自動控制元件-6測量元件(含作業(yè))

自動控制元件

宋宇第6章測量元件概述概念測量元件:檢測出一種量并轉(zhuǎn)換成容易處理的另一種量。功能：檢測和轉(zhuǎn)換。處理：放大、加減、積分、微分、濾波、存儲和傳送。容易處理的量：主要指的是電信號。傳感器：傳出感覺到的量。

6.1測量元件的組成、作用和分類一、組成：敏感元件：靈敏地感受被測量并轉(zhuǎn)換成另一物理量。轉(zhuǎn)換元件：把物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量。轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成電量。氣體壓力傳感器敏感元件——膜盒，把氣壓轉(zhuǎn)換成位移。轉(zhuǎn)換元件——可變電感3，把位移量轉(zhuǎn)換成電感。轉(zhuǎn)換電路，將電感轉(zhuǎn)換成電壓。6.1測量元件的組成、作用和分類變送器:輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器。將一種量變換成標(biāo)準(zhǔn)信號（另一種量）并把它送出去。常用的標(biāo)準(zhǔn)信號：直流電流4～20mA。二、作用主反饋元件，反饋補(bǔ)償元件。對主反饋測量元件的精度要求最高，它的誤差將全部加到輸出量上。6.1測量元件的組成、作用和分類三、分類根據(jù)測量元件的輸入量即被測量的性質(zhì)進(jìn)行分類。例如測量角位移的元件，測量角速度的元件，測量線位移的元件，測量溫度的熱敏元件等等。便于用戶選擇測量元件。根據(jù)測量元件的工作原理，遵循的規(guī)律和所應(yīng)用的效應(yīng)進(jìn)行分類。例如，和電機(jī)工作原理相同的測量元件屬于控制電機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測速發(fā)電機(jī)等等。此外，有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、變壓器式傳感器、熱電式傳感器等。6.2測量元件的特性理想特性：輸入和輸出一一對應(yīng)(1對1映射)。靜特性：輸入量和輸出量都為常量，或變化極慢時，輸出和輸入之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)關(guān)系式中無變量對時間的微分。動特性：輸入量和輸出量都隨時間變化時的關(guān)系。數(shù)學(xué)關(guān)系式中有變量對時間的微分。6.2測量元件的特性一、靜特性1．變換函數(shù)：描述靜特性的數(shù)學(xué)方程。大多數(shù)測量元件2．靈敏度和線性度靈敏度：輸出量的微小增量與輸入量微小增量的比值，變換函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)或靜特性曲線的斜率。非線性的靜特性，不同的點有不同的靈敏度。線性的靜特性，靈敏度不變。6.2測量元件的特性非線性誤差或線性度：靜特性曲線偏離某種擬合直線或規(guī)定直線的程度。3．滯環(huán)測量元件正反行程中輸入輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱為滯環(huán)特性或遲滯，它由上升分支和下降分支組成。對應(yīng)同一輸入量，兩個分支所對應(yīng)的輸出不同。滯環(huán)誤差的計算同上。6.2測量元件的特性4．重復(fù)性誤差輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時的誤差。5．靜態(tài)誤差測量元件的輸出值與理論值的偏離誤差。測試數(shù)據(jù)與理論輸出值的標(biāo)準(zhǔn)偏差取3σ作為測量元件的靜態(tài)誤差。6.2測量元件的特性6．測量元件的其他靜態(tài)性能參數(shù)

零位電壓——測量元件輸出的最小電壓，又稱零位信號，剩余電壓。零位電壓越小越好。

分辨率與閾值——測量元件能檢測到的最小的輸入增量就是分辨率，又稱分辨力。在測量元件輸入零點附近的分辨率稱為閾值。分辨率不大于誤差。

測量范圍——測量元件能夠滿足規(guī)定精度的輸入量的范圍。6.2測量元件的特性二、動態(tài)特性測量元件的輸入量由一個數(shù)值變到另一個數(shù)值的過程中呈現(xiàn)的特性就是動特性。數(shù)學(xué)式中含有變量對時間的導(dǎo)數(shù)。用傳遞函數(shù)或頻率特性來表示。一階測量元件（慣性環(huán)節(jié)）

T為時間常數(shù)，T

越小，響應(yīng)速度越快。二階測量元件

零階測量元件：傳遞函數(shù)是常數(shù)K?？刂葡到y(tǒng)中，測量元件都可看成是零階測量元件—比例環(huán)節(jié)。從時域角度看，測量元件的動態(tài)特性應(yīng)具有足夠快的響應(yīng)速度和適當(dāng)?shù)淖枘岜?。從頻域角度看，測量元件應(yīng)當(dāng)具有足夠?qū)挼念l帶寬度。第7章光電編碼器光電編碼器：即光電碼盤，測量機(jī)械系統(tǒng)角位移、角速度的數(shù)字編碼器，是機(jī)電測控系統(tǒng)中最為常用的傳感器，如直流伺服電機(jī)的反饋測量系統(tǒng)。特點：將機(jī)械角位移轉(zhuǎn)化為脈沖或數(shù)字輸出、測量分辨率高、工作可靠。分類：1）增量式編碼器：利用計算系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)碼盤產(chǎn)生的脈沖增量針對某個基準(zhǔn)數(shù)進(jìn)行加減以求得角位移；2）絕對式編碼器：直接輸出出與角位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。7.1光電編碼器一、結(jié)構(gòu)由光學(xué)玻璃制成的大圓盤上刻有均勻分布的輻射狀透光窄縫，分布的周期L稱為節(jié)距。兩組檢測窄縫和圓盤上的相同，窄縫的位置相隔1/4節(jié)距，兩個輸出信號在相位上相差90°。兩組檢測窄縫不動，大圓盤與被測軸相連。7.1光電編碼器二、工作原理當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時，光線透過圓盤窄縫和檢測窄縫照到光電轉(zhuǎn)換器A和B上。通過的光線強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)角作周期性的變化，所以光電轉(zhuǎn)換器輸出的電流信號隨轉(zhuǎn)角作周期變化。光電轉(zhuǎn)換器A和B這兩路信號經(jīng)邏輯電路處理、計數(shù)后就能得到轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，并可以辨別轉(zhuǎn)動方向。7.1光電編碼器為了判別轉(zhuǎn)動方向，信號b是不可缺少的，這是用兩個檢測窄縫的原因。微分：（上升沿捕獲裝置）信號由低向高跳變時輸出一個脈沖。正轉(zhuǎn)時輸出正轉(zhuǎn)脈沖,反轉(zhuǎn)時輸出反轉(zhuǎn)脈沖。每輸出1個脈沖，表示轉(zhuǎn)過了一個節(jié)距。7.1光電編碼器將正、反轉(zhuǎn)脈沖分別送入可逆計數(shù)器的加減計數(shù)端就能正確計算出脈沖數(shù)，再乘以碼盤分辨率，就得到碼盤相對初始位置的角度——角位移的增量。計算軸的轉(zhuǎn)角要有基準(zhǔn)。增量碼盤事先規(guī)定一個基準(zhǔn)零點，稱為零位。相對這個零位的轉(zhuǎn)角位置稱為絕對位置。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到零位時，輸出一個參考脈沖，稱為零位脈沖。增量碼盤有3個輸出端，分別稱為A、B和Z。A、B兩相的信號相位相差90°，并被處理成相位差是90°的方波。Z相送出的脈沖就是零位脈沖。7.1光電編碼器三、分辨率一個脈沖對應(yīng)的轉(zhuǎn)角表示碼盤的分辨率和靜態(tài)誤差。所以分辨率為

碼盤的分辨率首先取決于碼盤轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。脈沖數(shù)與圓盤刻的窄縫數(shù)成正比。碼盤直徑越大，窄縫越多，碼盤的分辨率和精度越高。7.1光電編碼器四、倍頻碼盤轉(zhuǎn)一個節(jié)距，只輸出1個脈沖。對上述電路進(jìn)行改進(jìn)，可得到2倍、4倍、8倍……的脈沖個數(shù)，相應(yīng)的一個脈沖代表的角位移就變?yōu)樵瓉淼?/2、1/4、1/8……從而明顯提高了分辨率。具有這種功能的電路稱為倍頻電路或電子細(xì)分電路。7.1光電編碼器4倍頻電路邏輯圖，方波的跳變正好處于光電信號的0°，90°，180°，270°4個位置。因而一個周期可得到4個脈沖使增量碼盤的測量精度進(jìn)一步提高。AB倍頻前倍頻后未倍頻：

A上升沿同時B高電平；2倍頻：

A上升沿同時B高電平；

A下降沿同時B低電平；4倍頻：

A上升沿同時B高電平；A下降沿同時B低電平；

B上升沿同時A低電平；B下降沿同時A高電平；7.1光電編碼器五、增量碼盤的優(yōu)缺點優(yōu)點精度高（可用倍頻方法進(jìn)一步提高精度）。體積較小。缺點當(dāng)前位置斷電丟失，系統(tǒng)開機(jī)后先要先尋零，對于多圈旋轉(zhuǎn)情況，碼盤尋零點不能保證機(jī)電系統(tǒng)回零。在脈沖傳輸過程中，若由于干擾而丟失脈沖或竄入脈沖時將會產(chǎn)生誤差，此誤差不會自行消除，從而引入累積誤差。7.2絕對值碼盤一、結(jié)構(gòu)碼盤、光源和光電敏感元件。碼盤上由一系列同心圓組成光學(xué)碼道，每個碼道上按一定規(guī)律分布著透明和不透明區(qū)。每道刻線依次以2線、4線、8線、16線…編排二、原理:光源的光通過光學(xué)系統(tǒng)，穿過碼盤的透光區(qū)被窄縫后面的光敏元件接收，輸出為“1”；若被不透明區(qū)遮擋，光敏元件輸出為“0”。各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的轉(zhuǎn)角位置。

7.2絕對值碼盤三、編碼１.二進(jìn)制編碼盤，每一個碼道代表二進(jìn)制的一位，最外層的碼道為二進(jìn)制的最低位，因為最低位的碼道要求分割的明暗段數(shù)最多，而最外層周長最大，容易分割。用N表示碼盤的碼道數(shù)目，即二進(jìn)制位數(shù)，則角度分辨率為目前高精度絕對值碼盤一般為19位。7.2絕對值碼盤２.循環(huán)（格雷）碼的碼盤

相鄰兩個代碼間只有一位數(shù)變化。二進(jìn)制數(shù)有一個最小位數(shù)的增量時，只有一位改變狀態(tài)，誤差不超過最小的“1”個單位。但是轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼需要一個附加的邏輯處理轉(zhuǎn)換裝置。7.2絕對值碼盤格雷碼：又叫循環(huán)碼或反射碼，屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。二進(jìn)制碼->格雷碼（編碼）：從最右邊一位起，依次將每一位與左邊一位異或(XOR)，作為對應(yīng)格雷碼該位的值，最左邊一位不變格雷碼-〉二進(jìn)制碼（解碼）：從左邊第二位起，將每位與左邊一位格雷碼值異或，作為該位解碼后的值（最左邊一位依然不變）.

7.2絕對值碼盤四、多圈絕對編碼器單圈絕對式編碼器：以轉(zhuǎn)動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動超過360度時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測量，稱為單圈絕對式編碼器。多圈絕對式編碼器：量旋轉(zhuǎn)超過360度范圍編碼器。運用鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。7.3測速方法以光電增量碼盤為代表的角位移傳感器的輸出信號是方波脈沖信號，脈沖的個數(shù)與角位移成正比。由此類脈沖信號求速度有下述三種方法。一、M法測速由規(guī)定的檢測時間內(nèi)傳感器的脈沖數(shù)計算速度。設(shè)傳感器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)為P，在檢測時間段（s）內(nèi)測得的脈沖數(shù)為，Tg時間內(nèi)轉(zhuǎn)動m1/P轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)速n為

r/min7.3測速方法當(dāng)脈沖數(shù)增加1時，轉(zhuǎn)速的變化就是M法的分辨率，記為Q（r/min），

提高P和

，可提高分辨率。若以分辨率Q作為轉(zhuǎn)速測量值的誤差Δn，則誤差Δn與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，但相對誤差Δn/n與轉(zhuǎn)速成反比。高速時相對誤差小。M法適用于高速測量情況。7.3測速方法二、T法測速由傳感器兩個脈沖相隔的時間T來確定轉(zhuǎn)速。用頻率為的時鐘脈沖向計數(shù)器發(fā)送脈沖。用傳感器兩個相鄰脈沖控制計數(shù)的起始和終止。設(shè)計數(shù)器在T時間內(nèi)讀到的時鐘脈沖個數(shù)是，則

(s)，T時間內(nèi)轉(zhuǎn)動1/P轉(zhuǎn)，故轉(zhuǎn)速為

r/min

7.3測速方法當(dāng)時鐘脈沖的計數(shù)改變1時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速的變化就是分辨率Q（r/min），有n越小，Q越小，轉(zhuǎn)速越低，分辨率越高。T法在低速時有較高的分辨率和精度，適用于低速測量情況。7.3測速方法3.M/T法檢測

為規(guī)定的檢測時間。之后傳感器的第1個脈沖時，時鐘脈沖終止計數(shù)。實際檢測時間T由時鐘脈沖數(shù)確定。為檢測時間T內(nèi)傳感器脈沖個數(shù)，沒有誤差?？芍?、可求出轉(zhuǎn)速n。

無誤差，

誤差為1，分辨率Q為

r/min作業(yè)（10分）1、絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器有何區(qū)別？各自的優(yōu)缺點？2、2048線增量式光電編碼器，其角度分辨率？10位絕對光電編碼器，其角度分辨率？3、對于脈沖信號輸出型位移傳