運(yùn)動控制系統(tǒng)第八講運(yùn)動對象課件

1、本講主要內(nèi)容8.1 距離檢測8.1.1 激光雷達(dá)8.1.2 毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)8.1.3 攝像頭（圖像視覺） 8.2 直線位移檢測8.2.1 光柵 *8.2.2 感應(yīng)同步器 8.2.3 磁柵式傳感器 8.3 角位移檢測 *8.3.1 旋轉(zhuǎn)變壓器 8.3.2 光電編碼器 8.4 速度、加速度檢測 *8.4.1 直流測速發(fā)電機(jī) 8.4.2 光電式速度傳感器 8.4.3 加速度傳感器 8.5 力、力矩檢測 8.5.1 測力傳感器 8.5.2 壓力傳感器 8.5.3 力矩傳感器 *8.5.4 力與力矩復(fù)合傳感器簡述檢測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速度、高精度運(yùn)動控制必不可少的基礎(chǔ)技術(shù)。運(yùn)動控制的主要檢測對象是距離

2、、位移、速度、加速度（力）、角度、角速度、角加速度等參數(shù)。運(yùn)動控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高性能的控制，就必須進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以達(dá)到滿意的運(yùn)動控制效果。本章的重點(diǎn)是介紹位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度等參數(shù)的基本測量方法及其傳感器的應(yīng)用。8.1距離檢測 距離是運(yùn)動系統(tǒng)的一個主要參數(shù)，有關(guān)距離檢測技術(shù)方法由:光電檢測、激光雷達(dá)檢測、紅外檢測與超聲檢測。本節(jié)的應(yīng)用對象主要是車輛距離檢測，面向的應(yīng)用重點(diǎn)是自動駕駛汽車或者無人駕駛汽車。因此研究對象是攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)。8.1.1 激光雷達(dá)1、激光雷達(dá)的工作原理激光雷達(dá)是一種雷達(dá)系統(tǒng)，是一種主動傳感器，所形成的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云形式。其工作光譜

3、段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測量控制和電源組成。工作原理為：首先向被測目標(biāo)發(fā)射一束激光，然后測量反射或散射信號到達(dá)發(fā)射機(jī)的時間、信號強(qiáng)弱程度和頻率變化等參數(shù)，從而確定被測目標(biāo)的距離、運(yùn)動速度以及方位。除此之外，還可以測出大氣中肉眼看不到的微粒的動態(tài)等情況。激光雷達(dá)的作用就是精確測量目標(biāo)的位置（距離與角度）、形狀（大?。┘盃顟B(tài)（速度、姿態(tài)），從而達(dá)到探測、識別、跟蹤目標(biāo)的目的。圖8-1圖中符號說明：Servo motor伺服電機(jī)，Objects目標(biāo)，Optical rotary encoder光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，Laser Source 激光源，Receiver接收器，Tilting m

4、irror轉(zhuǎn)鏡2、激光雷達(dá)的現(xiàn)狀及應(yīng)用激光技術(shù)從它的問世到現(xiàn)在，雖然時間不長，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等幾個極有價值的特點(diǎn)，因而在國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生和科學(xué)研究等方面都有廣泛的應(yīng)用。LiDAR技術(shù)在西方國家發(fā)展相對成熟，已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的激光雷達(dá)系統(tǒng)（主要指機(jī)載）主要有Optech（加拿大）、TopSys（法國）和Leica（美國）等公司的產(chǎn)品。3、激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢1）星載激光雷達(dá)2）戰(zhàn)場偵察激光雷達(dá)3）測風(fēng)激光雷達(dá)4）激光雷達(dá)尋標(biāo)器8.1.2 毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá) 毫米波雷達(dá)是指工作在毫米波波段，頻率在30300GHz之間的雷達(dá)。超聲波傳感器是利用超

5、聲波的特性研制而成的，工作在機(jī)械波波段，工作頻率在20kHz以上。 圖8-2 超聲檢測物理基礎(chǔ)8.1.3 攝像頭（圖像視覺）攝像機(jī)（圖像傳感器） 攝像機(jī)又稱圖像傳感器，簡稱攝像頭。無人駕駛汽車中配置的視覺傳感器主要是工業(yè)攝像機(jī)，它是最接近于人眼獲取周圍環(huán)境信息的傳感器。工業(yè)攝像機(jī)按照芯片類型可分為CCD攝像機(jī)和CMOS攝像機(jī)兩種。圖8-3就是一個攝像頭。 。1、CCD攝像機(jī)，由光學(xué)鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器及模擬/數(shù)字信號處理電路組成，具有體積小、重量輕、低功耗、無滯后、無灼傷、低電壓等特點(diǎn) 2、CMOS攝像機(jī)，集光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理

6、器及控制器于一體，具有傳輸速率高、動態(tài)范圍寬、局部像素的可編程隨機(jī)訪問等優(yōu)點(diǎn)，參見圖8-3. 圖8-3 攝像頭圖8.2 直線位移檢測 方法：一：光柵二：同步感應(yīng)器三：磁柵式傳感器 8.2.1 光柵 光柵是一種新型的位移檢測元件，是將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。它的特點(diǎn)是測量精度高（可達(dá)1 m），響應(yīng)速度快，量程范圍大，可進(jìn)行非接觸測量等。由于光柵易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量和自動控制，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和精密測量之中。 1光柵的結(jié)構(gòu) 在透明的玻璃板上均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地刻出許多間隔相等的條紋，就形成了光柵。通常，這些條紋的間隙和寬度是相等的。以透光的玻璃為載

7、體的光柵，稱為透射光柵；以不透光的金屬為載體的光柵，稱為反射光柵。根據(jù)光柵外形的不同，還可分為直線光柵和圓光柵。 光柵的結(jié)構(gòu)如圖8-4所示，它主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。通常，標(biāo)尺光柵和被測物體相連，隨被測物體一起做直線位移。一般來說，標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，刻線之間的距離稱為柵距。光柵條紋密度一般為每毫米25條、50條、100條、250條等。圖8-42光柵工作原理 如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，并讓它們的刻線之間有較小的夾角，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋沿著與光柵刻線幾乎垂直的方向排列，如圖8-5所示。光線透過兩

8、塊光柵非重合部分而形成亮帶，亮帶由一系列四棱形圖案組成，如圖8-5(a)中的dd線區(qū)所示；f f線區(qū)則是由兩塊光柵的遮光效應(yīng)形成的。由此可見，標(biāo)尺光柵和指示光柵的組合產(chǎn)生了莫爾條紋。圖8-5(b)是dd線區(qū)的放大圖，其中菱形的兩條對邊平行線的距離是W/2，即柵距的一半；菱形長對角線的長度是B，即莫爾條紋的間距。 圖8-5成像原理圖8-6所示的是一個光柵的測量成像原理圖，其中圖8-6(a)是四掃描場成像原理圖，圖8-6(b)是單掃描場成像原理圖。需要注意的是，圖8-6(b)所示的是結(jié)構(gòu)化之后的莫爾條狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，相對于四掃描場而言，制作容易。 圖8-63莫爾條紋的特點(diǎn) 1) 莫爾條紋的位移

9、與光柵的移動成比例當(dāng)指示光柵不動、標(biāo)尺光柵左右移動時，莫爾條紋將沿著接近于柵線的方向上下移動。光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個條紋間距B。查看莫爾條紋的移動方向，即可確定標(biāo)尺光柵的移動方向。2) 莫爾條紋具有位移放大作用莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間的關(guān)系為 ：(8-1)(8-2)(8-2)4光柵測量的分辨率 (8-3)圖8-7圖8-75光柵測量的模式 圖8-8圖8-86提高光柵精度的主要辦法 提高光柵精度的主要辦法是細(xì)分，其中電子細(xì)分應(yīng)用較廣。電子4倍頻細(xì)分可在光柵相對移動一個柵距的位移（即電壓波形在一個周期內(nèi)）時，得到4個計(jì)數(shù)脈沖，從而將分辨率提高4倍。8實(shí)際產(chǎn)品圖8-9所示

10、的是一種直線光柵產(chǎn)品 圖8-98.2.2 感應(yīng)同步器 1感應(yīng)同步器的定義 2感應(yīng)同步器的分類 3感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)4感應(yīng)同步器的工作原理 1感應(yīng)同步器的定義 感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理把兩個平面繞組間的位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種位移傳感器。 2感應(yīng)同步器的分類 按測量位移的對象不同，感應(yīng)同步器可分為直線型和圓盤型兩類。直線型感應(yīng)同步器用來檢測直線位移，圓盤型感應(yīng)同步器用來檢測角位移。由于感應(yīng)同步器成本低，受環(huán)境溫度影響小，測量精度高，并且為非接觸測量，所以在位移檢測中得到廣泛應(yīng)用，特別是在各種機(jī)床的位移數(shù)字顯示、自動定位和數(shù)控系統(tǒng)中。 3感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 圖8-108-10(a)8-10(b)8-

11、10圖8-11圖8-11所示的是直線型感應(yīng)同步器定尺和滑尺的結(jié)構(gòu)。其制造工藝是先在基板（玻璃或金屬）上涂上一層絕緣黏合材料，將銅箔粘牢，用制造印制電路板的腐蝕方法制成節(jié)距T為2 mm的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的。滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬ζ叫邪惭b，其間保持一定間隙（0.050.2 mm）。 4感應(yīng)同步器的工作原理 在滑尺的正弦繞組中，施加頻率為f（一般為210 kHz）的交變電流，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。當(dāng)兩繞組同向?qū)R時，滑尺繞組磁

12、通全部耦合于定尺繞組，所以其感應(yīng)電勢為正向最大。移動1/4節(jié)距后，兩繞組磁通沒有耦合，即耦合磁通量為零。當(dāng)再移動1/4節(jié)距、兩繞組反向時，感應(yīng)電勢負(fù)向最大。依次類推，每移動一節(jié)距，周期性地重復(fù)變化一次，其感應(yīng)電勢隨位置按余弦規(guī)律變化，如圖8-12(a)所示。 圖8-12(8-4)(8-5)(8-6)(8-7)根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的測量方式有相位和幅值兩種工作法。前者是通過檢測感應(yīng)電壓的相位來測量位移的，后者是通過檢測感應(yīng)電壓的幅值來測量位移的。 8.2.3 磁柵式傳感器 1磁柵式傳感器定義與特點(diǎn)2磁柵式傳感器的結(jié)構(gòu) 3磁柵式傳感器的工作原理 4測量

13、方式 5磁柵式傳感器的應(yīng)用 1磁柵式傳感器定義與特點(diǎn) 磁柵式傳感器是利用磁柵與磁頭的磁作用進(jìn)行測量的位移傳感器。它是一種新型的數(shù)字式傳感器，成本較低且便于安裝和使用。當(dāng)需要時，可將原來的磁信號（磁柵）抹去，重新錄制。還可以安裝在機(jī)床上后再錄制磁信號，這對于消除安裝誤差和機(jī)床本身的幾何誤差，以及提高測量精度都是十分有利的。磁柵式傳感器可以采用激光定位錄磁，而不需要采用感光、腐蝕等工藝，因而精度較高，可達(dá)0.01 mm/m，分辨率為15 m。磁柵的優(yōu)點(diǎn)是磁柵與其他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)范圍大和磁信號可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。2磁柵式傳感器的結(jié)構(gòu) 圖8-

14、138-13分類磁柵按用途可分為長磁柵與圓磁柵兩種。長磁柵用于直線位移測量，圓磁柵用于角位移測量。如圖8-14所示，磁柵由非導(dǎo)磁性材料基體和磁性膜制造而成。磁頭由可飽和鐵心、勵磁繞組、拾磁繞組組成。其中，勵磁繞組由勵磁電源供電；拾磁繞組輸出測量信號。 圖8-143磁柵式傳感器的工作原理 采用錄磁的方法，在一根基體表面涂有磁性膜的尺子上記錄下一定波長的磁化信號，以此作為基準(zhǔn)刻度標(biāo)尺，稱之為磁柵。磁頭把磁柵上的磁信號檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號。檢測電路主要用來供給磁頭勵勵電壓和將磁頭檢測到的信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出。如圖8-15所示，其中是磁信號節(jié)距，磁柵上的信號0如圖8-15所示的波形。電源輸入信號是

15、正弦波信號I0sin( t/2)，磁柵上信號也是正弦波信號。輸出信號e0為E0sin(2/) sin t。 圖8-15磁柵是在非導(dǎo)磁材料（如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料）的基體上，涂敷、化學(xué)沉積或電鍍上一層1020 m厚的硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），并在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號。磁信號的節(jié)距一般為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、1 mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層12 m的耐磨塑料保護(hù)層。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號輸送到檢測電路中去。普通錄音機(jī)、磁帶機(jī)的磁頭是速度響應(yīng)型磁頭，其輸出電壓幅

16、值與磁通變化率成正比，只有當(dāng)磁頭與磁帶之間有一定相對速度時才能讀取磁化信號，所以這種磁頭只能用于動態(tài)測量，而不用于位置檢測。為了在低速運(yùn)動和靜止時也能進(jìn)行位置檢測，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。 (8-8)8-11(8-9)(8-10)圖8-16圖8-164測量方式 磁柵的測量方式有鑒幅測量方式和鑒相測量方式 (8-11)(8-12)(8-13)(8-14)(8-15)(8-15)5磁柵式傳感器的應(yīng)用 圖8-17圖8-178.3 角位移檢測 8.3.1 旋轉(zhuǎn)變壓器 8.3.1 旋轉(zhuǎn)變壓器 1旋轉(zhuǎn)變壓器的定義 2旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 3旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理4旋轉(zhuǎn)變壓器的分類 5旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 1旋轉(zhuǎn)變壓

17、器的定義 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號的傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，輸出信號大，抗干擾好，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中 2旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極繞組旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極；四極繞組則各有兩對磁極，主要用于高精度的檢測系統(tǒng)中。除此之外，還有多極旋轉(zhuǎn)變壓器，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)中。如圖8-18所示，旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極繞組的形式。在定子上有勵磁繞組和輔助繞組，它們的軸線互成90。在轉(zhuǎn)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

18、、Z2）短接。 3旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 定子繞組D1D2接交流電源勵磁，轉(zhuǎn)子繞組Z1Z2接負(fù)載ZL。當(dāng)主軸帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角時，轉(zhuǎn)子各繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓分別為 : 公式8-16(8-16)圖8-184旋轉(zhuǎn)變壓器的分類 8-19圖8-195旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)變壓器適用于所有使用光電編碼器的場合，特別是高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速等光電編碼器無法正常工作的場合。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的以上特點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械工具、汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、冶金、礦山、油田、水利、化工、輕工、建筑等領(lǐng)域的角度或位置檢測系統(tǒng)中。 8.3.2 光電編碼器 光電編碼器是一

19、種碼盤式角度-數(shù)字檢測元件。它有兩種基本類型：增量式編碼器、絕對式編碼器。增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多。絕對式編碼器能直接給出對應(yīng)于每個轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時，必須進(jìn)行特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 1增量式編碼器 圖8-208-202絕對式編碼器 圖8-21圖8-21消除非單值性誤差，可采用以下方法 圖8-22圖8-23圖8-22圖8-238.4 速度、加速度檢測 8.4.1 直流測速發(fā)電機(jī) 8.4.2 光電式速度傳感器 8.4.3 加速度傳感器 8.4.

20、1 直流測速發(fā)電機(jī) 直流測速發(fā)電機(jī)是一種測速元件，它實(shí)際上就是一臺微型的直流發(fā)電機(jī)。根據(jù)定子磁極勵磁方式的不同，直流測速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。若以電樞的結(jié)構(gòu)不同來分，有無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。 圖8-25圖8-24圖8-24圖8-25直流測速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大和線性好，但由于有電刷和換向器，故維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。直流測速發(fā)電機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中主要用做測速和校正元件。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(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測速發(fā)電機(jī)。 8.4.2 光電式速度傳感器 (8-17)8-26(a)8-26(b)(8-17)8-26圖

21、8-26圖8-27光電式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫圓盤組成，如圖8-27所示。光源發(fā)出的光通過帶縫圓盤和指示縫圓盤照射到光電器件上，當(dāng)帶縫圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，由于圓盤上的縫間距與指示縫的間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫數(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(zhuǎn)速為 (8-18)8.4.3 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質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，從而間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。電阻應(yīng)變式加速度傳感

22、器的結(jié)構(gòu)原理如圖8-28所示。它由質(zhì)量塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，質(zhì)量塊受力，懸臂梁彎曲，根據(jù)梁上固定的應(yīng)變片的變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的黏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。 壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖8-26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(jī)構(gòu)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(yīng)用較為廣泛。 圖8-28圖8-29

23、圖8-30所示的是一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。彈簧片較硬使系統(tǒng)的固有頻率較高，因此構(gòu)成慣性式加速度計(jì)的工作狀態(tài)。當(dāng)傳感器測量垂直方向的振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。由于采用空氣阻尼，氣體黏度的溫度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測得很高的加速度值。 圖8-308.5 力、力矩檢測 在機(jī)電一體化工程中，力、壓力和扭矩是很常用的機(jī)械參量。近年來，各