檢測(cè)系統(tǒng)1-概述及位移傳感器

機(jī)電系統(tǒng)及其控制授課教師：趙建文所在單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）船舶與海洋工程學(xué)院

機(jī)械工程系第二章檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成傳感器的分類傳感器的性能指標(biāo)常用傳感器的工作原理傳感器選型信號(hào)采集處理電路及數(shù)據(jù)處理§2-1檢測(cè)系統(tǒng)的組成一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)采集處理電路三部分組成。

敏感元件：直接感受被測(cè)量、并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某

一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時(shí)敏感元

件和轉(zhuǎn)換元件的功能由同一個(gè)元件（敏感元件）實(shí)現(xiàn)。

采集處理電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)放大、濾波、A/D變換。敏感元件采集處理電路轉(zhuǎn)換元件被測(cè)量控制器可識(shí)別的電信號(hào)中間量傳感器：通常把敏感元件和轉(zhuǎn)換元件（有時(shí)也包括信號(hào)處理電路）

集成后的產(chǎn)品稱為傳感器。

電信號(hào)1．按物理原理分類

⑴電路參量式傳感器。包括電阻式、電感式、電容式等三個(gè)基本型式。

⑵磁電式傳感器。包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等

⑶壓電式傳感器。

⑷光電式傳感器。包括光柵式、激光式、光電碼盤式、光電效應(yīng)式、紅外式等。⑸氣電式傳感器。

⑹熱電式傳感器。

⑺波式傳感器。包括超聲波式、微波式等?！?-2

傳感器的分類2．按用途分類

按照傳感器的用途來分類，可分為：位移傳感器：光電編碼器、光柵、陀螺儀、傾角傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器速度傳感器：雷達(dá)測(cè)速、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)加速度傳感器：加速度計(jì)壓力傳感器：應(yīng)變片振動(dòng)傳感器：壓電陶瓷溫度傳感器：熱敏電阻（半導(dǎo)體材料）嗅覺傳感器：氣敏電阻（半導(dǎo)體材料）視覺傳感器：通過CCD將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)2.2傳感器的分類

（1）線性度。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試,得到的輸入/輸出特性（列表或畫曲線）。通常希望這個(gè)特性（曲線）為線性,這對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性,與理論直線有偏差,如圖所示。

傳感器的線性度示意圖

§2-3衡量傳感器性能的指標(biāo)

式中：

:線性度(非線性誤差)；

:最大非線性絕對(duì)誤差；

:輸出滿度值。

2.3衡量傳感器性能的指標(biāo)對(duì)于線性傳感器來說,它的靈敏度S0是個(gè)常數(shù)。（2）

靈敏度。傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即（3）精度。測(cè)量結(jié)果和被測(cè)的“真值”的靠近程度。（4）分辨力。傳感器能夠感受到的被測(cè)量的最小變化。

（5）漂移。在輸入量不變的情況下，由于傳感器內(nèi)部因素或在外界干擾的情況下,傳感器的輸出發(fā)生的變化稱為漂移。xySDD==輸入量的變化量輸出量的變化量02.3衡量傳感器性能的指標(biāo)傳感器的遲滯特性

yFSDHm0xFSyx式中:輸出值在正、反行程間的最大差值。（6）遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯,遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示：

傳感器的重復(fù)特性

式中:（7）重復(fù)性。傳感器在同一條件下,被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí),所得的輸出/輸入曲線不一致的程度,稱為重復(fù)特性,如圖所示。重復(fù)特性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即yFS0xFSxDRm1yDRm2：任意兩條同向變化

曲線間的最大誤差2.3衡量傳感器性能的指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性：傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí),輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。信噪比，頻響2.3衡量傳感器性能的指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性：傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí),輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。信噪比，頻響信噪比（

signal-to-noiseratio）:狹義來講是指待測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的輸出電壓與噪聲信號(hào)產(chǎn)生的輸出電壓之比，常常用分貝數(shù)表示，信噪比越高表明輸出信號(hào)所含的噪聲越少。頻響（

FrequencyResponse）:用來描述傳感器對(duì)于不同頻率的信號(hào)的檢測(cè)能力。轉(zhuǎn)軸碼盤及狹縫光敏元件指示光柵及A、B狹縫光源及透鏡AI零位標(biāo)志一、光電編碼器工作原理位移傳感器§2-4常用傳感器的工作原理及應(yīng)用B為什么要設(shè)置AB兩條狹縫？AB狹縫距離與碼盤上的狹縫距離之間需滿足什么條件？

光電編碼器的指示光柵上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90相位，用于辨向?！罡鶕?jù)脈沖的數(shù)目可得出被測(cè)軸的角位移；☆根據(jù)脈沖的頻率可得被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速；2.4.1光電編碼器根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)方向。為增強(qiáng)抗干擾能力，可以選擇具有AB相信號(hào)差動(dòng)輸出形式的編碼器。

碼盤里圈，還有一根狹縫I，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。

I相（Z相）的作用☆被測(cè)軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)；☆被測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào)I2.4.1光電編碼器編碼器接線：

Vcc、GND

A、B、I

利用編碼器測(cè)量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。光電編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用2.4.1光電編碼器交流伺服電機(jī)編碼器光電編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用2.4.1光電編碼器光電編碼器直流伺服電機(jī)光電編碼器的選擇原則一般與伺服電機(jī)配套選擇，廠家將編碼器與電機(jī)裝配好編碼器的測(cè)量精度取決于刻線數(shù)若工作環(huán)境中干擾較強(qiáng)，可選擇差動(dòng)信號(hào)輸出（帶有A和B項(xiàng)）的編碼器編碼器的供電電壓能夠方便的提供2.4.1光電編碼器光電編碼器的選擇實(shí)例直流伺服電機(jī)經(jīng)減速箱減速后帶動(dòng)同步帶輪，同步帶輪帶動(dòng)同步帶進(jìn)而拖動(dòng)加樣臂完成直線位移進(jìn)給，已知減速箱的減速比為3：1，同步帶輪節(jié)徑100/3.14mm，要求加樣臂的重復(fù)性位置精度為0.1mm，編碼器的線數(shù)應(yīng)滿足什么條件？2.4.1光電編碼器電機(jī)同步帶輪同步帶連接片滑塊加樣臂減速箱編碼器編碼器選擇實(shí)例F二、光柵透射光柵的結(jié)構(gòu)光柵傳感器是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電接收元件組成

主光柵，是測(cè)量的基準(zhǔn)，另一塊光柵為指示光柵，在使用長(zhǎng)光柵尺的數(shù)控機(jī)床中，主光柵往往固定在床身上不動(dòng)，而指示光柵隨拖板一起移動(dòng)。主光柵的尺寸常由測(cè)量范圍確定，指示光柵則為一小塊，只要能滿足測(cè)量所需的莫爾條紋數(shù)量即可。2.4.2光柵主光柵指示光柵莫爾條紋的產(chǎn)生均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)條紋寬度：

Wω

在直光柵中，若a為刻線寬度，b為縫隙寬度，則ω＝a+b稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù))。通常a＝b，或a:b＝1.1:0.9。線紋密度一般為每毫米100、200、500和1000線。2.4.2光柵4、莫爾條紋的特性☆放大性：

W=ω/θ，夾角θ很小→W>>ω

→光學(xué)放大→提高靈敏度☆莫爾條紋移動(dòng)與柵距成比例：

光柵移動(dòng)一個(gè)柵距ω→莫爾條紋沿垂直方向移動(dòng)一個(gè)間距W☆在一個(gè)柵距內(nèi)，光電元件所檢測(cè)的光強(qiáng)變化為正弦（或余弦）變化。很容易轉(zhuǎn)化為