傳感器技術(shù)應(yīng)用及機(jī)械量檢測

第五章傳感器技術(shù)及機(jī)械量檢測

第一節(jié)傳感器技術(shù)概述一、傳感器的定義及分類

凡接受外界刺激并能產(chǎn)生輸出信號，即可定義為傳感器。傳感器就是用來對所測的量產(chǎn)生響應(yīng)并提供可用的電信號的器件，即把輸入信號變成不同形式輸出信號的裝置，如麥克風(fēng)、拾音器、擴(kuò)音機(jī)、光電管、門鈴等。傳感器的作用是接受外界信息，并將其變?yōu)樾盘?。傳感器用來代替人的五感，即：視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺。人用來取得這些感覺的器官是：眼、耳、鼻、舌和皮膚。傳感器按能量變換的功能可分為兩大類：物理傳感器(包括溫度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、磁傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器、流量傳感器、聲表面波傳感器、半導(dǎo)體致冷器)和化學(xué)傳感器(包括氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器)。根據(jù)傳感器的工作原理不同，一般又可以分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器兩種。物性型傳感器是利用一些材料的物理特性的變化來實(shí)現(xiàn)檢測的。物性型傳感器又稱為固體傳感器，具有體積小、反應(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。目前利用半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)，將敏感器件與外圍電路集成在一起，構(gòu)成所謂集成傳感器，它是目前傳感器研究開發(fā)最有前途的一種。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用彈性管、雙金屬片、電感、電容器等結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行測量的，如氣壓表頭就是一種結(jié)構(gòu)型傳感器。傳感器根據(jù)輸出信號的分類表非電量型電量二值型模擬型數(shù)字型有接點(diǎn)型（微動開關(guān)、接觸開關(guān)、行程開關(guān)）無接點(diǎn)型（光電開關(guān)、接近開關(guān)）電阻型（電位器、電阻應(yīng)變片）電壓、電流型（熱電偶）電感、電容型（可變電容）計數(shù)型（二值型+計數(shù)器）代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器）傳感器傳感器按輸出信號分類如表傳感器作為信號的變換器，其輸出信號原則上是任意類型的，既可以是電量型的，又可以是非電量型的。但在機(jī)電一體化設(shè)備中，對輸出信號為非電量的傳感器，由于信號不便于處理而不予采用。二、傳感器的轉(zhuǎn)換原理傳感器的作用是接受外界信息，并將其變成信號輸出。因此，如果某種材料(半導(dǎo)體材料)受外界加熱，致使這種材料性質(zhì)發(fā)生變化(電阻、電導(dǎo)發(fā)生變化)，通過檢測電阻變化量，就可以知道對應(yīng)的溫度；也就是說，這種材料具有將熱轉(zhuǎn)換成電的功能，人們就利用這種熱—電轉(zhuǎn)換原理來制造熱敏電阻傳感器等。表5—3列出了比較常見的幾種現(xiàn)象之間相互轉(zhuǎn)換原理。

(一)光—電轉(zhuǎn)換

入射光照射到PN結(jié)上時，使PN結(jié)的正向壓降發(fā)生變化，利用這個特性制作光敏二極管和光敏三極管，使光轉(zhuǎn)換為電壓變量。同樣，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，使電阻發(fā)生變化，它將光轉(zhuǎn)換為半導(dǎo)體材料的電阻(或電導(dǎo))變量，如圖所示。

(二)熱—電阻轉(zhuǎn)換將半導(dǎo)體材料或?qū)w加熱或冷卻，使它的電阻發(fā)生變化，應(yīng)用這個效應(yīng)制作熱敏電阻。它將熱轉(zhuǎn)換為電阻變量，如圖所示。光電阻轉(zhuǎn)換圖光電轉(zhuǎn)換光—電轉(zhuǎn)換熱電阻轉(zhuǎn)換(三)力—電壓轉(zhuǎn)換外力作用在電阻應(yīng)變片上，組成電橋的四個電阻的阻值發(fā)生變化，R1、R2電阻增大，而電阻R3、R4，阻值減少，使電橋失去平衡，有信號輸出；輸出電壓與壓力呈線性關(guān)系。應(yīng)用力—電壓轉(zhuǎn)換原理制作壓力傳感器，其線路圖如圖5—3所示(四)力—電荷轉(zhuǎn)換外力作用在壓電晶體(鈮酸鋰、石英晶體等)上時，使其表面產(chǎn)生電荷或電壓變化。根據(jù)這個原理制作壓電傳感器，它將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電荷Q或電壓U變量，如圖5—4所示。力電壓轉(zhuǎn)換壓電轉(zhuǎn)換(五)磁—電轉(zhuǎn)換線圈內(nèi)磁芯作上下移動，磁路中磁阻發(fā)生變化，利用這個效應(yīng)制作磁阻傳感器。它將磁轉(zhuǎn)換為交流電壓的變化，如圖5—5所示。電容傳感器是由介質(zhì)及被介質(zhì)所分開的兩個電極組成的，變化電極間的距離或者改變兩極間的介質(zhì)都可引起電容量的變化。電容傳感器將所測變量轉(zhuǎn)換為電容變量，如圖5—6所示。(六)氣體—電阻轉(zhuǎn)換氧化物半導(dǎo)體材料，如Sn02、ZnO、Fe203等，當(dāng)它接觸氣體時，使其表面(或體內(nèi))電阻變化，如圖5—7所示。利用這種特性磁阻轉(zhuǎn)換電容轉(zhuǎn)換制造各種氣體傳感器，用來檢測一些氣體，它廣泛用于礦井、工業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。它將氣體轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實(shí)現(xiàn)了氣—電轉(zhuǎn)換。(七)溫度—電阻轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體陶瓷(MgCr204—Ti02)材料或多孔性絕緣薄膜Al303(SiO2)制作在襯底材料上，如圖5—8所示，當(dāng)它接觸濕度環(huán)境時，吸附水汽，使其電阻發(fā)生變化；利用這種特性制作濕度傳感器。它將濕度轉(zhuǎn)化為電信號輸出，實(shí)現(xiàn)了濕度—電阻轉(zhuǎn)換。氣體-電阻轉(zhuǎn)換溫度—電阻轉(zhuǎn)換

三、幾種主要傳感器工作原理(一)光傳感器根據(jù)光生伏特效應(yīng)，制造光敏二極管、光敏三極管、太陽電池、電荷耦合器件等。當(dāng)光敏二極管受光照射時，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電子空穴，在外部獲得電流輸出。圖5—9表示光生伏特效應(yīng)的工作原理和電壓—電流特性。(二)溫度傳感器利用半導(dǎo)體材料的熱敏特性制造熱敏電阻，熱敏電阻分為三種：電阻隨溫度升高而減少的負(fù)特性熱敏電阻(NTC)，電阻隨溫度升高而增大的正特性熱敏電阻(PTC)以及達(dá)到某一溫度時電阻急劇變化的臨界特性電流-電壓特性各種熱敏電阻的電阻-溫度特性熱敏電阻(CTR)。圖5—10表示各種熱敏電阻的電阻—溫度特性。一般熱敏電阻的阻值隨溫度變化的曲線是非線性的，要使其線性化，可以串聯(lián)或并聯(lián)外接固定電阻進(jìn)行折線近似。最近，利用硅PN結(jié)的正向壓降隨溫度變化特性，制造溫敏二極管、溫敏三極管、溫控晶閘管、集成化溫度傳感器等，其性能超過熱敏電阻，已廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。(三)壓力傳感器壓力傳感器目前采用半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)，在N型硅面的晶體襯底進(jìn)行拋光等薄片加工，制成圖形膜片；在圓形膜片內(nèi)制作四個擴(kuò)散電阻，組成惠斯登電橋，如圖5—11所示。當(dāng)在膜片上加壓力A）結(jié)構(gòu)B）等效電阻壓力傳感器時，R1、R2電阻值增大，而R3、R4阻值減少，使電橋失去平衡，有信號輸出。半導(dǎo)體擴(kuò)散型壓力傳感器可用于電子血壓計，汽車電子設(shè)備和各種壓縮機(jī)控制等。(四)磁傳感器目前利用半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)，根據(jù)霍爾效應(yīng)制作集成化霍爾器件及MOSFET霍爾器件，已應(yīng)用在汽車點(diǎn)火裝置及無刷電機(jī)上。利用磁場中載流子受磁場的洛倫茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，制造出磁敏二極管和磁敏三極管等。(五)氣體傳感器人們在生活中接觸到各種氣體，有些氣體對人體有益，有些氣體對人體有害，必須加以控制。以前利用Sn02、ZnO、Fe2O3燒結(jié)型氣體傳感器來檢測CO、H2、甲烷、丙烷、異丁烷等氣體。圖5—12是利用半導(dǎo)體材料制造的，n溝鈀柵MOSFET氫氣傳感器

a)版圖b)剖面圖具有一個n溝氫敏鈀柵MOSFET傳感器的設(shè)計圖形和剖面結(jié)構(gòu)；氫氣鈀柵MOSFET傳感器是利用氫氣引起金屬鈀功函數(shù)的改變，進(jìn)而改變MOSFET器件的閾值電壓效應(yīng)而作成的傳感器。(六)濕度傳感器濕度是與人們的生活密切相關(guān)的物理現(xiàn)象。以前采用人的頭發(fā)和馬尾在濕度環(huán)境中引起伸縮作用制作濕度傳感器。最近研制了采用陶瓷和固體電介質(zhì)制作濕度傳感器。圖5—13是利用多孔Al302膜制作的濕度傳感器。濕度傳感器不僅用于各種空調(diào)機(jī)，在電子灶的自動烹調(diào)及露點(diǎn)檢測中，也得到非常廣泛的應(yīng)用。Al2O3膜濕度傳感器(七)熱電傳感器當(dāng)某種物質(zhì)的溫度發(fā)生變化時，表面產(chǎn)生和溫度高低相應(yīng)的電荷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制造熱電傳感器，如圖5—14所示。具有這種效應(yīng)的材料有LiTaO8、PbTiO8、BaTi08等材料。內(nèi)接場效應(yīng)晶體管FET是因?yàn)闊犭娫袘?yīng)電荷量比較小，采用FET以實(shí)現(xiàn)在高阻抗時接收，而最后以適當(dāng)?shù)淖杩馆敵?。目前使用最多的是紅外傳感器。熱電型紅外傳感器(日本三洋TTS-1020)a)結(jié)構(gòu)圖b)基本電路(八)離子傳感器1970年，Bergweld提出了利用半導(dǎo)體器件作為檢測溶液中的離子活度的傳感器；這種傳感器類同于MOSFET，只要把MOSFET的金屬柵去掉，使SiO2暴露出來與被測溶液接觸，在漏源電壓恒定時，漏源電流與溶液中離子種類及濃度有關(guān)，因此稱為離子傳感器(IS—FET)，如圖5—15所示。它將離子活度轉(zhuǎn)換為電信號輸出，實(shí)現(xiàn)了離子活度的測量。離子傳感器吸塵控制電路框圖吸塵剖面圖煤氣報警電路圖自動恒溫電烙鐵

第二節(jié)機(jī)械量檢測傳感器機(jī)電一體化產(chǎn)品中經(jīng)常碰到的機(jī)械量檢測傳感器，包括位移、轉(zhuǎn)角、速度、加速度、角加速度、力、壓力、轉(zhuǎn)矩、荷重等。

一、位置檢測傳感器最簡單也是應(yīng)用最廣泛的是位置傳感器，一般有位置傳感器與坐標(biāo)傳感器之分。位置傳感器一般使用通／斷型的最多，其檢測精度可從以mm為單位的低精度到以μm為單位的高精度，而檢測方式有接觸式與非接觸式兩種。接觸式如限位開關(guān)和接觸開關(guān)，而非接觸式如接近開關(guān)和光電開關(guān)等。

(一)接觸式傳感器圖5—21為日本產(chǎn)接觸傳感器原理結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)觸頭碰到待測物體時，傳感器的內(nèi)部接點(diǎn)由“開”轉(zhuǎn)為“關(guān)”。表5—4繪出部分技術(shù)參數(shù)。接觸式傳感器簡單來說就是高精度開關(guān)，可以測量出微小位移量。如圖5—22所示，當(dāng)物體達(dá)到極限位置時，接點(diǎn)導(dǎo)通或斷開。該傳感器的特點(diǎn)為小型化，而且價格低；缺點(diǎn)是由于接觸開關(guān)故障率高，容易產(chǎn)生噪聲干擾，如圖5—23所示。

因?yàn)槌霈F(xiàn)噪聲，微機(jī)無法辨認(rèn)信號的真?zhèn)?，出錯可能性很大，所以，要采取軟件或硬件的辦法來避開或消除掉這些噪聲，常用的硬件措施如圖5—24所示。除此之外，在工業(yè)設(shè)備上常采用如圖5—25所示的輸入電路。圖5—25所示的電路可以使通／斷的檢測點(diǎn)設(shè)置的相當(dāng)?shù)?，但在開關(guān)接通時由于LED中電流失落。所以，當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時LED電源24V掉落的情況下，從CPU方面來說，它將判定所輸入電路┌────┬────┬────┬────┬────┐│行程│精度│電纜│電源電壓│接觸力││(mm)│(μm)│(m)│(VAC)│(N)│├────┼────┼────┼───┼─────┤│3│0.5～1.5│3│100│0.3～1│└────┴────┴────┴────┴────┘有開關(guān)皆處于接通狀態(tài)。在發(fā)生空輸入時，需要使用軟件來監(jiān)測它，或者用其它電路來監(jiān)測24V電源電壓的掉落。(二)非接觸式傳感器1．高頻振蕩式接近開關(guān)高頻振蕩式在檢測部分有檢測線圈，檢測對象為金屬體。當(dāng)開關(guān)接近金屬體時，檢測線圈的電感量發(fā)生變化，使振蕩回路停振，檢測出這一停振變化，產(chǎn)生輸出信號，其原理如圖5—26所示。高頻振蕩式接近開關(guān)原理示意圖2．靜電電容式接近開關(guān)靜電電容式接近開關(guān)在檢測部分采用導(dǎo)體電極，當(dāng)電極與被測物一接近，檢測部分的導(dǎo)體電極與被測對象之間產(chǎn)生靜電電容變化。利用這一現(xiàn)象制成電容式接近開關(guān)，檢測出這一電容3．光電傳感器光電傳感器是目前產(chǎn)量最多應(yīng)用最廣的傳感器之一，它包括光敏二極管、光敏三極管、半導(dǎo)體色敏器件、太陽電池、電荷耦合器件、光控晶閘管、光耦合器件等。靜電電容式接近開關(guān)原理圖。量的變化，產(chǎn)生輸出信號。因此，被檢測的對象可以是金屬、塑料、紙、陶瓷、玻璃、水、油、溶液、木材等。在位置檢測傳感器中，非接觸式光耦合器件用得最多。它比起接觸式傳感罪，具有造型輕巧、價格便宜、而且不怕污染等優(yōu)點(diǎn)。光耦合器件是一種光電結(jié)合的器件。硅光敏三極管為受光部分，砷化鎵發(fā)光二極管為發(fā)光部分構(gòu)成光耦合器件。工作時，把電信號加到輸入端，使發(fā)光器件發(fā)光，而受光器件管芯在此光輻射的作用下輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電—光—電兩次轉(zhuǎn)換，通過光進(jìn)行了輸入端和輸出端之間的耦合。圖所示是光電三極管型光耦合器件的圖形符號。光電三極管型光耦合器件的圖形符號光耦合器件有透光型與反射型兩種。在透光型光耦合器件中，發(fā)光器件與受光器件面對面安放，在它們之間有一間隔，當(dāng)物體通過這一間隔時，發(fā)射光被切斷。利用這一現(xiàn)象可以檢測出物體的有無。采用這種方式的耦合器件后邊連接的接口電路設(shè)計比較簡單，檢測位置精度也高。反射型光耦合器件從發(fā)光器件來的光反射到物體上面由受光器件來檢測出，比起透光型來顯得體積小，把它放在物體的側(cè)面就能使用。圖為一種反射式光電傳感器脈搏檢測電路。由發(fā)光元件D發(fā)出的光，射入血管中流動的血液，通過受光元件T把來自血液的反射光檢出，經(jīng)放大器放大后，輸出到CMOS或非門，變換成一定的脈沖波，此脈沖數(shù)據(jù)由模擬或數(shù)字計數(shù)器讀出。

光電傳感器脈搏檢測電路

上圖為一光照式遙控開關(guān)電路。這個電路可用于遙控房間內(nèi)遠(yuǎn)離床頭和沙發(fā)椅子的家用電器，如坐在沙發(fā)上或睡在床上，用手電筒即可開關(guān)收錄機(jī)，電視機(jī)、電風(fēng)扇等。工作原理如下：當(dāng)光照射到光敏二極管2CUl上時，KEG—2飽和，繼電器K1動作，常開觸點(diǎn)K1—1吸合，電容C1并接在繼電器K2上，電容器Cl儲存的電能經(jīng)K2放大，使K2獲得電流動作，此時接用電器的常閉觸點(diǎn)K2—2斷路，使電器停止工作，觸點(diǎn)K2—1動作。光照停止，Kl—1釋放，C1光照式遙控開關(guān)上的電能經(jīng)K1-1、K2—1短路放電。繼電器K2由R提供電流保持吸合。在第二次光照時，繼電器K1重新動作，K1—1吸合，電容C1又并接到K2上。這時，因已放電終了的電容器的瞬時充電，使繼電器K2短路而失去電流，K2動作，觸點(diǎn)K2-2，重新閉合，使接用電器工作，達(dá)到遙控目的。

二、位移與角度檢測傳感器

(一)電位差計檢測直線位移或回轉(zhuǎn)位移使用較多的是電位差計。在直線型中，行程可從lcm到25cm左右。在回轉(zhuǎn)型中有一轉(zhuǎn)與多轉(zhuǎn)之別，多轉(zhuǎn)型精度容易做得很高。電位差計原理圖電位差計電氣特性可由可變電阻來表征，如圖所示。該電位差計除特殊場合外，在A、B兩點(diǎn)間加恒定不變的電壓，從C點(diǎn)來觀測電壓值。在這里，電阻設(shè)為R，A、B兩點(diǎn)間的電壓VAB，C點(diǎn)的輸出電壓若取作V0的話，相對于電位差計的回轉(zhuǎn)角的電阻值為：

r（θ）=Kθ式中K為常數(shù)。若電阻值在變更時，其r（θ）=Kθ

V0=電位差計常用在伺服系統(tǒng)中，通過A／D轉(zhuǎn)換器把模擬量電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，在CPU內(nèi)進(jìn)行比較處理。圖為YHD型電阻式位移傳感器的結(jié)構(gòu)，測量軸1和被測機(jī)構(gòu)相接觸。當(dāng)機(jī)構(gòu)移動時，測量軸沿導(dǎo)軌移動，使電刷在滑線電阻上的位置變化，電橋有一個輸出。當(dāng)機(jī)構(gòu)反向移動時，電刷在彈簧的作用下反向移動。在測量正負(fù)位移時，必須預(yù)先使電刷處于中間位置，彈簧有一個預(yù)張力，便于測量軸來回移動。(二)差動變壓器

差動變壓器是利用線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢的變化。它實(shí)際上是一個具有可動鐵心和兩個二次線圈的變壓器，兩線圈接成差動形式，見圖5—33。一次線圈3通以一定頻率的交流電后，兩個二次線圈2和5由于互感作用分別，差動變壓器位移計原理1-線圈架2、5-二次線圈3—一次線圈4—鐵心6-測桿產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2和E3。又因接成差動形式，即兩個感應(yīng)電勢反向串聯(lián)，故輸出電壓為：U=E2-E3在兩個二次線圈完全相同的情況下，當(dāng)鐵心處于中間位置時，兩個二次線圈通過的磁力線相等，因而感應(yīng)電勢E2=E3，則輸出電壓

U=E2-E3=0輸出電壓的方向反映了鐵心的運(yùn)動方向，輸出電壓的大小反映了鐵心的位移大小。單一線圈的感應(yīng)電勢E2(或E3)與鐵心的位移不成線性。而兩個線圈差接后，輸出電壓就與鐵心的位移成線性。(三)磁尺

磁尺是采用錄磁的方法，在一根基體表面涂有磁性膜的尺子上，記錄下一個定波長的N、S極的磁化信號，以此作為基準(zhǔn)刻度標(biāo)尺。檢測時用拾磁磁頭將記錄在磁性標(biāo)尺上的磁信號讀磁尺出來，再轉(zhuǎn)化為電信號。其原理與放磁帶錄音相似。不過磁尺在讀取信號時，磁尺與磁頭的相對移動速度是不同的，在低速運(yùn)動甚至靜止時，也必須能夠讀出信號來，為此采用了磁調(diào)制式磁頭。如圖所示。磁調(diào)制式磁頭的飽和鐵心上有兩個線圈匝數(shù)不等、磁通方向相反的勵磁繞組及兩個串聯(lián)的拾磁(輸出)繞組。在通以適當(dāng)強(qiáng)度的頻率為5kHz或25kHz的勵磁電流后，鐵心產(chǎn)生周期性正反方向飽和磁通，通過鐵心對磁尺上的信號磁通進(jìn)行調(diào)制，在拾磁繞組中將產(chǎn)生具有飽和磁通二次諧波頻率的感應(yīng)電勢E。但是單個磁頭輸出信號小、抗干擾性差。實(shí)際使用時，將幾十個磁頭以一定方式聯(lián)接起來，組成多間隙磁頭。為了辨別磁頭在磁性標(biāo)尺上的移動方向，同時為了滿足相位測量的要求，通常采用間距為(m+)λ的兩組磁頭。兩組磁頭輸出的載頻相位差為90.。磁頭同感應(yīng)同步器一樣，其檢測電路分為振幅檢測和相位檢測。目前通常使用于機(jī)械位移的測量。

(四)光柵位移檢測裝置1．光柵檢測工作原理為了敘述簡單方便起見，下面僅以常用的透射直線光柵為例。光柵位置檢測裝置由光源、長光、短光柵、光電元件等組成。如圖所示，即為光柵的工作原理圖。長光柵G1固定在機(jī)床固定部件上，長度相當(dāng)于工作臺移動的全行程，又稱為標(biāo)尺光柵。短光柵G2裝在機(jī)床的活動部件上，稱為指示光柵。標(biāo)尺光柵和指示光柵都是由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔所組成的。

指示光柵沿著與線紋相垂直的方向移動時，光源通過標(biāo)尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上。當(dāng)指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的透明間隔完全重合時，光電元件接受到光最少，理論上等于零；當(dāng)指示光柵的線紋部分與標(biāo)尺光柵的線紋部分完全重迭時，光電元件接受的光光柵的工作原理最多，因此當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對連續(xù)運(yùn)動時，光電元件所感應(yīng)出來的光電流變化也是連續(xù)的，而且近似于正弦波形。如圖所示。光電流波形莫爾條紋示意圖當(dāng)指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的線紋保持一定間隙、重迭在一起，并在其自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)一很小角度時，兩塊光柵之間的線紋就會相交，這些交點(diǎn)組成了一條條平行的黑色條紋，該條紋即為“莫爾條紋”。莫爾條紋沿著幾乎與光柵線紋垂直的方向排列，即是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直的方向。莫爾條紋的特點(diǎn)：1)放大作用。設(shè)：W為條紋寬度；α為柵距；θ為光柵線紋間的夾角，則它們間關(guān)系為由于θ

很小，所以上式可近似寫成

若α=0.01mm，把“莫爾條紋”的寬度調(diào)成l0mm時，其放大倍率相當(dāng)于1000倍，這就是說，利用光的干涉現(xiàn)象就能把光柵的柵距放大1000倍，這樣就大大減輕了電子線路方面放大的負(fù)擔(dān)，也無須復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，這是光柵技術(shù)的一個重要特點(diǎn)。2)起平均誤差的作用?！澳獱枟l紋”是由一系列刻線的交點(diǎn)組成的，它反映了形成條紋的光柵刻線的平均位置，對各柵距誤差起了平均作用，減弱了光柵制造中的局部誤差和短周期誤差對檢測精度的影響。3)“莫爾條紋”的移動與柵距間的移動成比例。當(dāng)光柵移動一個柵距時，“莫爾條紋”相應(yīng)而準(zhǔn)確地移動一條(W)；若往相反方向移動時，條紋也往相反方向移動。所以，“莫爾條紋”移動規(guī)律為：若標(biāo)尺光柵不動，而將指示光柵按順時針方向轉(zhuǎn)一個很小的角度(設(shè)該角度為—θ)后，并使指示光柵向右移動，則“莫爾條紋”向下移動；反之，當(dāng)指示光柵向左移動時，則條紋向上移動，如圖5—37a所示；如果將指示光柵按逆時針方向轉(zhuǎn)一角度(+θ)，當(dāng)指示光柵向右移動時(如圖5—39所示)，則條紋向上移動；當(dāng)指示光柵向左移動時，則條紋向下移動。光學(xué)系統(tǒng)方框圖2．光柵的分類及特點(diǎn)(1)光柵的分類按檢測位移性質(zhì)可分為：1)直線式光柵。為測量直線位移的光柵。2)回轉(zhuǎn)式光柵。為測量角度的光柵。按制造光柵的材料可分為：玻璃光柵和金屬光柵。按光源照射方法可分為：1)透射光柵。在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋。2)反射光柵。在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的條紋。(2)光柵的特點(diǎn)1)玻璃透射光柵在玻璃表面感光材料涂層上(如超微粒明膠)制成光柵線紋。如圖5—4l所示。特點(diǎn)：①光源可以采用垂直入射光，光電元件能直接接受，因此信號幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器(讀數(shù)頭)的結(jié)構(gòu)簡單。②同時透射光柵每毫米的線紋數(shù)多。一般常用的黑白光柵(即柵線與線隙是黑白相間的)做到每毫米100條線紋并不困難。這樣，由光柵本身就已細(xì)分到0.01mm值．從而可以減輕電子線路的負(fù)擔(dān)。如每毫米100線光柵，通過電子線路的十倍頻，則其最小讀數(shù)值為1μm。③長度不能做的太長，目前達(dá)到2m左右。透明光柵2)金屬反射光柵在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上用照相腐蝕工藝制造光柵；也有用鉆石刀在鏡面上直接刻制。特點(diǎn)：①線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床用的普通鋼材或鑄鐵一致。②容易接長，甚至可用鋼帶制成整根的長光柵，不易碰碎。③標(biāo)尺光柵安裝在機(jī)床上需要的面積小。④標(biāo)尺光柵的安裝、調(diào)整比較方便，可以直接用螺釘或壓板固定在機(jī)床床身上。⑤目前常用的反射光柵每毫米線紋數(shù)為：4、10、25、40、50線。

(五)光電編碼器1.光電編碼器的分類編碼器為數(shù)字式回轉(zhuǎn)位移檢測傳感器，根據(jù)輸出信號的特征，常常將光電編碼器分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。(1)增量式光電編碼器輸入軸轉(zhuǎn)角分成一系列位置的增量，敏感元件對這些增量響應(yīng)，每當(dāng)出現(xiàn)一個單位增量時，敏感元件就向計數(shù)器發(fā)出一個脈沖，計數(shù)器把這些計數(shù)脈沖累加起來，并以各種進(jìn)制的代碼形式在輸出端給出所需要的輸入角度瞬時值的信息。當(dāng)前這種光電編碼器的用量最大，約占光電編碼器總用量的80％。這種光電編碼器的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。缺點(diǎn)是這種編碼器無固定零位，遇到停電等故障所有信息全部丟失。為了避免這個缺點(diǎn)，一種帶固定零位的增量式光電編碼器兼容了絕對式光電編碼器的特點(diǎn)。目前這種編碼器的分辨率已達(dá)到1”，即編碼器每轉(zhuǎn)一周可輸出1296000個脈沖，并且無需通過電路細(xì)分。(2)絕對式光電編碼器這種編碼器也叫空間編碼器或直讀式編碼器。轉(zhuǎn)角的代碼是由一個多圈同心碼道的碼盤紿出的，具有固定零位，對于一個轉(zhuǎn)角位置，只有一個確定的數(shù)字代碼。其優(yōu)點(diǎn)是具有固定的零位，角度值的代碼單值化，無累計誤差，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是敏感元件多，碼盤圖案、制造工藝復(fù)雜，成本也高。這種編碼器可作為一個測角儀使用，早期多用于軍事裝備和設(shè)施上，目前這種編碼器已做到24位，分辨率達(dá)0.077"(美國BEI公司)。(3)正弦波光電編碼器作為A／D轉(zhuǎn)換器的光電編碼器，一般輸出矩形波脈沖信號。當(dāng)輸出信號要求進(jìn)一步提高分辨率或需要輸出模擬量時，往往要用輸出正弦波的光電編碼器。為提高細(xì)分精度，對這種編碼器輸出的信號要求有嚴(yán)格的正弦性、等幅性和正交性。(六)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種檢測機(jī)械角位移或者直線位移的精密傳感器。在伺服系統(tǒng)中，它提供被測部件偏移基準(zhǔn)點(diǎn)的角度和位置的測量電信號。由于它成本低，受周圍環(huán)境溫度影響小，所以在位移檢測中得到廣泛應(yīng)用。感應(yīng)同步器按其運(yùn)動方式的不同分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。前者用于長度測量，后者用于角度測量。

感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，如圖所示。其制造工藝是先在基板(玻璃或金屬)上涂上一層絕緣粘合材料，將銅泊粘牢，用制造印刷線路扳的腐蝕方法制成節(jié)距一般為2mm的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的?；呱戏植贾鴥蓚€勵磁繞組，分別稱為正弦繞組(S繞組)和余弦繞組(Cmm)。感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖在滑尺的正弦繞組中，施加頻率為f(一般為2-10kHz)的交變電流時，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，滑尺繞組磁通全部交鏈于定尺繞組，所以其感應(yīng)電勢為正向最大。移動1／4節(jié)距后，兩繞組磁通不交鏈，即交鏈磁通量為零；再移動1／4節(jié)距后，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，周期性的重復(fù)變化一次，其感應(yīng)電勢隨位置按余弦規(guī)律變化，見圖a。同樣，若在滑尺的余弦繞組中，施加頻率為f的交變電流時，定尺繞組上也感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電勢。其感應(yīng)電勢隨位置按正弦規(guī)律變化(見圖b)。設(shè)正弦繞組供電電壓為us，余弦繞組供電定尺感應(yīng)電勢波形圖電壓Uc,移動距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為：余弦繞組總感應(yīng)電勢感應(yīng)同步器用于位置檢測時，有相位和幅值兩種工作法。(1)相位工作法當(dāng)滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值、但相位相差90。的兩個電壓時，定尺感應(yīng)電勢的相應(yīng)隨滑尺位置而變。設(shè)根據(jù)感應(yīng)電勢的相位，就可以測定滑尺的位置。(2)幅值工作法這種工作法在感應(yīng)同步器滑尺S、C兩繞組上輸入同頻率同相位、但幅值不等的兩個交流電壓=+=式中——感應(yīng)電勢的幅值；

Um-——滑尺勵磁電壓最大的幅值；

ω——滑尺交流勵磁電壓的角頻率，ω=2πf；φ——函數(shù)發(fā)生器的輸出信號，跟蹤φ的電氣角=實(shí)際應(yīng)用中，在滑尺移動時，θ角是連續(xù)變化的，而φ角則是按“細(xì)分”的程度跳躍變化的。例如，將半周期π細(xì)分為l00份，則φ以1.8。為單位跳躍變化，所以φ的變化量可以用計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。并用數(shù)字顯示裝置顯示出來。三、速度與角速度的測量(一)測速發(fā)電機(jī)檢測轉(zhuǎn)速最有代表性的儀器就是測速發(fā)電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)如圖所示，有交流式和直流式之分，其原理是發(fā)電機(jī)原理。因?yàn)檫M(jìn)行伺服控制時多采用直流測速發(fā)電機(jī)。直流測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輔出電壓之間的況下，由于電刷的關(guān)系，產(chǎn)生的脈沖是一種細(xì)微振動，這是在使用過程中應(yīng)當(dāng)注意的地方。為了提高檢測靈敏度，應(yīng)盡可能把它直接聯(lián)結(jié)到電機(jī)軸上。另外有的電機(jī)本身就安裝了測速發(fā)電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)(二)電機(jī)反電勢檢測法由于直流電機(jī)的反電勢與轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，所以在正常旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以檢測出反電勢。圖所示為其基本電路，從電機(jī)電樞電壓除掉電樞電阻壓降部分就是反電勢。在這種場合下，加速時或加負(fù)荷過程中都不能正確得到反電勢。然而，在檢測器未連接上時可以很方便地知道速度的概略變化。電機(jī)反電勢測量

四、加速度傳感器加速度傳感器又名振動傳感器，測量加速度時可在上述測速基礎(chǔ)上進(jìn)行微分，或者變換成力來求得。力型加速度計如圖所示。

法碼的位移如圖a那樣，應(yīng)變片以得到加速度信息。利用圖b所示差動變壓器的原理來獲得加速度信息力型加速度計原理示意圖（a）（b）

在利用電流控制直流電機(jī)時，利用無負(fù)載時的電流與轉(zhuǎn)角加速度成比例關(guān)系，可檢測到電流，求出加速度；而在向外部輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，轉(zhuǎn)矩電流是必要的，利用這種方法測量加速度就不準(zhǔn)確了。使用加速度計檢測振動，通過微機(jī)控制加工過程的安全。因?yàn)檎駝有盘柺悄M信號，所以在讀入信號之前需要由A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，如圖所示。改變一下振動傳感器的用法，例如根據(jù)振動信號的圖形，可以對機(jī)械故障進(jìn)行診斷。另外，像齒輪的缺齒、軸承的損傷等也可用這類傳感器來檢查。采用微機(jī)測量加速度系統(tǒng)