傳感器與信號處理

1、第1章 傳感器與信息處理傳感器的地位與作用1傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。 傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。2傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。廣泛的領(lǐng)域。3從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至從茫

2、茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器。可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。章節(jié)安排2.1傳感器與檢測系統(tǒng)的構(gòu)成2.2位移傳感器2.3速度傳感器2.4加速度傳感器2.5力和力矩傳感器2.6視覺傳感器2.7色彩傳感器2.8光電傳感器2.9其他傳感器2.10信號處理基礎(chǔ)知識定義、分類發(fā)展趨勢選用原則一般特性傳感器原理檢測技術(shù)溫度傳感器磁敏傳感器光電傳感器應(yīng)變傳感器電感傳感器電容傳感器壓電傳感器其

3、他傳感器多傳感器融合檢測電路現(xiàn)代檢測系統(tǒng)2-1傳感器與檢測系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器與檢測系統(tǒng)按照物理原理分類：電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等； 磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等；磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等； 壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器； 光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式； 熱電式

4、傳感器：熱電偶、熱電阻；熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻； 波式傳感器：超聲波式、微波式等；波式傳感器：超聲波式、微波式等；射線式傳感器：熱輻射式、射線式傳感器：熱輻射式、射線式；射線式；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動(dòng)變壓器、振弦式等。其他原理的傳感器：差動(dòng)變壓器、振弦式等。 有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式；合形式；如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。感器。按照傳感器的用途分類 ：位移位移速度速度加速度加速度力和力矩傳感器力和力矩

5、傳感器視覺傳感器視覺傳感器色彩傳感器色彩傳感器光電傳感器光電傳感器其他傳感器其他傳感器按照傳感器的用途分類 ：1.2.3.電位器、感應(yīng)電位器、感應(yīng)同步器、光柵、同步器、光柵、光電編碼器、光電編碼器、超聲波傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、電渦流傳感器、光纖傳感器光纖傳感器位移測速發(fā)電機(jī)、光纖多測速發(fā)電機(jī)、光纖多普勒速度計(jì)、霍爾式普勒速度計(jì)、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、電渦流轉(zhuǎn)速傳感器、電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器、空間式轉(zhuǎn)速傳感器、空間濾波器濾波器速度壓電式加速度壓電式加速度傳感器、傾斜傳感器、傾斜鏡式光纖加速鏡式光纖加速計(jì)計(jì)加速度4.5.

6、6.硅壓阻式硅壓阻式壓力傳感壓力傳感器、力矩器、力矩傳感器傳感器力和力矩光敏電阻、光敏電阻、光電二極光電二極管和光電管和光電三極管、三極管、紅外傳感紅外傳感器器光電傳感器溫度傳感器、溫度傳感器、氣敏傳感器氣敏傳感器其他傳感器檢測系統(tǒng)的組成傳感器和檢測系統(tǒng)的基本要求精度、靈敏度和分辨率高。精度、靈敏度和分辨率高。線形、穩(wěn)定性和重復(fù)性好，工作可靠線形、穩(wěn)定性和重復(fù)性好，工作可靠靜動(dòng)態(tài)特性好，測量范圍大靜動(dòng)態(tài)特性好，測量范圍大抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)體積小，質(zhì)量輕，操作簡便，價(jià)格便宜體積小，質(zhì)量輕，操作簡便，價(jià)格便宜傳感器的組成輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路被測量被

7、測量電電量量敏感元件敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。表表2-1 2-1 人體五感與傳感器（電五官）人體五感與傳感器（電五官）化學(xué)變化化學(xué)變化 電電PHPH計(jì)、微生物傳感器計(jì)、微生物傳感器舌舌味覺味覺氣體吸附氣體吸附 電

8、阻電阻 電電氣味傳感器氣味傳感器鼻鼻嗅覺嗅覺壓（力）壓（力） 電阻電阻 電電應(yīng)變計(jì)、壓敏元件應(yīng)變計(jì)、壓敏元件皮膚皮膚觸覺觸覺聲壓聲壓 電電微音器微音器耳耳聽覺聽覺光光 電電位置、速度位置、速度 電電CCDCCD編碼器編碼器眼眼視覺視覺物理量的變換物理量的變換傳感器舉例傳感器舉例感官感官人體感覺人體感覺2-2位移傳感器 2.2.1電位器電位器電位器分直線型和旋轉(zhuǎn)電位器分直線型和旋轉(zhuǎn)型。型。電位器的工作原理是將電位器的工作原理是將直線位移、轉(zhuǎn)角等機(jī)械直線位移、轉(zhuǎn)角等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電阻變化，當(dāng)量轉(zhuǎn)換成電阻變化，當(dāng)在電位器兩固定端加上在電位器兩固定端加上電源電壓后，則在電位電源電壓后，則在電位器電刷處就

9、可得到電壓器電刷處就可得到電壓的變化。的變化。電位器電位器 結(jié)構(gòu)簡單、體積小，動(dòng)態(tài)范圍寬，輸出信號結(jié)構(gòu)簡單、體積小，動(dòng)態(tài)范圍寬，輸出信號 大（一般不必放大），抗干擾能力強(qiáng)和精度大（一般不必放大），抗干擾能力強(qiáng)和精度 較高等特點(diǎn)，廣泛用于檢測各種回轉(zhuǎn)角度和較高等特點(diǎn)，廣泛用于檢測各種回轉(zhuǎn)角度和 角位移角位移。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 測量精度較低，以及轉(zhuǎn)速較高時(shí)，測量精度較低，以及轉(zhuǎn)速較高時(shí)， 轉(zhuǎn)軸與襯套間會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與襯套間會(huì)出現(xiàn)“卡死卡死”現(xiàn)象現(xiàn)象缺點(diǎn)缺點(diǎn)直線型電位器有滑線位移式和線繞位移式兩種 其中滑線位移式電位器的其中滑線位移式電位器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示結(jié)構(gòu)原理如圖所示 其中其中 是電阻絲的端電壓。是電阻絲

10、的端電壓。 當(dāng)拉桿隨待測物體往返運(yùn)當(dāng)拉桿隨待測物體往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷在電阻絲上亦動(dòng)時(shí)，電刷在電阻絲上亦往返滑動(dòng)，并輸出與位移往返滑動(dòng)，并輸出與位移量成正比的電壓量成正比的電壓 。 直線型電位器結(jié)構(gòu)簡單、直線型電位器結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。性能穩(wěn)定。 缺點(diǎn)是分辨率不高，易磨缺點(diǎn)是分辨率不高，易磨損。損。iU0U2.2.2感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測量直感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測量直線位移和角位移的傳感器。線位移和角位移的傳感器。 感應(yīng)同步器分直線式和圓盤式兩種。感應(yīng)同步器分直線式和圓盤式兩種。 分別用來測量直線位移和角位移。分別用來測量直線位移和角位移。 圖圖2-4和圖和圖2-5

11、所示分別是所示分別是直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器和和圓盤圓盤式感應(yīng)同步器式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)原理。的結(jié)構(gòu)原理。直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器 其結(jié)構(gòu)如圖，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨其結(jié)構(gòu)如圖，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成脹系數(shù)相近的鋼板制成 鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。法做成圖示的印刷繞組。 長尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，長尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放置，保持安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放置，保持0.250.05mm間隙。間隙。

12、感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距 滑尺和定尺的節(jié)距均為，這是衡量感應(yīng)同步器精滑尺和定尺的節(jié)距均為，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。度的主要參數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長，滑尺長100mm，節(jié)距為節(jié)距為2mm。 當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)作當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取決用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取決于滑尺和定尺的相對位置。于滑尺和定尺的相對位置。 直線感應(yīng)同步器的工作原理如圖直線感應(yīng)同步器的工作原理如圖2-62-

13、6所示所示 感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系 定 尺 滑 A 尺 B241 位 C221 置 D243 E 2 E A V2 M N 正弦繞組 余弦繞組 B D C O P 圖圖2-6 感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系 感應(yīng)電勢的大小取決于定尺和滑尺的空間相位角感應(yīng)電勢的大小取決于定尺和滑尺的空間相位角 滑尺移動(dòng)，感應(yīng)電勢下降，當(dāng)兩者剛好錯(cuò)開滑尺移動(dòng)，感應(yīng)電勢下降，當(dāng)兩者剛好錯(cuò)開1/4節(jié)節(jié)距時(shí)，到達(dá)距時(shí)，到達(dá)b點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電勢為點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電勢為0 滑尺繼續(xù)前進(jìn)，移動(dòng)到滑尺繼續(xù)前進(jìn)，移動(dòng)到1/2節(jié)距時(shí)的節(jié)距時(shí)的c位置，感應(yīng)

14、位置，感應(yīng)電勢與電勢與a位置相同，極性相反。當(dāng)?shù)竭_(dá)位置相同，極性相反。當(dāng)?shù)竭_(dá)3/4節(jié)距的節(jié)距的d點(diǎn)，又回到點(diǎn)，又回到0 到達(dá)到達(dá)e點(diǎn)剛好移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，情況與點(diǎn)剛好移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，情況與a相同。相同。 滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)同步器變化一周，即滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)同步器變化一周，即2 。 當(dāng)滑尺移動(dòng)當(dāng)滑尺移動(dòng)X時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢以時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢以 余弦變化，即余弦變化，即 也就是說也就是說 和和x有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。xx22 感應(yīng)同步器根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同以及感應(yīng)同步器根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同以及對輸出電壓的檢測方式不同對輸出電壓的檢測方式不同 分為鑒相測量和鑒幅測量。分為

15、鑒相測量和鑒幅測量。1. 鑒相型系統(tǒng) 供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相位相差幅值相同，相位相差90900 0的交流勵(lì)磁電壓的交流勵(lì)磁電壓 根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為 通過鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測量定尺通過鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位移。例如定尺感應(yīng)輸出電壓與和滑尺之間的相對位移。例如定尺感應(yīng)輸出電壓與滑尺勵(lì)磁電壓之間的相位差為滑尺勵(lì)磁電壓之間的相位差為3.63.60 0，當(dāng)節(jié)距，當(dāng)節(jié)距2mm2mm的的情況下，表明滑尺移動(dòng)了情況下，表明滑尺移動(dòng)了0.02m

16、m0.02mm。 tUUtUUmmcossincossin)sin(2coscoscossin2tKUtKUtKUUmmm感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖放大放大濾波濾波基準(zhǔn)信號基準(zhǔn)信號發(fā)生器發(fā)生器脈沖調(diào)相器脈沖調(diào)相器鑒相器鑒相器放大器放大器激磁激磁供電供電線路線路伺服伺服電機(jī)電機(jī)速度速度控制控制單元單元滑尺滑尺定尺定尺機(jī)床機(jī)床UsUc+x-x 鑒相式伺服系統(tǒng)利用相位比較原理進(jìn)行工作。鑒相式伺服系統(tǒng)利用相位比較原理進(jìn)行工作。 當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺沿一個(gè)方向位移時(shí)，當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺沿一個(gè)方向位移時(shí)，產(chǎn)生一列進(jìn)給脈沖產(chǎn)生一列進(jìn)給脈沖 經(jīng)脈沖調(diào)相器的調(diào)相分頻通道轉(zhuǎn)化為相位變經(jīng)脈沖調(diào)相器的調(diào)相分頻通道轉(zhuǎn)

17、化為相位變化信號化信號1，它作為指令信號送入鑒相器；，它作為指令信號送入鑒相器； 測量裝置及信號處理電路的作用是將工作臺測量裝置及信號處理電路的作用是將工作臺的位移量檢測出來的位移量檢測出來 并表達(dá)成與基準(zhǔn)信號之間的相位差并表達(dá)成與基準(zhǔn)信號之間的相位差2，也被，也被送入鑒相器送入鑒相器 這兩路信號都用它們與基準(zhǔn)信號之間的相位差表這兩路信號都用它們與基準(zhǔn)信號之間的相位差表示，且同頻率、同周期。示，且同頻率、同周期。 因此，它們兩者之間的相位差為因此，它們兩者之間的相位差為1 12 2。 鑒相器的作用就是鑒別出這兩個(gè)信號的相位差，鑒相器的作用就是鑒別出這兩個(gè)信號的相位差，并以與此相位差信號成正比的

18、電壓信號輸出。并以與此相位差信號成正比的電壓信號輸出。 如果相位差不為零，說明工作臺實(shí)際移動(dòng)的距離如果相位差不為零，說明工作臺實(shí)際移動(dòng)的距離不等于指令信號要求工作臺移動(dòng)的距離，鑒相器不等于指令信號要求工作臺移動(dòng)的距離，鑒相器檢測出的相位差，經(jīng)放大后，送入速度控制單元，檢測出的相位差，經(jīng)放大后，送入速度控制單元，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)工作臺向減少誤差的方向移動(dòng)。若驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)工作臺向減少誤差的方向移動(dòng)。若相位差為零，則表示感應(yīng)同步器的實(shí)際位置與給相位差為零，則表示感應(yīng)同步器的實(shí)際位置與給定指令位置相同，鑒相器輸出電壓為零，工作臺定指令位置相同，鑒相器輸出電壓為零，工作臺停止移動(dòng)。停止移動(dòng)。 2. 鑒幅式系

19、統(tǒng) 供給滑尺上正、余弦繞組的勵(lì)磁電壓的頻率供給滑尺上正、余弦繞組的勵(lì)磁電壓的頻率相同、相位相同，但幅值不同。相同、相位相同，但幅值不同。 式中式中給定的電氣角。給定的電氣角。 則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為 式中式中 與位移對應(yīng)的角度。與位移對應(yīng)的角度。 tUUtUUmmsincossinsincossinsinsincoscossinsin2tKUtKUUmmtKUUmsinsin2 鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號反映機(jī)械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進(jìn)

20、行比較構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。與指令信號進(jìn)行比較構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 可知，若電氣角可知，若電氣角。已知，只要測出。已知，只要測出U U2 2的幅值，的幅值，便能求出與位移對應(yīng)的角度便能求出與位移對應(yīng)的角度 。 實(shí)際測量時(shí)，不斷調(diào)整實(shí)際測量時(shí)，不斷調(diào)整 ，讓幅值為零。，讓幅值為零。 設(shè)初始位置時(shí)，設(shè)初始位置時(shí)， = = ，U U2 20 0，當(dāng)滑尺相對，當(dāng)滑尺相對定尺移動(dòng)后，隨著定尺移動(dòng)后，隨著不斷增加，不斷增加， ， U U2 2 0 0 。 若逐漸改變?nèi)糁饾u改變值，直至值，直至 = = ，U U2 20 0，此時(shí)，此時(shí)的變化量就代表了的變化量就代表了對應(yīng)的位移量，就可測得對應(yīng)的位移量，就可測得機(jī)械

21、位移。機(jī)械位移。 鑒幅式系統(tǒng)的工作原理 進(jìn)入比較器的信號有兩路進(jìn)入比較器的信號有兩路 一路來自進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機(jī)床一路來自進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機(jī)床工作臺移動(dòng)的位移量。工作臺移動(dòng)的位移量。 另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實(shí)際移動(dòng)的距離。式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實(shí)際移動(dòng)的距離。感應(yīng)同步器的特點(diǎn)感應(yīng)同步感應(yīng)同步器的器的特點(diǎn)特點(diǎn)2測量長度測量長度不受影響不受影響1精度高精度高3對環(huán)境的對環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng)適應(yīng)力強(qiáng)4維護(hù)簡單、維護(hù)簡單、壽命長壽命長2.2.3 光柵 在高精度的位置檢測系統(tǒng)中，大量使用光柵作為反饋元在

22、高精度的位置檢測系統(tǒng)中，大量使用光柵作為反饋元件。件。 光柵是利用莫爾條紋現(xiàn)象將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)光柵是利用莫爾條紋現(xiàn)象將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的精密測量裝置字脈沖的精密測量裝置 常見的光柵分為長光柵和圓光柵兩種，分別用于測量直常見的光柵分為長光柵和圓光柵兩種，分別用于測量直線位移和角位移。線位移和角位移。 光柵的精度比較高，可達(dá)光柵的精度比較高，可達(dá) 。m1光柵根據(jù)制造方法和光學(xué)原理的不同分為以下兩種： 透射光柵透射光柵 在磨制的光學(xué)玻璃或玻璃表面感光材在磨制的光學(xué)玻璃或玻璃表面感光材料的涂層上刻有光柵或紋，利用光的透射現(xiàn)象料的涂層上刻有光柵或紋，利用光的透射現(xiàn)象進(jìn)行檢測。進(jìn)行

23、檢測。 反射光柵反射光柵 用不銹鋼帶經(jīng)照相腐蝕或直接刻線制用不銹鋼帶經(jīng)照相腐蝕或直接刻線制成，利用光的反射現(xiàn)象進(jìn)行檢測。成，利用光的反射現(xiàn)象進(jìn)行檢測。透射光柵 反射光柵光柵的結(jié)構(gòu)原理圖如圖光柵的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 光柵尺由主光柵和指示光柵組成光柵尺由主光柵和指示光柵組成 主光柵和指示光柵上面均勻地刻上許多線紋，主光柵和指示光柵上面均勻地刻上許多線紋，形成明暗交錯(cuò)的線條。形成明暗交錯(cuò)的線條。 主光柵和指示光柵平行安裝，并使指示光柵相主光柵和指示光柵平行安裝，并使指示光柵相對主光柵傾斜一個(gè)很小的角度對主光柵傾斜一個(gè)很小的角度，用于產(chǎn)生莫，用于產(chǎn)生莫爾條紋。爾條紋。 若光柵的柵距為若光柵的柵距為W W，

24、相鄰兩莫爾條紋的間距為，相鄰兩莫爾條紋的間距為B B。則。則它們之間滿足如下關(guān)系它們之間滿足如下關(guān)系2 sinWWB （2-3） 上式表明，莫爾條紋的間距B只有光柵節(jié)距W的1/倍。當(dāng)很小時(shí)，莫爾條紋的間距比光柵節(jié)距W放大了很多倍。 例如，W=0.001mm，=0.01rad，莫爾條紋間距B=0.1mm。放大倍數(shù)為B/W=100。這表明光柵具有光學(xué)放大作用，可大大簡化電子放大電路。2 sinWWB光柵中心位置調(diào)整原理動(dòng)畫掃描光柵演示光柵動(dòng)畫莫爾條紋具有以下特征：用平行光照射光柵時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)近似正弦分布。光放大作用。平均效應(yīng) 莫爾條紋是由若干光柵條紋形成的，個(gè)別柵線的間距誤差就是平均化了，莫

25、爾條紋的節(jié)距誤差取決于光柵刻線的平均誤差。莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對移動(dòng)相對應(yīng)，即兩光柵尺相對移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)節(jié)距B。莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵尺移動(dòng)方向互相垂直。 補(bǔ)充：補(bǔ)充：應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)） P1 P2 P3 P4 指示光柵 標(biāo)尺光柵 硅光電池 聚光鏡 光源 光柵測量系統(tǒng)當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度寬度假定我們開辟一個(gè)小窗口來觀察莫爾條紋的變化假定我們開辟一個(gè)小窗口來觀察莫爾條紋的變化情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)周期了一個(gè)周期理論上光柵

26、亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波。個(gè)正弦波。原理硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號變?yōu)橥l率的電壓信號，硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號變?yōu)橥l率的電壓信號，經(jīng)光柵位移經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺的移動(dòng)距離。通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺的移動(dòng)距離。 亮度 電壓 光柵的實(shí)際亮度變化 光柵

27、的輸出波形圖光柵位移 O 光柵位移 采用一個(gè)光電元件即只開一個(gè)窗口觀察，只能計(jì)數(shù)，卻無法判斷移動(dòng)方向。因?yàn)闊o論莫爾條紋上移或下移，從一固定位置看其明暗變化是相同的。為了確定運(yùn)動(dòng)方向，至少要放置兩個(gè)光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以兩個(gè)光電元件所獲得的電信號雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向。增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置的精度，但增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置的精度，但制造較困難，成本高。制造較困難，成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測量精度，同時(shí)又能達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測量

28、精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來提高光柵的分辨精度來提高光柵的分辨精度如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，每隔每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)了動(dòng)了1/4柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。這就是四倍頻方案。a) 原理電路圖 圖圖a a中的中的P P1 1、P P2 2、P P3 3、P P4 4是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號相是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號相位彼此相差位彼此相差9

29、090o o。 P P1 1、P P3 3信號是相位差信號是相位差180180o o的兩個(gè)信號，接差動(dòng)放大器放的兩個(gè)信號，接差動(dòng)放大器放大，得正弦信號。大，得正弦信號。 同理，同理，P P2 2、P P4 4信號送另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到余弦信號。信號送另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到余弦信號。 正弦和余弦信號經(jīng)整形變成方波正弦和余弦信號經(jīng)整形變成方波A A和和B B，為使每隔，為使每隔1/41/4節(jié)距節(jié)距都有脈沖，把都有脈沖，把A A、B B各自反向一次得各自反向一次得C C、D D信號，信號，A A、B B、C C、D D信號再經(jīng)微分變成窄脈沖信號再經(jīng)微分變成窄脈沖AA、BB、CC、DD，即在，即在正

30、走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門電路正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門電路把把0o0o、90o90o、180o180o、270o270o四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向或反向脈沖。來，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向或反向脈沖。正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門Y1Y4及或門及或門H1，得到，得到AB+AD+CD+BC的四的四個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，用與門用與門Y5Y8及或門及或門H2，得到得到BC+ CD+AD+ AB的四個(gè)輸出脈沖，其波形的四個(gè)輸出脈沖，其波形見圖見圖b。 sin cos A

31、B C D A B C D 正向 相加AB+AD+CD+BC反向 相加BC+CD+AD+AB四倍頻辨向電路四倍頻辨向電路 b) 波形圖波形圖 若光柵柵距若光柵柵距0.01mm，則工作臺每移動(dòng)，則工作臺每移動(dòng)0.0025mm，就會(huì)送出一個(gè)脈沖，即分辨率為就會(huì)送出一個(gè)脈沖，即分辨率為0.0025mm。 由此可見，光柵檢測系統(tǒng)的分辨力不僅取決于光由此可見，光柵檢測系統(tǒng)的分辨力不僅取決于光柵尺的柵距，還取決于鑒向倍頻的倍數(shù)。柵尺的柵距，還取決于鑒向倍頻的倍數(shù)。 除四倍頻以外，還有十倍頻、二十倍頻等。除四倍頻以外，還有十倍頻、二十倍頻等。 2.2.4 光電編碼器 碼盤式角位移傳感器是一種檢測軸角位移的直

32、接碼盤式角位移傳感器是一種檢測軸角位移的直接方法方法 分絕對式編碼盤和增量式編碼盤兩種。分絕對式編碼盤和增量式編碼盤兩種。 絕對式編碼盤能夠直接給出對應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角位置絕對式編碼盤能夠直接給出對應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角位置的二進(jìn)制數(shù)碼，便于計(jì)算機(jī)處理。的二進(jìn)制數(shù)碼，便于計(jì)算機(jī)處理。 增碼式編碼器結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、精度易于保證。增碼式編碼器結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、精度易于保證。因此目前使用廣泛。因此目前使用廣泛。絕對式編碼器 絕對式編碼器絕對式編碼器采用光碼盤采用光碼盤的最大特點(diǎn)是的最大特點(diǎn)是非接觸式非接觸式的。的。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：使用壽使用壽命長，可靠性命長，可靠性高，其精度和高，其精度和分辨率取決于分辨率取決于光碼

33、盤的精度光碼盤的精度和分辨率和分辨率 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，光源為復(fù)雜，光源壽命較短壽命較短。 增量式編碼器 增量式光電編碼器通過對產(chǎn)生的方波脈沖進(jìn)行計(jì)增量式光電編碼器通過對產(chǎn)生的方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測旋轉(zhuǎn)角。數(shù)來檢測旋轉(zhuǎn)角。增量式光電編增量式光電編碼器是非接觸碼器是非接觸的，有壽命長的，有壽命長、功耗低和耐、功耗低和耐振動(dòng)等特點(diǎn)振動(dòng)等特點(diǎn) 廣泛廣泛運(yùn)用于運(yùn)用于角角度、距離、位度、距離、位置、轉(zhuǎn)速等的置、轉(zhuǎn)速等的檢測檢測 一、絕對編碼器 a) b)四位二進(jìn)制編碼盤四位二進(jìn)制編碼盤由圖可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高由圖可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外

34、。其分辨角位在內(nèi)，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o若是若是n位二進(jìn)制碼盤，就有位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，分辨角圈碼道，分辨角360o/2n碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增多。多。目前接觸式碼盤一般可以做到目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤位二進(jìn)制，光電式碼盤可以做到可以做到18位二進(jìn)制。位二進(jìn)制。用二進(jìn)制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)用二進(jìn)制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值

35、誤差。使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。當(dāng)電刷由位置當(dāng)電刷由位置01110111向向10001000過渡時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)從過渡時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)從8 8（10001000）到）到1515（11111111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱）之間的讀數(shù)誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。 二、增量式脈沖編碼器u 增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。式三種。u就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種它兩種u光電式脈沖

36、編碼器的型號是用脈沖數(shù)光電式脈沖編碼器的型號是用脈沖數(shù)/ /轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)（p/rp/r）來區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用來區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用20002000、25002500、3000p/r3000p/r等，等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)1010萬個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖萬個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。u光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為連，或通過減速比為i i的減速齒輪，然后與

37、滾珠絲的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連。杠相連。光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖圖 光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成。圓盤、光電元件和信號處理電路等組成。 光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。在上面制成向心透光窄縫。 透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。條不等。 圓盤也用玻璃材料研

38、磨拋光制成，其透光窄縫為圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。 光電盤與工作軸連在一起光電盤與工作軸連在一起 ，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元過一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。和微分處理后，輸出脈沖信號。 通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈通過記錄脈沖的數(shù)目，就

39、可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求沖的變化率，即單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。出速度。2.2.5 超聲波傳感器 超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器它將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波，它將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波，或者由超聲波能量轉(zhuǎn)化為電振蕩，超聲波傳感器分或者由超聲波能量轉(zhuǎn)化為電振蕩，超聲波傳感器分發(fā)送器和接受器，它們分別將電能轉(zhuǎn)化為超聲波以發(fā)送器和接受器，它們分別將電能轉(zhuǎn)化為超聲波以及超聲波轉(zhuǎn)化為電能。及超聲波轉(zhuǎn)化為電能。超聲波傳感器用超聲波來檢測距離超聲波傳感器用超聲波來檢測距離其工作原理如下：有

40、發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)超其工作原理如下：有發(fā)射器發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波碰到物體后反射回來，被接收器接收，同聲波碰到物體后反射回來，被接收器接收，同時(shí)測定超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間為時(shí)測定超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間為T T因此，測量的距離因此，測量的距離L L為：為：2aTL 測量的距離測量的距離L L為為式中式中aa超聲波速度，超聲波速度，m/s;m/s; T T一個(gè)來回的時(shí)間，一個(gè)來回的時(shí)間，s. s.由于超聲波在空氣中傳播與溫度有關(guān)，因此由于超聲波在空氣中傳播與溫度有關(guān)，因此a a是變是變化的。另外，超聲波的定向性較差，測量精度不化的。另外，超聲波的定向性較差，測量精度不高。高。同超聲波類似，激光

41、距離傳感器也是利用此原理同超聲波類似，激光距離傳感器也是利用此原理工作的。工作的。2aTL 2.2.6電渦流傳感器 電渦流傳感器是建立在電渦流效應(yīng)原理上的傳感電渦流傳感器是建立在電渦流效應(yīng)原理上的傳感器。器。 電渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏電渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、體積小度高、測量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 對物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量可以實(shí)現(xiàn)非對物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量。接觸測量。 圖圖2-13所所示為電渦流示為電渦流效應(yīng)原理。效應(yīng)原理。 根據(jù)基爾霍夫定律，可以列根據(jù)基爾霍夫定律

42、，可以列出如下的方程出如下的方程 求解方程可得到線圈由于受求解方程可得到線圈由于受電渦流效應(yīng)影響的復(fù)阻抗為電渦流效應(yīng)影響的復(fù)阻抗為1 11 12112 22 20R IjwL IjwMIUjwMIR IjwL I222212122222222222()w Mw MZRRj wLwLRw LRw L 一般來說，傳感器線圈的阻抗變化與被測金屬的一般來說，傳感器線圈的阻抗變化與被測金屬的性質(zhì)（電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率等）、傳感器線圈的半徑性質(zhì)（電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率等）、傳感器線圈的半徑r r、激勵(lì)電流的大小與頻率以及傳感器線圈的自感量激勵(lì)電流的大小與頻率以及傳感器線圈的自感量L1L1，電阻值，電阻值R1R1和它與被

43、測金屬間的距離和它與被測金屬間的距離x x有關(guān)。圖有關(guān)。圖2-142-14所示為電渦流效應(yīng)的等效電路。所示為電渦流效應(yīng)的等效電路。電渦流傳感器的靈敏度受到下列因素的影響受被測物體材料特性的影響受被測物體材料特性的影響 被測物體的被測物體的電導(dǎo)率越電導(dǎo)率越高，靈敏度越高高，靈敏度越高。如果被測物體是磁性材料，渦。如果被測物體是磁性材料，渦流耗損很大而靈敏度下降。因此在實(shí)際的測試中，流耗損很大而靈敏度下降。因此在實(shí)際的測試中，往往需要將待測物體的殘磁去掉再進(jìn)行測量。往往需要將待測物體的殘磁去掉再進(jìn)行測量。受被測物體的形狀和大小的影響受被測物體的形狀和大小的影響 一般被測物體的一般被測物體的半徑應(yīng)大

44、于線圈外徑的半徑應(yīng)大于線圈外徑的1.8倍，才不影響傳感器的倍，才不影響傳感器的靈敏度。靈敏度。受工作頻率的影響受工作頻率的影響 工作頻率升高，傳感的靈敏度工作頻率升高，傳感的靈敏度提高。提高。在傳感器周圍的磁場范圍內(nèi)不應(yīng)該有非待測金屬在傳感器周圍的磁場范圍內(nèi)不應(yīng)該有非待測金屬存在，否則影響傳感器的靈敏度。存在，否則影響傳感器的靈敏度。 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為 線圈等效電感線圈等效電感L L的變化使并聯(lián)諧振回路的諧振頻的變化使并聯(lián)諧振回路的諧振頻率率f f發(fā)生變化，從而將被測量轉(zhuǎn)換為電壓或電流發(fā)生變化，從而將被測量轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。信號輸出。 目前電渦流傳感器所

45、配用的諧振電路有調(diào)幅式、目前電渦流傳感器所配用的諧振電路有調(diào)幅式、調(diào)頻式和電橋式調(diào)頻式和電橋式3 3種。種。12fLC 調(diào)頻就是用被測量的變化去改變激勵(lì)信號的工作調(diào)頻就是用被測量的變化去改變激勵(lì)信號的工作頻率，使其隨被測量的變化而變化。頻率，使其隨被測量的變化而變化。 電渦流的電感線圈作為激勵(lì)振蕩器的一個(gè)元件。電渦流的電感線圈作為激勵(lì)振蕩器的一個(gè)元件。 線圈電感量的變化可以直接使振蕩器的振蕩頻率線圈電感量的變化可以直接使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。 圖圖2-16為調(diào)頻式諧振電路的原理框圖。為調(diào)頻式諧振電路的原理框圖。2.2.6光纖傳感器 （應(yīng)用動(dòng)畫1、2、）

46、 光纖傳感器是一光纖傳感器是一種新型的光電傳種新型的光電傳感器，具有感器，具有抗電抗電磁干擾能力強(qiáng)、磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)靈敏度高、響應(yīng)快、便于遠(yuǎn)距離快、便于遠(yuǎn)距離遙測的遙測的特點(diǎn)，是特點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前一種很有發(fā)展前途的傳感器。途的傳感器。光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖2-182-18所所示。示。光纖是由很小直徑的分層玻光纖是由很小直徑的分層玻璃或塑料圓柱構(gòu)成。璃或塑料圓柱構(gòu)成。圓柱體的中心是纖芯，用某圓柱體的中心是纖芯，用某種類型的玻璃或塑料制成。種類型的玻璃或塑料制成。環(huán)形纖芯的圓柱形套層，稱環(huán)形纖芯的圓柱形套層，稱為包層。包層材料的折射率為包層。包層材料的折射率略低于纖芯

47、材料。略低于纖芯材料。最后一層是護(hù)套，包裹著纖最后一層是護(hù)套，包裹著纖芯和包層。芯和包層。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性能，而光纖的強(qiáng)和包層的性能，而光纖的強(qiáng)度則是由塑料制成的護(hù)套來度則是由塑料制成的護(hù)套來維持。維持。纖芯纖芯包層包層涂覆層涂覆層護(hù)套護(hù)套 光纖在光纖傳感器中既作敏感元件，又作傳輸光纖在光纖傳感器中既作敏感元件，又作傳輸單元。單元。 圖圖2-192-19為基本的光纖線路。為基本的光纖線路。光纖傳輸原理利用了光的反射 光纖通信的原理是基于光線由光密介質(zhì)進(jìn)入光光纖通信的原理是基于光線由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，在入射角足夠大的情況下會(huì)發(fā)生疏介質(zhì)時(shí)，在入射角足

48、夠大的情況下會(huì)發(fā)生全全反射反射，即光波能量幾乎全部反射，這樣才可以，即光波能量幾乎全部反射，這樣才可以達(dá)到長距離高速傳輸?shù)哪康摹＿_(dá)到長距離高速傳輸?shù)哪康?。光纖傳感器在易燃易爆場合的應(yīng)用光纖傳感器在易燃易爆場合的應(yīng)用控控 制制 室室光光 纖纖各類油罐各類油罐參數(shù)檢測參數(shù)檢測壓力容器壓力容器參數(shù)檢測參數(shù)檢測核工業(yè)環(huán)境參核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測數(shù)檢測煤礦中煤礦中CH4等等參數(shù)檢測參數(shù)檢測高電壓、強(qiáng)電磁場干擾場合的應(yīng)用控控 制制 室室光光 纖纖高壓高壓變壓器變壓器高壓高壓電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)強(qiáng)電磁干擾電強(qiáng)電磁干擾電氣設(shè)備氣設(shè)備微波微波設(shè)備設(shè)備光纖微位移傳感器Y Y形光纖傳感器測量微位移的原理形光纖傳感器測量微位移的

49、原理將將傳輸傳輸和和接收接收的兩路的兩路光導(dǎo)纖維束扎在一起，從傳輸纖維發(fā)射出的光經(jīng)被測光導(dǎo)纖維束扎在一起，從傳輸纖維發(fā)射出的光經(jīng)被測對象反射后，由接收纖維傳輸回原端的光敏元件上，對象反射后，由接收纖維傳輸回原端的光敏元件上，光敏元件檢測的光量會(huì)隨著傳感器端面和被測對象端光敏元件檢測的光量會(huì)隨著傳感器端面和被測對象端面的相對位置而變化。面的相對位置而變化。發(fā)送光纖束發(fā)送光纖束接受光纖束接受光纖束被測物被測物一般用來測一般用來測量小位移量小位移Y形光纖傳感器測量微位移的原理圖位移位移X反射光強(qiáng)反射光強(qiáng)x發(fā)送光纖束發(fā)送光纖束接受光纖束接受光纖束反射面反射面接收端反射光強(qiáng)與位移接收端反射光強(qiáng)與位移S的

50、關(guān)系曲線如圖的關(guān)系曲線如圖2-22所示。所示。2.3速度傳感器 測速發(fā)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作檢測元件，可以測速發(fā)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作檢測元件，可以將電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。將電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。輸出電壓的大小反映機(jī)械轉(zhuǎn)速的高低，輸出電壓輸出電壓的大小反映機(jī)械轉(zhuǎn)速的高低，輸出電壓的極性反映電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。的極性反映電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 測速發(fā)電機(jī)有交、直流兩種形式。測速發(fā)電機(jī)有交、直流兩種形式。自動(dòng)控制系統(tǒng)要求：自動(dòng)控制系統(tǒng)要求：（1）測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓必須精確、迅速地與）測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓必須精確、迅速地與轉(zhuǎn)速成正比。轉(zhuǎn)速成正比。（2）輸出電勢與轉(zhuǎn)速比

51、的斜率大）輸出電勢與轉(zhuǎn)速比的斜率大1、交流測速發(fā)電機(jī) 異步測速發(fā)電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一異步測速發(fā)電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種交流測速發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)種交流測速發(fā)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)相似。相似。 它主要由定子、轉(zhuǎn)子組成，根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同它主要由定子、轉(zhuǎn)子組成，根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為籠式轉(zhuǎn)子和空心杯轉(zhuǎn)子兩種。分為籠式轉(zhuǎn)子和空心杯轉(zhuǎn)子兩種。 空心杯轉(zhuǎn)子的應(yīng)用較多，它由電阻率較大、溫度空心杯轉(zhuǎn)子的應(yīng)用較多，它由電阻率較大、溫度系數(shù)較小的非磁性材料制成，以使測速發(fā)電機(jī)的系數(shù)較小的非磁性材料制成，以使測速發(fā)電機(jī)的輸出特性線性度好、精度高。杯壁通常只有輸出特性線性

52、度好、精度高。杯壁通常只有0.2mm0.3mm的厚度，轉(zhuǎn)子較輕以使測速發(fā)電的厚度，轉(zhuǎn)子較輕以使測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較小。機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較小。2、直流測速發(fā)電機(jī) 原理如圖原理如圖2-242-24所示所示 當(dāng)直流測速發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)，電樞的旋轉(zhuǎn)線圈便當(dāng)直流測速發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)，電樞的旋轉(zhuǎn)線圈便會(huì)產(chǎn)生電流，破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性度。會(huì)產(chǎn)生電流，破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性度。 因此，為了保證直流測速發(fā)電機(jī)的測速精度，應(yīng)因此，為了保證直流測速發(fā)電機(jī)的測速精度，應(yīng)盡可能使測速發(fā)電機(jī)在低負(fù)載下工作，即工作在盡可能使測速發(fā)電機(jī)在低負(fù)載下工作，即工作在轉(zhuǎn)速變化范圍小而負(fù)載電阻較大轉(zhuǎn)速變化范圍小而負(fù)載電阻較大的場合

53、。的場合。 測速發(fā)電機(jī)有線性度好、靈敏度高和輸出信號強(qiáng)測速發(fā)電機(jī)有線性度好、靈敏度高和輸出信號強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于工業(yè)自動(dòng)檢測和自動(dòng)調(diào)節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于工業(yè)自動(dòng)檢測和自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。檢測范圍機(jī)轉(zhuǎn)速。檢測范圍2020400r/min,400r/min,精度精度0.2%0.2%0.5%0.5%。2.3.2光纖多普勒速度計(jì) 在光纖傳感器中，根據(jù)頻率調(diào)制原理可以制作光在光纖傳感器中，根據(jù)頻率調(diào)制原理可以制作光纖多普勒速度計(jì)。纖多普勒速度計(jì)。 頻率調(diào)制基于多普勒效應(yīng)。頻率調(diào)制基于多普勒效應(yīng)。 由于光的傳播不依賴于彈性介質(zhì)。因此光的多普由于光的傳播不依賴于彈性介質(zhì)。因此光的多普勒效應(yīng)是研究光源和被測

54、者之間的相對運(yùn)動(dòng)對接勒效應(yīng)是研究光源和被測者之間的相對運(yùn)動(dòng)對接收光的頻率所產(chǎn)生的影響。收光的頻率所產(chǎn)生的影響。 如果頻率為如果頻率為f的光入射到相對于探測器速度為的光入射到相對于探測器速度為v的運(yùn)動(dòng)物體上，則從運(yùn)動(dòng)物體反射的光頻率近的運(yùn)動(dòng)物體上，則從運(yùn)動(dòng)物體反射的光頻率近似為似為 式中式中fs 接收光的頻率，接收光的頻率，Hz； C光波波速，光波波速，m/s.(1)1sfvffvcc多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)（Doppler effectDoppler effect）是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家）是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴及數(shù)學(xué)家克里斯琴約翰約翰多普勒（多普勒（Christian

55、Johann Christian Johann DopplerDoppler）而命名的，他于）而命名的，他于18421842年首先提出了這一理論。年首先提出了這一理論。多普勒認(rèn)為，物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)多普勒認(rèn)為，物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長變得動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高較短，頻率變得較高 ( (藍(lán)移藍(lán)移 (blue shift)(blue shift)。在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低率變得較低 ( (

56、紅移紅移 (red shift)(red shift)。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅根據(jù)光波紅/ /藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動(dòng)的速度。運(yùn)動(dòng)的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運(yùn)動(dòng)的恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運(yùn)動(dòng)的速度。速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。的程度一般都很小。所有波動(dòng)現(xiàn)象所有波動(dòng)現(xiàn)象 (包括光波包括光波) 都存在多普勒效應(yīng)。都存在多普勒效應(yīng)。V光源光源探測器探測器粒粒子子e0es圖圖2-25

57、2-25位典型的激光多普勒測速系統(tǒng)。位典型的激光多普勒測速系統(tǒng)。 式中式中被測對象的速度；被測對象的速度； 光的波長；光的波長； 發(fā)射光和被測物體運(yùn)動(dòng)方向的夾角。發(fā)射光和被測物體運(yùn)動(dòng)方向的夾角。 光纖多普勒測速的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的靈敏高，系統(tǒng)無需用光學(xué)光纖多普勒測速的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的靈敏高，系統(tǒng)無需用光學(xué)器件進(jìn)行零位調(diào)整。器件進(jìn)行零位調(diào)整。2cosvf 動(dòng)畫五束三維LDV測速儀2.3.3霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 將將 半導(dǎo)體薄片置于磁場強(qiáng)度為半導(dǎo)體薄片置于磁場強(qiáng)度為B的磁場中，的磁場中，在薄片的兩端面通以電流在薄片的兩端面通以電流I，則在垂直于電流，則在垂直于電流和磁場方向上產(chǎn)生霍爾電勢和磁場方向上產(chǎn)生霍爾電勢

58、UH，這種現(xiàn)象稱，這種現(xiàn)象稱之為之為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。圖。圖2-26為霍爾效應(yīng)原理。為霍爾效應(yīng)原理。應(yīng)用2.3.4 電容式轉(zhuǎn)速傳感器（動(dòng)畫） 電容式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖電容式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖2-28所示，所示， 當(dāng)電容板與齒頂相對時(shí)，電容量最大；當(dāng)電容板與齒頂相對時(shí)，電容量最大； 而電容極板與齒隙相對時(shí)，電容量最小。而電容極板與齒隙相對時(shí)，電容量最小。 當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，電容量發(fā)生周期變化，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，電容量發(fā)生周期變化，通過電路即可獲得到脈沖信號，由頻率通過電路即可獲得到脈沖信號，由頻率計(jì)顯示的頻率可計(jì)算轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)計(jì)顯示的頻率可計(jì)算轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為為Z，則轉(zhuǎn)速為，則轉(zhuǎn)速為

59、式中式中 f頻率計(jì)顯示的頻率，頻率計(jì)顯示的頻率，Hz； n被測齒輪的轉(zhuǎn)速，被測齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min。6 0fnZ C1C1、C2C2工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容，工作極板與帶材之間形成兩個(gè)電容， 其總電容為其總電容為C= C1+C2 C= C1+C2 。當(dāng)金屬帶材在軋制。當(dāng)金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。中厚度發(fā)生變化時(shí)，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和通過檢測電路可以反映這個(gè)變化，并轉(zhuǎn)換和顯示出帶材的厚度。顯示出帶材的厚度。2.3.5 光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器由安裝在被測軸（或與被測光電式轉(zhuǎn)速傳感器由安裝在被測軸（或與被測軸直接相連

60、的輸入軸）的帶孔圓盤、光源、光軸直接相連的輸入軸）的帶孔圓盤、光源、光電轉(zhuǎn)換元件和指示縫隙盤組成電轉(zhuǎn)換元件和指示縫隙盤組成 圖圖2-292-29為光電式轉(zhuǎn)速傳感器原理。為光電式轉(zhuǎn)速傳感器原理。 開孔盤上有開孔盤上有2020個(gè)、個(gè)、3030個(gè)、個(gè)、6060個(gè)、個(gè)、小孔。小孔。開孔盤轉(zhuǎn)一周，光敏元件接受光的次數(shù)等于開孔盤轉(zhuǎn)一周，光敏元件接受光的次數(shù)等于盤上的開孔數(shù)。盤上的開孔數(shù)。 若開孔數(shù)為若開孔數(shù)為m m，記錄過程時(shí)間為，記錄過程時(shí)間為t t，總脈沖數(shù)，總脈沖數(shù)為為N N，則轉(zhuǎn)速為，則轉(zhuǎn)速為 光電轉(zhuǎn)速傳感器跟計(jì)數(shù)器配套使用，檢測范光電轉(zhuǎn)速傳感器跟計(jì)數(shù)器配套使用，檢測范圍可達(dá)圍可達(dá)10r/min1