第三章測(cè)量模塊

第三章測(cè)量模塊測(cè)量模塊：傳感器+信號(hào)調(diào)理+測(cè)量系統(tǒng)

作用：信號(hào)采集處理，把機(jī)械模塊的狀態(tài)和性能參數(shù)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，并作信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，提供給檢測(cè)和控制。常用傳感器（被測(cè)量）：位移、速度、加速度、力（轉(zhuǎn)矩）、壓力第一節(jié)機(jī)械量傳感器分類一傳感器：將被測(cè)變量變換為其他形式的信號(hào)的裝置。通常是將非電量轉(zhuǎn)化為與之友確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。被測(cè)量：位移，速度，加速度，力，力矩，壓力。輸出：力，位移，電壓，電阻等。二調(diào)理電路:將傳感器輸出的信號(hào)放大，濾波，使其與控制器或顯示裝置或A/D轉(zhuǎn)換器相適應(yīng)。傳感器的分類

P71表3-11，按被測(cè)量分類：力、速度、溫度2，按工作原理（信號(hào)轉(zhuǎn)換原理）分類：結(jié)構(gòu)型：傳感器的結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，電容傳感器物性型：敏感元件材料本身物理特性的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換壓力式加速度計(jì)3，按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型（無(wú)源）：能量控制型（有源）：四傳感器的發(fā)展第二節(jié)性能指標(biāo)—輸入輸出關(guān)系特性工作特性、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性一、工作特性性能、質(zhì)量、環(huán)境

1.測(cè)量特性（性能）量程：被測(cè)量的上下限定義閾值：能產(chǎn)生輸出變化的被測(cè)量的最小變化量分辨率：被測(cè)量連續(xù)變化時(shí)，輸出以離散階梯形式變化，階梯的大小定義為分辨率。靈敏度：輸出變化量與對(duì)應(yīng)的輸入變化量的比值。2.工作特性（質(zhì)量）可靠性：在給定的時(shí)間周期內(nèi)，能在給定條件下（環(huán)境限制，超量程范圍，輸出漂移量）工作的可能性。漂移：在給定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的不希望的變化。零漂:輸入為零時(shí)的漂移。靈敏度漂移:靈敏度變化。3.環(huán)境影響:

零位溫漂:在給定的溫度范圍內(nèi)的零漂。靈敏度溫漂:在給定的溫度范圍內(nèi)的靈敏度變化。二靜態(tài)特性——被測(cè)量是常量或者緩慢變化的量。精度——輸出與被測(cè)變量理想值的一致程度。誤差——測(cè)量值與理想值之差。精度表示法：①以被測(cè)量表示（如±1℃）②滿量程的百分?jǐn)?shù)（如±1%）③輸出值的百分?jǐn)?shù)（如±1%）重復(fù)性——在相同條件下，連續(xù)幾次測(cè)量所得輸出之間的最大差值.

可重現(xiàn)性——在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由兩個(gè)方向趨近同一個(gè)輸入，多次測(cè)量所得輸出的最大差值。線性度——輸入輸出特性曲線與直線的緊密程度,由實(shí)際特性曲線與對(duì)應(yīng)所選直線之間的變化量與滿量程的百分比確定。獨(dú)立線性度直線基于零位的線性度直線基于端點(diǎn)的線性度直線最小二乘線性度——由標(biāo)定曲線的輸入輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘擬合計(jì)算獲得。動(dòng)態(tài)特性:

快速變化量的性能用時(shí)域和頻域的兩種描述方法。

1.時(shí)域指標(biāo)由階躍響應(yīng)定義.四.性能要求和改善措施

1.性能要求P752.改善措施（1）差動(dòng)技術(shù)

(2)平均技術(shù)

(3)穩(wěn)定性技術(shù)

(4)屏蔽隔離

(5)閉環(huán)技術(shù)第三節(jié)位移傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器——角位移測(cè)量，精度5″～30″1．結(jié)構(gòu)：定子+轉(zhuǎn)子（兩極電機(jī)）P762．工作原理圖3-6

變壓器工作原理：定子是輸入繞組：在Ｗs1—Ｗs2，加

轉(zhuǎn)子是輸出繞組余弦乘法器：US*COS(Φ),正弦乘法器：UC*SIN(Φ)P77余弦乘法器：US*COS(Φ),正弦乘法器：UC*SIN(Φ)二、感應(yīng)同步器（一）結(jié)構(gòu)和原理

1．直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)由定尺、滑尺組成.

在鋼基尺上貼銅箔繞組，繞組節(jié)距2τ=2mm

定尺：250mm，連續(xù)繞組滑尺：兩個(gè)繞組（正弦繞組、余弦繞組）,相距1／4節(jié)距(τ/2)下課休息

2．工作原理滑尺的正弦繞組加激磁電壓,定子感應(yīng)電壓隨滑尺位移而變化，定子感應(yīng)電壓與定子和滑尺的位置關(guān)系如下圖.下課休息結(jié)論:

滑尺的正弦繞組加激磁電壓，定尺得到的感應(yīng)電壓是余弦波形。又因?yàn)榛哂嘞依@組與正弦繞組錯(cuò)開1／4節(jié)距（即

/2），所以在滑尺的余弦繞組的激磁下，定尺的感應(yīng)電壓應(yīng)是按正弦規(guī)律變化?；咭埔粋€(gè)節(jié)距2τ（2mm），感應(yīng)電勢(shì)變化2角度。當(dāng)移動(dòng)量為Xmm時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)變化機(jī)角度，則2τ/2=

X/,即X=（τ/）.（弧度）（mm)=（（度）/360）×2τ=（（度）/360）×W(P80)(二）感應(yīng)同步器應(yīng)用

感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，有鑒相與鑒幅兩種應(yīng)用方式

1．鑒相方式(P79)

滑尺繞組，加同頻同幅不同相的電壓

US=Umsinwt–––定子感應(yīng)電壓為K.Umsinwt.cosUC=Umcouwt–––定子感應(yīng)電壓為-K.Umcoswt.sin

疊加：得定子感應(yīng)電壓為

U=KUmsinwtcos–KUmcoswtsin=KUmsin(wt–)=KUmsin(wt–x./τ)----輸出電壓的相位角與滑尺線位移成正比。下課休息

2．鑒幅方式，滑尺加同頻同相不同幅的勵(lì)磁電壓

US=Umsin電sinwtUC=Umcos電sinwt

定尺感應(yīng)信號(hào)：

U=KUmsin電sinwtcos機(jī)–KUmcos電sinwtsin機(jī)

=KUmsin(電-機(jī))sinwt

證明定尺電壓幅值是機(jī)的函數(shù)，只要測(cè)出幅度，就可以求得機(jī),也就可以得位移.

當(dāng)位移為X時(shí)，調(diào)電,令電＝機(jī)，使U＝0,邊位移邊測(cè)U,U=KUmsinsinwt=KUm

sinwt

KUm

KUmX

可以對(duì)位移增量進(jìn)行高精度的細(xì)分，若要使分辯率為1m，即 ，把U放大，調(diào)節(jié)增益使U的幅值達(dá)到門檻電平，產(chǎn)生一個(gè)脈沖。對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，同時(shí)修改電，使電＝機(jī)，使U＝0，當(dāng)位移又有1m的增量時(shí)，又產(chǎn)生一個(gè)脈沖?？偽灰屏烤褪怯?jì)數(shù)值乘上0.001mm。

下課休息

對(duì)脈沖計(jì)數(shù)（1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)1m），同時(shí)修改電，使電＝機(jī)，使U＝0，當(dāng)位移又有1m的增量時(shí)，又產(chǎn)生一個(gè)脈沖?？偽灰屏烤褪怯?jì)數(shù)值乘上0.001mm。下課休息三、光電編碼器

––––把機(jī)械轉(zhuǎn)角位移變成電脈沖1．結(jié)構(gòu)：下課休息圓光柵：玻璃圓盤，真空鍍膜法鍍上一層不透光的金屬膜和感光材料，用照相腐蝕制成等距的透光和不透光的線紋，線距為P。里圈有一條透光線紋，產(chǎn)生零位信號(hào)Z。指示光柵:有兩條透光線紋A、B，相距1/4P，產(chǎn)生A、B兩路相位相差/2的信號(hào)。下課休息2．工作原理：每過(guò)一個(gè)光柵節(jié)距，在光電元件上形成明––暗––明變化一個(gè)周期的光信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)化為近似的正弦信號(hào)，經(jīng)放大，整形變成矩形脈沖，脈沖數(shù)與角位移成正比。A、B兩路相位相差/2，正轉(zhuǎn)時(shí)B超前90O，反轉(zhuǎn)時(shí)A超前90O,用于辨別進(jìn)給方向。下課休息3.方向判別(圖3-13)下課休息5．主要參數(shù)：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)

60，120，180，360，720（電光計(jì)數(shù)控制）

2000，2500，3000，5000（一般數(shù)控機(jī)床）

10000,20000，25000，30000（高精度伺服系統(tǒng)）高分辨率脈沖編碼器通過(guò)細(xì)分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。下課休息

(一)結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)光柵（標(biāo)尺光柵）裝在機(jī)床移動(dòng)部件上短光柵（指標(biāo)光柵）固定在機(jī)床的固定部件上下課休息四、光柵（直線光柵測(cè)直線位移、圖光柵測(cè)角位移）光柵：透射光柵、反射光柵透射光柵：在涂有感光材料的光學(xué)玻璃表面，刻上等間隔光柵線紋。光源可以垂直入射，光敏元件直接接受光照。優(yōu)點(diǎn):信噪比好，刻線密度大.

缺點(diǎn)：玻璃易破損，熱脹系數(shù)與機(jī)床金屬不一致，影響測(cè)量精度。（用于2m以下的位移測(cè)量）反射光柵：在不銹鋼上經(jīng)照相腐蝕（或刻線）制成。優(yōu)點(diǎn):與機(jī)床金屬熱膨脹系數(shù)一致，可做成長(zhǎng)光柵，用于大位移場(chǎng)合。缺點(diǎn)：反射后，莫爾條紋反差大，刻線密度低,在50線/mm以下。光柵讀數(shù)頭：光電轉(zhuǎn)換，把位移量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出。光柵線紋太密，線紋計(jì)數(shù)有困難，利用莫爾條紋放大后,再測(cè)量.下課休息（二）莫爾條紋：長(zhǎng)短光柵節(jié)距W、平行放量、矩光柵傾斜角。長(zhǎng)短光柵的刻線相交，光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明暗交替相間、間距相等的條紋（稱為莫爾條紋）下課休息P/2/W=tg(/2)=/2W=P/

1.莫爾條紋的放大作用

W=P/,P=0.01mm,=0.11°=0.002rad

W=0.01/0.002=500*0.01=5(mm)2．莫爾條紋的誤差均化作用莫爾條紋由若干光柵刻線干涉形成，即許多條刻線才能生成一定密度的莫爾條紋，平均了節(jié)距誤差．

3．利用莫爾條紋測(cè)位移

1）光柵橫向移一個(gè)節(jié)距W

莫爾條紋上下移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋節(jié)距Ｂ（莫爾條紋明暗變化一個(gè)周期，檢測(cè)莫爾條紋的明暗變化，就可測(cè)得光柵橫向移動(dòng)的距離．）

2）根據(jù)莫爾條件的移動(dòng)方向，可以辨別光柵的移動(dòng)方向，光柵右移，莫爾條紋下移．下課休息第四節(jié)速度傳感器直流測(cè)速發(fā)電機(jī)微型的直流發(fā)電機(jī)，輸出與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓。

1分類：電磁式——磁場(chǎng)由電磁線圈產(chǎn)生永磁式——磁場(chǎng)由永久磁鐵產(chǎn)生

2靈敏度：0.5V～20v/(Kr/min)3線性度：0.2%～0.1%4作用：測(cè)量轉(zhuǎn)速5工作原理：電磁感應(yīng)原理p84圖3-18

每根導(dǎo)線

N根導(dǎo)線

---輸出直流電壓與轉(zhuǎn)速成正比6輸出特性二碼盤式轉(zhuǎn)速傳感器1脈沖頻率法在給定的采樣時(shí)間△t秒內(nèi)，測(cè)量編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為N。則轉(zhuǎn)速n

低速時(shí)，編碼器脈沖頻率太低。在△t秒內(nèi)漏檢一個(gè)脈沖，影響很大。

(r/min)

2脈沖周期法測(cè)一個(gè)或N2個(gè)編碼器脈沖所對(duì)應(yīng)得時(shí)間間隔t,設(shè)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為N，則

（1）精度高。誤差±1個(gè)時(shí)鐘脈沖（2）高速時(shí)，用多個(gè)脈沖間隔來(lái)提高精度

第五節(jié)加速度傳感器

,若直測(cè)v,x,經(jīng)微分，誤差會(huì)放大。

,固定m,測(cè)力F，間接算a.質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)二結(jié)構(gòu)

:應(yīng)變式結(jié)構(gòu)：a→ma→懸臂梁彎曲→應(yīng)變片測(cè)變形量x.

壓電式結(jié)構(gòu)：a→ma→壓電元件變形→電荷Q。壓阻式結(jié)構(gòu)：a→ma→半導(dǎo)體壓阻元件變形→電阻率變化.

壓阻效應(yīng)：三分類壓電式加速度計(jì)對(duì)低頻（靜態(tài)）信號(hào)不敏感第六節(jié)力、扭矩和壓力傳感器由彈性元件把力、扭矩、壓力轉(zhuǎn)換成位移或應(yīng)變應(yīng)變——單位長(zhǎng)度的位移彈性元件：柱型，環(huán)型，懸臂梁型，棒型，筒型，膜片，膜盒。傳感元件：電阻應(yīng)變式，壓阻式，壓電式，電容式。彈性變形范圍大，靈敏度高，測(cè)量頻帶寬。力學(xué)模型：二階微分方程一電阻應(yīng)變式——電阻應(yīng)變效應(yīng)

應(yīng)變片粘合在彈性元件上，構(gòu)成橋路。彈性元件受力→應(yīng)變→電阻變化→電橋輸出電壓

其中---應(yīng)變，G---標(biāo)定系數(shù)作用：測(cè)力二壓阻式——半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)在半導(dǎo)體材料基片上擴(kuò)散電阻，組成電橋，基片做彈性敏感元件，基片受力變形，阻值變化，電橋產(chǎn)生輸出。

其中

——應(yīng)變，

——半導(dǎo)體的彈性模量

——壓阻系統(tǒng)。作用：測(cè)力三壓電式——利用壓電元件的壓電效應(yīng)壓電元件——石英晶體，壓電陶瓷壓電效應(yīng)——壓電元件沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，其相應(yīng)的相對(duì)的表面產(chǎn)生極性相反的電荷，電荷與外力的大小成正比，電荷極性取決于變形方向。壓電效應(yīng)可逆——振動(dòng)源應(yīng)用：靜態(tài)力，壓力，動(dòng)態(tài)和惡劣環(huán)境下力的測(cè)量。四電容式——把力的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化受力→電容極距變化→電容變化五電感式——把力的變化轉(zhuǎn)化為電感量的變化第七節(jié)霍爾式電流傳感器原理：霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：當(dāng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，有電流通過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。第八節(jié)信號(hào)調(diào)理電路作用：放大及變換濾波（噪聲抑制）隔離阻抗變換匹配一前置放大

1電壓跟隨器——放大倍數(shù)為1的運(yùn)放（1）電路：同相輸入,反相端直接連輸出端（2）特點(diǎn)：輸出電壓=輸入電壓輸入阻抗大：100MΩ

輸出阻抗?。?00Ω（3）作用：阻抗變換和匹配（1）電路圖3-28

反相端：輸入，同相端：接地，反饋元件：電容——輸出電壓與壓電傳感器的電荷成正比，與反饋電容成反比，（與引線電容和隔直點(diǎn)容無(wú)關(guān)）2，電荷放大器（—增益調(diào)節(jié)）3儀表放大器——差動(dòng)放大器(1)電路圖3-30三個(gè)運(yùn)放組成

又∴==高輸入阻抗高共模抑制平衡的差動(dòng)輸入增益外部電阻決定濾波電路必要性：電磁干擾產(chǎn)生噪聲抑制噪聲方法：接地、屏蔽、濾波濾波器分類：低通、高通、帶通、帶阻（2）一階有源低通濾波——加一級(jí)運(yùn)放，提高增益和帶負(fù)載能力。頻率特性：對(duì)數(shù)幅頻特性如圖3-32d2二階有源低通濾波

(1)電路圖3-33

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流方程得到

令S=jω,得頻率特性:對(duì)數(shù)幅頻特性如圖3-33：-40dB/10倍頻程（二）高通濾波——把濾波網(wǎng)絡(luò)中R和C對(duì)換，低通就變成高通了，二階高通濾波電路如圖3-34。（三）帶通濾波——低通和高通串聯(lián)起來(lái)，并讓，就形成了帶通。具有選頻功能，選擇性由Q表示，

—中心頻率，B—帶寬。（四）帶阻濾波（略）與帶通濾波器相反三交流載波測(cè)量電路場(chǎng)合：交流差動(dòng)電橋測(cè)量電路：交流放大、同步解調(diào)、低通濾波作用：消除低頻系統(tǒng)噪聲、DC漂移、解調(diào)器噪聲，獲得與被測(cè)量成正比的信號(hào)關(guān)鍵：同步解調(diào)器

第九節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量：隨時(shí)間連續(xù)變化的量；測(cè)量過(guò)程：采樣→A/D→計(jì)算機(jī)采樣、量化、編碼采樣頻率：為使采樣信號(hào)能不失真地復(fù)原，采樣頻率必須高于信號(hào)最高頻率的二倍以上。量化誤差：采樣量化電路（即A/D電路）的位數(shù)決定了量化誤差。分辨率=，位數(shù)越多，誤差越小。

信號(hào)形式：（1）數(shù)字量：如旋狀變壓器輸出的轉(zhuǎn)角，經(jīng)轉(zhuǎn)角—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（IRDC-1730）后，直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)角的數(shù)字量（直接送給計(jì)算機(jī)）。（2）脈沖量：光電編碼器，光柵等把位移變成脈沖量（經(jīng)計(jì)數(shù)器→數(shù)字量→計(jì)算機(jī)）。（3）模擬量：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，壓電式，電阻式傳感器等產(chǎn)生，連續(xù)變化的模擬量（經(jīng)A/D→數(shù)字量→計(jì)算機(jī)）

A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志方式：中斷、查詢、軟件延時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部分：（1）信號(hào)調(diào)理：多路轉(zhuǎn)換器、可調(diào)增益放大器、抗混疊濾波器（2）采樣/保持：采樣/保持器（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換：A/D，V/F，I/F（4）數(shù)模轉(zhuǎn)換：D/A（5）其他：定時(shí)/計(jì)數(shù)器，總線接口電路等一、多路開關(guān)1，采集系統(tǒng)對(duì)多路開關(guān)的要求對(duì)多個(gè)模擬通道分時(shí)轉(zhuǎn)換，每個(gè)模擬通道輸入信號(hào)前都有一個(gè)采樣保持器（緩變信號(hào)可省略）。要求：（1）開路阻抗無(wú)窮大、通路阻抗為0（2）切換速度快、噪聲小、壽命長(zhǎng)、工作可靠類型：機(jī)械式、電子開關(guān)式2，典型多路選擇開關(guān)芯片AD7501：8個(gè)輸入，1個(gè)