伺服系統(tǒng)中的傳感器與檢測系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)中的傳感器與檢測系統(tǒng)第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日計數(shù)型（二次型+計數(shù)型）

電壓，電流型（熱電偶,Cds電池）電感，電容型（可變電容）有接點型(微動開關(guān)，接觸開關(guān)，行程開關(guān))電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）二值型電量無接點型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.2線位移檢測傳感器包括光柵位移傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵位移傳感器等。2.2.1光柵位移傳感器（1）光柵的結(jié)構(gòu)在玻璃尺或玻璃盤進行長刻線（一般為10～12mm）的密集刻劃，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是光柵。光柵種類很多，按工作原理分為物理光柵和計量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者用于精密位移測量和精密機械自動控制等。計量光柵又分為長光柵和圓光柵。

長光柵主要用于測量長度，條紋密度有每毫米25、50、100、250條等。圓光柵也稱光柵盤，其刻線刻制在玻璃盤上，用來測量角度或角位移。第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日光柵上的刻線稱為柵線（不透光），柵線寬度為a，縫隙（透光）寬度為b，一般取a=b，W（W=a+b）稱為光柵的柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)）。第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）光柵傳感器的組成及工作原理光柵傳感器由光源、透鏡、主光柵（標(biāo)尺光柵）、指示光柵和光電元件構(gòu)成。光源和透鏡組成照明系統(tǒng)，光線經(jīng)過透鏡后成平行光投向光柵。主光柵與指示光柵在平行光照射下，形成莫爾條紋。光電元件主要有光電池和光敏晶體管，它把莫爾條紋的明暗強弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日主光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，主光柵可以接長。主光柵與指示光柵之間的距離d可以根據(jù)光柵的柵距進行選擇，一般取d=W2/λ，W為柵距，λ為有效光波長。測量系統(tǒng)的精度主要由主光柵的精度決定。第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日莫爾條紋是指當(dāng)指示光柵與主光柵的柵線有一個微小的夾角θ時，由于擋光效應(yīng)(當(dāng)線紋密度≤50條/mm時)或光的衍射作用(當(dāng)線紋密度≥100條/mm時)，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距W大的多的明暗相間的條紋，相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫爾條紋間距。第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日當(dāng)光柵之間的夾角θ很小，且兩光柵的柵距都為W時，莫爾條紋間距B（a-a間距）為：K為放大倍數(shù)。由于θ值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為橫向莫爾條紋。

第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日莫爾條紋具有如下特點：1）運動對應(yīng)關(guān)系：任意一個光柵沿垂直于柵線的方向每移動一個柵距W，莫爾條紋近似沿柵線方向移動一個條紋間距；光柵反方向移動時，莫爾條紋也作反方向移動。因此可以通過測量莫爾條紋的移動量和移動方向判斷主光柵（或指示光柵）的位移量和位移方向。2）位移放大：由于θ值很小，光柵具有位移放大作用，放大系數(shù)為：3）減小誤差：莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的。對光柵的刻線誤差有平均作用。個別柵線的柵距誤差或斷線等疵病對莫爾條紋的影響很小，從而提高了光柵傳感器的可靠性和測量精度。第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日通過前面的分析知道，主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋就變化一個周期2π，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋的變化變成電信號，電壓的大小對應(yīng)于與莫爾條紋的亮度，它的波形近似于一個直流分量和一個正弦波交流分量的疊加。 式中 W——柵距；

x——主光柵與指示光柵間瞬時位移；

U0——直流電壓分量；

Um——交流電壓分量幅值；

U——輸出電壓。第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日將該電壓信號放大、整形使其變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積：第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日由于光柵傳感器只能產(chǎn)生一個正弦信號，因此不能判斷x移動的方向。為了能夠辨別方向，需要在間距為B/4的位置設(shè)置兩個光電元件，以得到兩個相位差為90°的正弦信號，然后將信號送到辨向電路中去處理。第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日（a）（b）第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日當(dāng)主光柵向左移動，莫爾條紋向上運動時，光電元件1和2分別輸出如前圖（a）所示的電壓信號u1、u2，經(jīng)過放大整形后得到相位相差90°的兩個方波信號u’1、u’2。u’1經(jīng)反相后得到方波u”1。u’1和u”1經(jīng)RC微分電路后得到兩組光脈沖信號u’1w和u”1w，分別加到與門Y1和Y2的輸入端。對與門Y1，由于u’1w處于高電平時u’2總是低電平，故脈沖被阻塞Y1無輸出。對與門Y2，u’1w處于高電平時u’2也正處于高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置“1”，可逆計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進行加法計數(shù)。同理，當(dāng)主光柵反向移動時，輸出信號波形如圖（b）所示，與門Y2阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發(fā)器置“0”，可逆計數(shù)器對與門Y1輸出的脈沖進行減法計數(shù)。這樣每當(dāng)光柵移動一個柵距時，辨向電路只輸出一個脈沖，計數(shù)器所計的脈沖數(shù)即代表光柵位移。第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測得比柵距更小的位移量，可以增加刻線密度，但這種方法制造、安裝及調(diào)試困難；采用細分技術(shù)：它是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出若干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當(dāng)量的方法。在一個莫爾條紋的間隔內(nèi)，放置若干個光電元件，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n個脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.2.2感應(yīng)同步器（1)感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器由兩個印刷電路繞組構(gòu)成，類似于變壓器的初、次級繞組，又稱平面變壓器。相對位移會引起兩個繞組間的互感量變化，因此可以測量位移，分為直線型（直線位移）和圓盤型（角位移）。

直線型感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)：

由定尺和滑尺組成——定尺安裝在固定部件上（如機床臺座），滑尺與運動部件（如機床刀架）一起沿定尺移動。繞組分布不同——定尺是連續(xù)繞組，滑尺是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差90相角，又稱為正、余弦繞組。第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日節(jié)距第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）感應(yīng)同步器的工作原理定尺或滑尺其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢隨定尺與滑尺的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。再通過對此信號的處理，便可測量出直線位移量。定尺與滑尺間的氣隙應(yīng)保持在0.25±0.05mm范圍內(nèi)。第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日在滑尺上施加的正弦激磁電壓為：正弦或余弦繞組在定尺上相應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分別為：式中：x—機械位移；W—繞組節(jié)距；正、負號表示滑尺移動的方向。第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日感應(yīng)同步器的輸出信號是一個反映定尺與滑尺相對位移的交變感應(yīng)電勢，可以通過鑒相法或鑒幅法對輸出信號進行處理，得到位移信息。

鑒相法：根據(jù)感生電勢的相位鑒別位移量；在滑尺的正弦、余弦繞組上施加頻率相同、幅值相同、相位差為90的交流電壓勵磁，即定尺輸出的總感應(yīng)電勢為：將感生電勢輸入數(shù)字鑒相電路，可由相位得到位移。第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日鑒幅法：根據(jù)感生電勢的幅值鑒別位移量。在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、幅值不同的正弦勵磁電壓，即定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢為：將感生電勢輸入數(shù)字鑒幅電路，可由幅值得到位移。第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日感應(yīng)同步器的優(yōu)點：輸出信號不經(jīng)過機械傳動機構(gòu)，有較高的精度與分辨力；基于電磁感應(yīng)原理，幾乎不受溫度、油污、塵埃等影響，抗干擾能力強；定尺與滑尺是非接觸測量，使用壽命長，維護簡單；可以作長距離位移測量，行程從幾米到幾十米；工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.2.3磁柵式位移傳感器

（1）磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

1—磁性膜2—基體3—磁尺4—磁頭5—鐵芯6—勵磁繞組7—拾磁繞組第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當(dāng)磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：U0——輸出電壓系數(shù)；

λ——磁尺上磁化信號的節(jié)距；χ——磁頭相對磁尺的位移；ω——勵磁電壓的角頻率。式中：

在實際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動的方向第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3)測量方式鑒幅測量方式:如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日鑒相測量方式：將一組磁頭的勵磁信號移相90°，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.3角位移檢測傳感器2.3.1旋轉(zhuǎn)變壓器（1）旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成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、Z2）短接。第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3）測量方式當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90°的交變激磁電壓時，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和，即式中:k=w1/w2——旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比

w1、w2——轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù)第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日線性旋轉(zhuǎn)變壓器實際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為±60°），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系。此時輸出電壓為（k取0.5時）第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.3.2光電編碼器

角度編碼器是測量角位移的最直接、最有效的數(shù)字式傳感器，它把角位移直接轉(zhuǎn)換成脈沖或二進制編碼，分為增量編碼器（脈沖盤式）和絕對編碼器（碼盤式）。按結(jié)構(gòu)分為光電式、接觸式和電磁式三種。光電式具有非接觸、體積小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特點，在數(shù)控機床、機器人位置控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。光電式編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼“0或1”——不透光或透光區(qū)域。第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為24=16個。每個數(shù)位都對應(yīng)有一個光電器件及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)字信號。標(biāo)準二進制編碼器(8421碼盤)紅色不透光——“0”角度分辨率為：（1）絕對值編碼器第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日由于光電器件安裝誤差的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段邊緣交替位置時，就會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)碼盤由位置“0111”變?yōu)椤?000”時——四位數(shù)要同時變化，可能將數(shù)碼誤讀成1111、1011、1101、……、0001等，產(chǎn)生無法估計的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。實際絕對編碼器常采用二進制循環(huán)碼盤（格雷碼盤）；第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即由“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)——有效消除非單值性誤差。格雷碼盤第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有信號位處的光電元件有信號才能讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日（2）增量編碼器一般只有三個碼道，不直接輸出編碼。外碼道——產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道；內(nèi)碼道——辨向碼道，其辨向方法與光柵的辨向原理相同。中間碼道——開有一個窄縫，用于產(chǎn)生定位或零位信號。光電脈沖信號通過整形、放大、細分、辨向后輸出脈沖信號或顯示角位移，分辨率以每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)表示。第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日除了測量角位移，還可通過脈沖測量轉(zhuǎn)速。f為脈沖頻率：每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T時間內(nèi)測得m個脈沖，則轉(zhuǎn)速為：每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，測得兩相鄰脈沖間包含m2個時鐘脈沖，時鐘周期為Tc，則轉(zhuǎn)速為：第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日增量式編碼器結(jié)構(gòu)第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.4速度、加速度傳感器2.4.1直流測速發(fā)電機

測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。如圖所示為永磁式測速發(fā)電機原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢。第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日直流測速發(fā)電機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。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軸上。有的電機本身就已安裝了測速發(fā)電機。當(dāng)直流測速發(fā)電機的輸出端與測量電路構(gòu)成回路后，直流測速發(fā)電機就相當(dāng)于一個電源，感應(yīng)電勢為電源電勢，電樞繞組的電阻值Ra相當(dāng)于電源的內(nèi)阻，電刷之間的輸出電壓Ua的計算公式為：第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日

2.4.2光電式速度傳感器

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(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)速為第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日光源聚光帶縫隙圓盤第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日

2.4.3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慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日

電阻應(yīng)變式加速度計結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘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。第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構(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。壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。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。第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.5傳感器的正確選擇和使用2.5.1傳感器的選擇（1）測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。（2）傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護等。（3）使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.5.2傳感器的正確使用（1）線性化處理與補償在機電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進行顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。（2）傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級的標(biāo)準量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進行標(biāo)定，使用一段時間后還要定期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計指標(biāo)。第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3）抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有