的影響就472.5傳感器的正確選擇和使用2.5.1傳感器的選擇（1）測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。（2）傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負載效應、校正周期、輸入端保護等。（3）使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設備的連接、備件與維修服務等。2.5傳感器的正確選擇和使用2.5.1傳感器的選擇482.5.2傳感器的正確使用（1）線性化處理與補償在機電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進行顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關系，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。（2）傳感器的標定傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應關系，同時也確定不同使用條件下的誤差關系。傳感器使用前要進行標定，使用一段時間后還要定期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設計指標。2.5.2傳感器的正確使用49（3）抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，