第3章-機電一體化系統(tǒng)傳感與檢測系統(tǒng)設計

第3章

傳感與檢測系統(tǒng)設計3.1概述3.2常見傳感器的原理及應用3.3檢測系統(tǒng)設計思考題回目錄3.1概述3.1.1檢測系統(tǒng)的功用、組成及基本要求3.1.2傳感器的分類與選用3.1.3檢測系統(tǒng)設計的任務、方法和步驟

3.1.1.檢測系統(tǒng)的功用、組成及基本要求檢測系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品中的一個重要組成部分，用于實現(xiàn)計測功能。在機電一體化產(chǎn)品中，傳感器的作用就相當于人的感官，用于檢測有關外部環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量(如力、溫度、距離、變形、位置、速度、加速度、功率等)及其變化，并將這些信號轉變?yōu)殡娦盘?，然后再通過相應的變換、放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波、運算等電路，將有用信號檢測出來，反饋給控制裝置或送去顯示。實現(xiàn)上述功能的傳感器及其相應的信號檢測電路，就構成了機電一體化產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)。在機電一體化系統(tǒng)中，需要檢測的量絕大部分是非電量，而計算機只能處理電量，因此，檢測系統(tǒng)一般包括如圖3-1所示兩個環(huán)節(jié)：1．把各種非電量信號轉換為電信號，這就是傳感器的功能。例如將機械位移量轉換為電阻、電容或電感等電參數(shù)的變化；將振動或聲音轉換成電壓或電荷的變化。傳感器又稱為“一次儀表”。2．對傳感器送出的電信號進行加工，使之成為合乎需要的、便于輸送或顯示和記錄的、可作進一步后續(xù)處理的信號。如將阻抗變換為電壓或電流，再將信號進行一系列處理最終轉換成數(shù)字編碼信號。這叫電信號處理系統(tǒng)，通常又稱為“二次儀表”。圖3-1非電量檢測系統(tǒng)的結構形式一次儀表二次儀表由于檢測系統(tǒng)一般是由傳感器和若干變換環(huán)節(jié)組成，為了保證檢測過程中能夠忠實地把所需信息從信號源通過其載體信號傳輸?shù)捷敵龆?，整個過程既不失真也不受干擾，傳感器及其檢測系統(tǒng)必須滿足以下基本要求：①精度、靈敏度和分辨率高，能滿足機電一體化系統(tǒng)對檢測精度和速度的要求；②線性、穩(wěn)定性和重復性好，工作可靠；③靜、動態(tài)特性好，測量范圍較大；④抗干擾能力強。除此之外，為了適應機電一體化產(chǎn)品的特點并滿足機電一體化設計的需要，還對傳感器及其檢測系統(tǒng)提出了一些特殊要求，如體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、安裝與維修方便、對環(huán)境適應能力強等。

3.1.2.傳感器的分類與選用傳感器種類繁多，分類方法也有多種，如按被測物理量分類，按傳感器工作原理分類，按傳感器轉換能量的情況分類等等。這里將傳感器按輸出信號的性質(zhì)分類，分為二值型、模擬型和數(shù)字型，如圖4-2所示。

二值型傳感器只輸出“l(fā)”和“0”或開(ON)和關(OFF)兩個值。如果傳感器的輸入物理量達到某個值以上時其輸出為“l(fā)”(ON狀態(tài))，在該值以下時輸出為“0”(OFF狀態(tài))，其臨界值就是開、關的設定位。這種“l(fā)”和“0”數(shù)字信號可直接送入微型機進行處理。如：鍵盤、按鈕。圖3-2傳感器按輸出信號性質(zhì)分類傳感器開關型（二值型）接觸型（微動開關、接觸開關等）非接觸型（光電開關、接近開關等）模擬型電阻型（電位器、電阻應變片等）電壓、電流型（熱電耦、光電電池、壓電元件等）電感、電容型（電感、電容式位移傳感器等）數(shù)字型記數(shù)型（二值＋計數(shù)器等）代碼型（編碼器、磁尺等）

模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對應的連續(xù)變化的電量。傳感器的輸入／輸出關系可能是線性的，也可能是非線性的。線性輸出信號可直接采用，而非線性輸出信號則需進行線性化處理。這些線性信號一般需進行模擬／數(shù)字轉換(A／D)，將其轉換成數(shù)字信號后再送給微型機處理。如：測速發(fā)電機檢測速度可獲得連續(xù)變化的電壓信號，應變片檢測應力可獲得連續(xù)變化的電阻信號。

數(shù)字型傳感器有計數(shù)型和代碼型兩大類。計數(shù)型又稱脈沖計數(shù)型，它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計數(shù)器就可以對輸入量進行計數(shù)。如用來檢測通過輸送帶上的產(chǎn)品個數(shù)。代碼型傳感器即絕對值式編碼器，通常被用來檢測執(zhí)行元件的位置或速度。如：絕對值型光電編碼器、接觸型編碼器等。設計機電一體化產(chǎn)品時，一般根據(jù)被測物理量的性質(zhì)和檢測要求來選用傳感器。通常，選擇傳感器需從以下幾個方面考慮：1．檢測要求和條件。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．傳感器性能。精度、穩(wěn)定性、響應速度、輸出量性質(zhì)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、與其它設備的連接、備件與維修服務等。

3.1.3.檢測系統(tǒng)設計的任務、方法和步驟目前，傳感器技術已經(jīng)形成了一個新型科學技術領域，即傳感器工程學。傳感器也形成專業(yè)化生產(chǎn)，市場上有各種各樣的傳感器可供選用。因而對于從事機電一體化研究、應用和產(chǎn)品開發(fā)的工程技術人員來說，檢測系統(tǒng)設計的主要任務是：根據(jù)使用要求合理選用傳感器，設計或選用相應的信號檢測與處理電路以構成檢測系統(tǒng)，并對檢測系統(tǒng)進行分析與調(diào)試，使之在機電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)預期的計測功能。檢測系統(tǒng)的主要設計方法是實驗分析法，即理論分析與實驗測試相結合的方法。檢測系統(tǒng)設計的一般步驟如下：1．設計任務分析。主要包括對機電一體化產(chǎn)品整體功能、性能和應用場合的了解，以及產(chǎn)品對檢測系統(tǒng)具體性能要求的分析。2．系統(tǒng)方案選擇。包括傳感器及信號加工、處理方法的選擇。應在大量調(diào)查研究的基礎上，進行充分的方案論證，甚至做一些必要的原理性模擬試驗，以保證所選定的方案是最佳的或較佳的。3．系統(tǒng)構成框圖設計。4．環(huán)節(jié)設計與制造。各環(huán)節(jié)結構應盡量選用現(xiàn)有的各種功能電路甚至集成電路芯片，當不能完全滿足要求時，可進行適當?shù)膮?shù)修改或補充設計。各環(huán)節(jié)電路制作完成后，應進行必要的調(diào)試，以達到設計指標要求。5．總裝調(diào)試及實驗分析。6．系統(tǒng)運行和考核。檢測系統(tǒng)最終要納入到機電一體化產(chǎn)品中與其它系統(tǒng)協(xié)調(diào)、統(tǒng)一地運行，因此其性能還要在整個產(chǎn)品的運行中進行考核，并考慮與其它系統(tǒng)的匹配關系進行修改和完善。檢測系統(tǒng)的設計過程是很復雜的，涉及到較深的傳感器、電路及信息處理方面的理論知識，而且往往要經(jīng)過多次反復才能完成。本章介紹一些機電一體化設計中經(jīng)常用到的傳感器及相應的信號檢測與處理電路，以及信息的計算機采集和預處理方法。3.2常見傳感器的原理及應用3.2.1位移傳感器3.2.2速度檢測傳感器3.2.3位置傳感器3.2.4壓力傳感器3.2.5溫度傳感器3.2.6聲敏傳感器

3.2.1位移傳感器位移傳感器是一種非常重要的傳感器，它直接影響著系統(tǒng)的控制精度。位移可分為角位移和直線位移兩種。因此位移傳感器也有與其對應的兩種形式，直線位移傳感器和角位移傳感器。直線位移傳感器主要有：電感傳感器、差動變壓器傳感器、電容傳感器、感應同步器和光柵傳感器等。角位移傳感器主要有：電容傳感器、旋轉變壓器和光電編碼盤等。而電感傳感器和電容傳感器主要用于小量程和高精度的測量系統(tǒng)。一.電感傳感器典型的可變磁阻式電感傳感器的結構如圖3-3所示,它主要由線圈、鐵心和活動銜鐵組成。圖3-3可變磁阻式電感傳感器當線圈通以激磁電流時，其自感L與磁路的總磁阻Rm有關,即式中：μ0——空氣磁導率（H／m）,其值為2π×10-7；A0——空氣隙導磁截面積（m2）；δ——空氣隙(m)；W——線圈匝數(shù)；Rm——總磁阻。上式表明，自感L與空氣隙δ的大小成反比，與空氣隙導磁截面積A0成正比。當A0固定不變時，改變δ可以反映位移的變化，當然L與δ成非線性關系。也可以根據(jù)截面積變化引起電感L變化的原理構成截面型和磁心型傳感器。如圖3-4所示為差動式磁心型傳感器。圖3-4可變磁阻差動式傳感器當活動銜鐵接于中間位置（位移為零）時，兩線圈的自感L相等，輸出為零。當銜鐵有位移Δδ時，兩個線圈的間隙為δ0+Δδ，δ0-Δδ,這表明一個線圈的自感增加，而另一個線圈的自感減小。差動形式連接可以提高靈敏度和線性度，增強抗干擾能力。為了能把這種變化量用電量反映出來，一般都采用如圖3-5所示的橋式電路。設Z1＝Z2＝Z，則有，上移為正，下移為負。為電阻變化量。圖3-5可變磁阻差動式傳感器U0UscZ1Z2UU可以看出：輸出電壓幅值相等，方向相反。由于U0是一個幅值變化的交流信號，因此需要解調(diào)。如果采用無相位鑒別的整流器進行解調(diào)，則輸出電壓與位移的關系曲線便如圖3-6(a)所示。為克服用這種方法不能辨別方向的缺點，一般都需要使用能反映極性的相敏整流法，它的輸出特性曲線如圖(b)所示。圖3-6(a)(b)圖3-7可變磁阻面積型電感傳感器如圖3-7所示為可變磁阻面積型傳感器。二.差動變壓傳感器電感傳感器是把位移量的變化轉化為電感的變化，而差動變壓器傳感器則是把位移量的變化轉化為兩個線圈之間的互感變化。圖3-8表示一個三段型的差動變壓器的傳感器原理圖。線圈分為初級線圈W和次級線圈W1及W2，線圈中心插入圓柱形鐵心p。當初級線圈中輸入交流電壓U時，線圈中有交流電流流過，便產(chǎn)生磁通通過線圈W1，在線圈W1中產(chǎn)生感應電勢；另一部分磁通則通過線圈W2，并在其中產(chǎn)生感應電勢，它們可由下式確定：圖3-8差動變壓器式電感傳感器當連接成如圖4-9所示橋式電路，且顯然，當鐵心在中間位置時，M1＝M2，Usc＝0；當鐵心向上移動時，M1>M2，Usc>0；反之，M1<M2，Usc<0。隨鐵心偏離中點的距離增大而增大，同樣也是一個調(diào)幅正弦信號，可以用與電感傳感器相同的方法來處理。圖3-9差動變壓傳感器的橋式電路三.電容傳感器電容傳感器由兩塊平行的金屬板構成。一般通過改變板間距離、相對面積或介質(zhì)特性所引起的電容量變化來反映相應的位移量的變化。電容傳感器有很多優(yōu)點：所需的作用能量??；能在惡劣的環(huán)境下工作；本身發(fā)熱影響??；動態(tài)響應快。電容傳感器的缺點是存在著非線性和泄漏等問題。電容傳感器也常做成差動形式。電容檢測電路有電橋型電路、調(diào)頻電路、諧振電路、二極管T形網(wǎng)絡電路和脈寬調(diào)制電路等幾種。此處不再詳述。四.旋轉變壓器檢測系統(tǒng)旋轉變壓器是一種利用電磁感應原理將轉角變換為電壓信號的傳感器。由于它結構簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，輸出信號大，抗干擾性好，因此被廣泛應用于機電一體化產(chǎn)品中。

(一)旋轉變壓器的構造和工作原理旋轉變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉子組成，定子和轉子之間的氣隙中磁通分布符合正弦規(guī)律。在定子上有激磁繞組Sl—S2和輔助繞組K1—K2，兩個繞組的軸線正交；轉子上也有兩個互相垂直的繞組A1

—A2和B1—B2，如圖3-10所示。圖3-10旋轉變壓器構造原理工作時需要在定子繞組施加交流激磁電壓(頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種)，通過電磁耦合，在轉子繞組上就感應出與轉子轉角相對應的電壓。轉子繞組的引出線與滑環(huán)相連，再經(jīng)電刷引到接線板上與檢測電路相連。旋轉變壓器的工作原理與普通變壓器相似。不同的是：普通變壓器的輸入、輸出兩個繞組的位置是固定的，其輸出電壓與輸入電壓之比為一常數(shù)，而旋轉變壓器的輸入、輸出繞組分別固定在定子和轉子上，所以輸出電壓大小與轉子位置有關。以兩極旋轉變壓器為例(圖3-11)。圖3-11兩極旋轉變壓的電氣原理設施加在定子繞組Sl—S2中的激磁電壓是頻率為ω、隨時間t變化的交流電壓Us＝Umsinωt，則轉子繞組B1—B2中的感應電勢為

UB＝K·Us·

sinθ=KUmsinωtsinθ

式中，K—變壓比；Um—定子繞組中交變電壓的幅值；θ—轉子的轉角，當轉子和定子的磁軸垂直時θ＝0°。由上式可知，轉子繞組中的感應電勢UB也是頻率為ω、隨時間t變化的交變電壓信號，其幅值KUmsinθ隨轉子和定子的相對位置θ按正弦函數(shù)變化。因此，只要測量出轉子繞組中的感應電勢的幅值，便可間接地得到轉子相對定子的位置，即θ角的大小。當轉子繞組中接以負載時，其繞組中便有正弦感應電流通過，該電流所產(chǎn)生的交變磁通將使定子和轉子間氣隙中的合成磁通畸變，從而使轉子繞組中輸出電壓也發(fā)生畸變。為了克服上述缺點，實際應用中常采用四極繞組式旋轉變壓器，如圖3-10所示，其定子和轉子繞組均由兩個匝數(shù)相等，且相互垂直的繞組構成。一個轉子繞組作為輸出信號，另一個轉子繞組接高阻抗作為補償。這種旋轉變壓器的測量方式有鑒相式和鑒幅式之分。(二)測量方式和檢測系統(tǒng)1．鑒相測量方式

鑒相測量方式是根據(jù)旋轉變壓器轉子繞組中感應電勢的相位來確定被測轉角的大小。在圖3-10中，當定子繞組Sl—S2和K1—K2中分別通以幅值和頻率相同、相位差為90°的交變激磁電壓

Us＝Umcosωt，Uk＝Umsinωt時，便可在轉子繞組B1—B2中得到感應電勢UB。根據(jù)線性疊加原理，UB的值為激磁電壓Us和Uk在B1—B2中的感應電勢UBs和UBk之和，即

UB＝UBs＋UBk

＝－KUssinθ＋KUkcosθ

＝－KUmcosωt

sinθ＋KUmsinωt

cosθ

＝

KUmsin（ωt－θ）由上式可知，旋轉變壓器轉子繞組中的感應電勢UB與定子繞組中的激磁電壓同頻率，但相位不同，相位差θ就是被測角位移的大小。方向？使用鑒相式旋轉變壓器的轉角位置控制系統(tǒng)如圖3-12所示。定子繞組的激磁電壓由基準信號發(fā)生器產(chǎn)生，轉子繞組中產(chǎn)生的感應電壓UB經(jīng)濾波整形后送入鑒相器。在鑒相器中，UB的相位與指令信號的相位進行比較得到偏差信號△θ，并將其轉換成相應的電壓信號，經(jīng)功率放大后驅(qū)動電機轉動。實際應用中需要注意：UB是變量θ的周期函數(shù)，轉子每轉一轉，UB值周期性地變化一次，因此，不但要測出UB的大小，而且要測出UB的周期性變化次數(shù)，或者將被測角位移θ限制在180°之內(nèi)，即每次測量過程中轉子轉過的角度小于半周。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，已有專用集成電路，如IRDCl730和IRDCl733，可以把旋轉變壓器的轉角直接轉換成數(shù)字量輸送給微型計算機。圖3-12旋轉交壓器相位測量系統(tǒng)

2．鑒幅測量方式

鑒幅測量方式是通過檢測旋轉變壓器轉子繞組中感應電勢的幅值來實現(xiàn)角位移檢測的。這時，定子繞組Sl—S2和K1—K2中分別輸入頻率和相位相同、幅值不同的交變激磁電壓

Us＝Umcosα?sinωt，Uk＝Umsinα?sinωt

式中，Umcosα

和Umsinα分別為激磁電壓Us和Uk的幅值，

α稱為旋轉變壓器的電氣角，可由伺服系統(tǒng)產(chǎn)生。根據(jù)線性疊加原理，轉子繞組B1—B2的感應電勢UB為

UB＝UBs＋UBk

＝－KUmcosαsinωt

sinθ＋KUmsinαsinωt

cosθ

＝

KUmsin（α

－θ

）sinωt

由上式可以看出，轉子繞組中的感應電勢UB是以ω為角頻率的交變信號，其幅值為UBm＝

KUmsin（α－θ）。若電氣角α已知，則只要測量出UB的幅值，便可間接地求出被測角位移θ的大小。特別是當感應電勢為零時，α＝θ，旋轉變壓器電氣角的大小就是被測角位移的大小，這一點對鑒幅式測量具有重要的意義。實際應用中，通常以測出的值UBm為反饋控制信號，對α進行調(diào)節(jié)，使之趨于θ。當α變化后，激磁信號Us和Uk隨之變化，從而使感應電勢的幅值UBm變化。若UBm不為零，那么，它將再次作為反饋信號對α進行調(diào)節(jié)，直至UBm＝0。在這一使UBm趨于零的過程中，α的變化量就是被測角位移θ的變化量。

α的變化情況可通過具體的電子線路測量出來，并轉變?yōu)閿?shù)字脈沖的變化，只要測出該數(shù)字脈沖的變化量，使可得到轉子轉過的角度θ的值。值得注意的是，UBm是變量θ的周期函數(shù)，當θ大于180°時，將會造成α對θ跟隨錯誤，例如，當180°<θ<360°時，α可能反向跟隨θ角；而θ>360°時，α可能出現(xiàn)跟隨失步。另外，θ值較大時，α跟隨θ角的線性度不好，跟隨誤差大，這將使伺服系統(tǒng)的性能受到影響。因此，用于機床伺服系統(tǒng)的鑒幅式旋轉變壓器的θ值常選得很小，一般不超過3°。但這并不影響使用，因為盡管每次被測對象轉過的角度θi小，但轉過N次之后，其總的角位移量可以很大。五.感應同步器檢測系統(tǒng)(一)感應同步器的構造感應同步器是一種應用電磁感應原理來測量位移的高精度檢測元件，有直線式和圓盤式兩類，分別用來檢測直線位移和角位移。直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成。標準式的直線感應同步器，定尺一般長為250mm，上面均勻分布節(jié)距W為2mm的繞組；滑尺長100mm，表面布有兩個繞組，即正弦繞組和余弦繞組，如圖3-13所示。當余弦繞組與定尺繞組相位相同時，正弦繞組與定尺繞組錯開1／4節(jié)距。圖3-13直線感應同步器構造圖圓盤式感應同步器如圖3-14所示。其轉子相當于直線感應同步器的定尺，定子相當于滑尺，而且定子繞組中的兩個繞組也錯開1／4節(jié)距。圖3-14圓盤式感應同步器構造圖（a）定子（b）轉子直線感應同步器的安裝應保證定尺與滑尺平行且有一定的間隙，間隙約為0.25±0.05mm。如果測量長度大于250mm，可以采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測長儀進行調(diào)整，使拼接后總長度的精度保持(或略低于)單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式是：若定尺少于10塊，將各繞組串聯(lián)連接；若定尺多于10塊，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過高為原則。

(二)感應同步器的工作原理現(xiàn)以直線感應同步器為例來說明其工作原理。當滑尺上的正弦繞組S和定尺上的繞組位置重合時(A點)，耦合磁能量最大，感應電勢也最大；當滑尺繼續(xù)移動時，感應電勢慢慢減小，當移動到1／4節(jié)距時(B點)，在感應繞組內(nèi)的感應電勢相抵消，總電勢為零；繼續(xù)移動半個節(jié)距時(C點)，可得到與初始位置極性相反的最大感應電勢；在3／4節(jié)距處(D點)又變?yōu)榱?；移動一個節(jié)距時(E點)，又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，感應電勢為最大。這樣，感應電勢隨著滑尺相對定尺的移動而周期性變化。同理可以得到定尺繞組與滑尺上的余弦繞組C間的感應電勢周期變化圖像，如圖3-15下部所示。圖3-15感應電勢與兩繞組相對位置關系感應同步器就是利用這個感應電壓的變化來進行位置檢測的。根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應同步器的測量方式可分為鑒相測量方式和鑒幅測量方式兩種，前者是通過檢測感應電壓的相位來測量位移，后者是通過檢測感應電壓的幅值來測量位移；其工作情況大致與旋轉變壓器大致相似，此處不再詳述。六.光柵檢測系統(tǒng)目前，在高精度的位移檢測系統(tǒng)中，大量使用光柵作為檢測反饋元件。光柵與旋轉變壓器、感應同步器不同，它是一種將機械位移或模擬量轉變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。常見的光柵從形狀上可分為長光柵和圓光柵兩大類。長光柵用于檢測直線位移，圓光柵用于檢測角位移。光柵的檢測精度比較高，可達±1μm。(一)光柵的構造

光柵檢測裝置如圖3-16所示，主要由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動線路。圖3-16光柵檢測系統(tǒng)通常，標尺光柵固定在活動部件(如工作臺或絲杠)上，光柵讀數(shù)頭安裝在固定部件上。標尺光柵和指示光柵應相互平行并保持0.05mm或0.1mm的間隙。由于制造方法和光學原理的不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵。國內(nèi)機床上一般采用線紋密度為100、200線／mm的玻璃透射光柵。光柵讀數(shù)頭是位移信號的檢測裝置，是光柵與電子線路轉接的部件，即位移－光－電轉換器。采用一個光敏元件所得到的光柵信號只能計數(shù)，不能辨別運動的方向。因此，為了確定運動方向，讀數(shù)頭內(nèi)至少要安裝兩個光敏元件，一般安裝四個。(二)光柵的工作原理常見光柵都是根據(jù)物理學莫爾條紋的形成原理進行工作的。莫爾條紋形成的原因，對于粗光柵主要是擋光積分效應，對于細光柵則是光線通過線紋衍射后，產(chǎn)生干涉的結果。粗光柵形成莫爾條紋的原理如圖3-17所示，圖中黑線代表不透光的刻痕，刻痕間是透光的窄縫。當指示光柵的線紋與標尺光柵的線紋成一角度θ放置時，必然會造成兩光柵尺上線紋相互交叉。在光源照射下，交叉點近旁黑線重疊，減少了擋光面積，擋光效應弱，在這個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)亮帶，光強最大。圖3-17光柵莫爾條紋相反，離交叉點遠的地方，兩光柵不透明黑線的重疊部分減少，擋光面積增大，擋光效應增強，由光源發(fā)出的光幾乎全被擋住而出現(xiàn)暗帶，光強為零。這些與光柵線紋幾乎垂直的，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋，其節(jié)距為W。

莫爾條紋具有如下特性：1.當用平行光束照射光柵時，所形成莫爾條紋問的光強近似呈正弦分布。2.放大作用。若用W表示莫爾條紋的節(jié)距，d表示光柵刻線的柵距，θ表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關系為：W＝d/tanθ。當θ角很小時，取tanθ=θ，上式可近似寫成：W＝d/θ。出此可知，莫爾條紋的節(jié)距為光柵柵距的1/θ。由于θ很小，故莫爾條紋的節(jié)距W比柵距d放大了很多倍。例如d=0.0lmm，θ＝0.01rad，則由上式可得到W=1mm。這說明：不需要復雜的光學系統(tǒng)，便將光柵的柵距放大了100倍，從而大大簡化了電子放大線路。這是光柵技術獨有的特點。3.平均效應。莫爾條紋是由若干光柵線紋形成的，因而個別柵線的間距誤差(或缺陷)就平均化了。4.莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動相對應，即兩光柵尺相對移動一個柵距d時，莫爾條紋使相應地移動一個節(jié)距W，其方向與光柵尺相對移動的方向垂直。而且，若兩光柵尺相對移動的方向改變，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。采用光敏元件(例如光電池)將透過光柵尺的莫爾條紋光強變化信號轉換為電壓信號，則電壓信號也是按正弦函數(shù)變化的交變信號。交變電壓信號每變化一個周期，表示工作臺移動了一個光柵柵距，其變化頻率代表了工作臺的移動速度，四路信號的超前滯后關系反映了工作臺的移動方向。(三)檢測系統(tǒng)光柵檢測系統(tǒng)如圖3-16和圖3-18所示。它是一個數(shù)字信號檢測系統(tǒng)，由多路信號采集細分電路、放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)和辨向電路組成。圖3-18光柵測量系統(tǒng)放大環(huán)節(jié)常采用差動放大器，它將sinφ和-sinφ信號進行差動放大，得到sinφ信號；將cosφ和-cosφ信號進行差動放大，得到cosφ信號。差動放大器在對信號放大的同時還可以去掉直流分量，消除由于光敏元件的熱噪聲、光柵刻度不均勻、電壓被動等造成的共模干擾。圖3-19是一路差動放大電路原理圖。圖3－19差動放大器整形環(huán)節(jié)將正弦波轉換成相位相同的矩形被。常用圖3-20所示的過零比較器來實現(xiàn)。圖3-20過零比較器在莫爾條紋的一個節(jié)距W范圍內(nèi)等間距地放置n個光敏元件，則在光柵尺相對移動時，各光敏元件將輸出n個相位差依次為360°/n的光電信號。在將這n個近似正弦波的光電信號整形成方波后，可利用其上升沿或下降沿觸發(fā)計數(shù)脈沖。于是，光柵尺每相對移動一個柵距d，就可獲得n個等間隔的計數(shù)脈沖，從而實現(xiàn)n細分。這種利用多個傳感器對同一被測量同時采集多路相位不同的信號而實現(xiàn)的細分方法稱作多路信號采集細分。通常取n＝4，四個光敏元件輸出相位差依次為π/2的光電信號，分別為sinφ、cosφ、-sinφ、-cosφ，其中φ＝2πx/d，x是光柵尺的相對位移量，d是光柵極距。圖3-21（a）光柵信號的細分與辨向原理1圖3-21（b）光柵信號的細分與辨向原理2如圖3-21(a)所示，為光柵信號的四細分與辨向原理。整形器輸出的矩形被又通過微分電路變成尖脈沖，以作為計數(shù)脈沖，而未經(jīng)微分電路的矩形脈沖被用作后面“與”門的開門控制信號。各信號經(jīng)過“與”門后分成兩組分別送入兩個“或”門，上面的“或”門在標尺光柵相對于指示光柵正向移動的每個周期內(nèi)輸出4個計數(shù)脈沖。下面的“或”門在標尺光柵反向移動的每個周期內(nèi)也輸出4個計數(shù)脈沖。上述過程中信號的波形如圖3-21(b)所示。通過對“或”門輸出的脈沖進行加、減計數(shù)，便可獲得相對位移量及位移方向。通過四細分，使檢測分辨率提高了4倍。對“或”門輸出脈沖進行計數(shù)可采用二進制可逆計數(shù)器，正向脈沖信號使計數(shù)器做加法計數(shù)，反向脈沖信號位計數(shù)器做減法計數(shù)。當計數(shù)器的內(nèi)容為0時，工作臺處于坐標原點。七.編碼器檢測系統(tǒng)編碼器是一種碼盤式角度－數(shù)字檢測元件。它有兩種基本類型；一種是增量式編碼器，一種是絕對值式編碼器。增量式編碼器具有結構簡單、價格低、精度易于保證等優(yōu)點，所以目前采用最多。絕對值式編碼器能直接給出對應于每個轉角的數(shù)字信息，便于計算機處理，但當進給轉數(shù)大于一轉時，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結構復雜、成本高。(一)增量式編碼器

增量式編碼器是指隨轉軸旋轉的碼盤給出一系列

脈沖，然后根據(jù)旋轉方向用計數(shù)器對脈沖進行加減計數(shù)，以此來表示轉過的角位移量。增量式編碼器的工作原理如圖3-22所示。它由主碼盤、鑒向盤、光學系統(tǒng)和光電變換器組成。在圓形的主碼盤(光電盤)周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉軸一起轉動，這時在光電變換器A、B上就輸出一個相位差為90°的近似正弦波，經(jīng)邏輯電路處理后用來判別轉軸的轉動方向，工作原理如圖3-23所示。圖3-22增量式編碼器工作原理圖3-23增量式編碼器檢測系統(tǒng)當圓盤正轉時，光電輸出波形如圖3-23(b)中左邊圖形所示。a比b滯后90°，經(jīng)過邏輯電路處理后，輸出脈沖信號f即為正轉脈沖信號。同理，當圓盤反轉時，輸出反轉脈沖倍號g，見圖3-23(b)中右邊脈沖序列。把此正轉和反轉脈沖信號分別輸入到雙時鐘可逆計數(shù)器的正、反向計數(shù)端進行計數(shù)，則可得到轉軸的旋轉角度。為了能得到絕對轉角，應在起始位置時對可逆計數(shù)器清零。利用增量式編碼器還可以測量軸的轉速。方法有兩種，分別是應用測量脈沖的頻率和周期的原理。第一種方法的原理如圖3-24(a)所示。時鐘脈沖在規(guī)定的時間內(nèi)打開選通門，同時在每次計數(shù)之前清除計數(shù)器。計數(shù)器在給定的時間范圍內(nèi)對編碼器所產(chǎn)生的脈沖計數(shù)，然后按下式求出轉速：式中t是測速時間，即采樣時間；N1是在t時間內(nèi)測得的脈沖數(shù)；N是編碼器每轉脈沖數(shù)。這種方法的測量精度與被測轉速有關，當轉速低時，脈沖頻率變低，測速誤差變大。圖3-24增量式編碼器測速方法第二種方法是測量編碼器脈沖間隔時間，按下式求出轉速：式中N2—脈沖間隔數(shù)；N—編碼器每轉脈沖數(shù)；T—測量時間值。此測量方法的原理見圖3-24(b)。編碼器的脈沖信號進入控制電路，控制電路輸出一個選通信號，去打開門電路，使開門時間正好是一個或多個脈沖間隔，在這間隔時間內(nèi)，2MHz的時鐘脈沖被計數(shù)。每次計數(shù)前，控制電路對計數(shù)器復位。這種方法的測量精度比第一種方法高，它的測量誤差只是土1個時鐘脈沖。在測量高轉速時，一般以測多個脈沖間隔來提高精度。(二)絕對式編碼器

絕對值式編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案信息來表示數(shù)值的。它有三種類型：光電編碼器、磁性編碼器和接觸式編碼器。目前使用最多的是光電編碼器。編碼盤是按一定的編碼形式制成的圓盤。圖3-25所示為二進制編碼盤，圖中空白的部分透光，用“0”表示；涂黑的部分不透光，用“1”表示。通常把組成編碼的各圈稱為碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側是高價，外側是低位。若編碼盤有四碼道，則從外向里各碼道依次對應為、、、，16個扇區(qū)分別對應二進制的0000、0001、0010、…、1111。按照圓盤上形成二進位的每一碼道配置光電變換器(圖中黑點所示位置)，隨著圓盤從后側用光源照射，則光電變換器可讀取代表圓盤位置的二進制數(shù)，它可以直接輸入計算機進行處理。二進制編碼器的主要缺點是圖案轉移點不明確，將在使用中產(chǎn)生較多的誤差。經(jīng)改進后的格雷編碼盤(Gray-code)如圖3-26所示，其特點是，它在由一個數(shù)碼依次變到相鄰的一個數(shù)碼時，僅有一位改變，因此它不會因數(shù)碼改變產(chǎn)生過渡性干擾，工作穩(wěn)定可靠。光電編碼器檢測角位移時分辨率為，n是二進制數(shù)碼的位數(shù)。單個光電編碼盤目前可做到18位，組合碼盤可達22位，精度較高。圖3-25二進制編碼盤圖3-26格雷編碼盤八.激光干涉檢測系統(tǒng)激光干涉位移檢測是利用光的相位調(diào)制原理和光的干涉效應進行檢測的。如圖3-27所示，它是由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號接受系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)構成。干涉系統(tǒng)一般都是采用邁克爾遜干涉原理，通過反射鏡M2的移動形成的反射光和固定反射鏡反射的反射光形成的兩束具有相位差的頻率相同的激光束進行干涉，形成干涉條紋，干涉條紋的明暗變化次數(shù)直接反應了M2的移動。為了判斷M2的運動方向，只是一路干涉信號是不行的，至少要兩個相差90°的信號才能判斷，這一點和光電增量碼盤的方向判別原理相似。圖3-27激光干涉檢測系統(tǒng)組成如圖3-28所示，通過將固定反射鏡Ml傾斜一定角度，干涉信號形成一組一定距離的明暗相間的干涉條紋，在此干涉場上放置兩個光電探測器PDl和PD2，并使PDl和PD2的間隔為條紋間距的1/4。這樣，當動鏡M2移動而引起干涉條紋變化時，就可得到兩路相差90°的干涉信號。這兩組相差90°的正弦信號經(jīng)過如圖3-29所示的方法進行放大、整形、判向、倍頻細分處理后進行計數(shù)處理，得到檢測的位移值。圖3-28圖3-29

3.2.2速度檢測傳感器速度分直線速度和角速度。速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測控制中，因此角速度傳感器用得較多。一.測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種微型發(fā)電機，它的作用是把機械轉速變換為電壓信號，廣泛用于速度和位置檢測系統(tǒng)中。

在理想狀態(tài)下，測速發(fā)電機的輸出電壓可以用下式表示：Uθ＝Kn＝KK’dθ/dt式中，KK’－比例常數(shù)(即輸出特性的斜率)；n及θ—轉子的旋轉速度及轉角。可見，測速發(fā)電機主要有兩種用途；(1)測速發(fā)電機的輸出電壓與轉速成正比，因而可以通過測量輸出電壓來得到轉子的轉速。(2)如果以轉子的轉角θ參數(shù)變量，則測速發(fā)電機可作為機電微分、積分器。測速發(fā)電機分為交流和直流兩大類，而交流測速發(fā)電機又有同步、異步之分。在機電一體化系統(tǒng)中常用的是交流異步測速發(fā)電機和直流測速發(fā)電機，下面分別加以介紹。1．交流異步測速發(fā)電機交流異步測速發(fā)電機(圖3-30)的結構和空心杯形轉子伺服電動機相似，在定子上安放兩組在空間相互成90°角的繞組，其中一個為勵磁繞組，接于單相交流電源，另一個為輸出繞組，接入測量儀器作為負載；轉子則為杯形結構，可看成一個導條數(shù)非常多的鼠籠轉子。根據(jù)電磁感應原理，有以下關系：測量出U2的大小就可以得到轉速n。圖3-30交流測速發(fā)電機工作原理2．直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機一般都做成永磁式，它的工作原理如圖3-31所示。在恒定磁場下，當電樞以轉速n旋轉時，電樞上的導體切割磁力線，從而就在電刷間產(chǎn)生空載感應電勢，它的值由下式確定：式中，Ce—電勢常數(shù)，—磁通，n—轉子的轉速。從上式可以看出，空載輸出電壓U＝E0。它與轉速n成正比。當存在負載電阻Rl和電樞回路總電阻Ra時，則有圖3-31直流測速發(fā)電機工作原理由上式可以看出，當、Ra、Rl不變時，測速發(fā)電機的輸出電壓U與轉速n成正比。當然，這里講的只是一種理想情況，實際上還有一些因素會影響測量結果，如周圍環(huán)境溫度、磁場畸變、電阻的變化等。為了減少上述影響，直流測速發(fā)電機的磁路應選得足夠飽和，同時還應將負載電流限制在較小的范圍內(nèi)。二.用回轉編碼器測轉速

請參考回轉編碼器測角位移章節(jié)P67。

3.2.3位置傳感器位置傳感器一般用來檢測被測物是否已到達某一位置，它不需要產(chǎn)生連續(xù)變化的模擬量，只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關量就可以了。這種傳感器常被用在機床上作為刀具、工件或工作臺的到位檢測或行程限制，也常被應用在工業(yè)機器人上。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。一.接觸式位移傳感器這類傳感器用微動開關之類的觸點器件便可構成，它分以下兩種：(1)由微動開關制成的位置傳感器。它用于檢測物體位置，有如圖3-32所示的幾種構造和分布形式。(2)二維矩陣式配置的位置傳感器，如圖3-33所示。它一般用于機器人手掌內(nèi)側。在手掌內(nèi)側常安裝有多個二值觸覺傳感器，用以檢測自身與某一物體的接觸位置，被握物體的中心位置和傾斜度，甚至還可識別物體的大小和形狀。圖3-32微動式開關位置傳感器圖3-33二維矩陣式位置傳感器二.接近式位置傳感器接近式位置傳感器分以下幾種：①電磁式；②光電式；③靜電容式；④氣壓式；⑤超聲波式。這幾種傳感器的基本工作原理如圖3-34所示。這五種當中使用得最多的是電磁式傳感器，它的工作原理如下：當一個永久磁鐵或一個通有高頻電流的線圈接近一個鐵磁體時，它們的磁力線分布將發(fā)生變化，因此，可以用另一組線圈檢測這種變化。當鐵磁體靠近或遠離磁場時，它所引起的磁通量變化將在線圈中感應山一個電流脈沖，其幅值正比于磁通的變化。圖3-34圖3-35給出了線圈兩端的電壓隨鐵磁體進入磁場的速度而變化的曲線，其電壓極性取決于物體進入磁場還是離開磁場。因此，對此電壓進行積分便可得出一個二值信號。當積分值小于一特定的閥值時，積分器輸出低電平；反之，則輸出高電平，此時表示已接近某一物體。圖3-35顯然，電磁感應式傳感器只能檢測電磁材料，對其他非電磁材料則無能為力。而電容傳感器卻能克服以上缺點，它幾乎能檢測所有的固體和液體材料?，F(xiàn)在使用得較多的還有光電斷續(xù)器式位置傳感器，它體積小、可靠性高、檢測位置精度高、響應速度快、易與TTL及CMOS電路兼容等，它分透光型和反射型兩種。在透光型光電傳感器中，發(fā)光器件和受光器件相對放置，中間留有間隙。當被測物體到達這一間隙時，發(fā)射光被遮住，從而接收器件(光敏元件)便可檢測出物體已經(jīng)到達。這種傳感器的接口電路如圖3-36(a)所示。圖3-36(b)則為反射型。圖3-36(b)(a)

3.2.4壓力傳感器在機電一體化控制系統(tǒng)中，壓力也常常是需要檢測的一個物理量。壓力傳感器分壓阻式、應變式和壓電式三種。

壓阻式壓力傳感器是一種利用半導體材料的電阻率隨其所受壓力的變化而變化的特性制成的傳感器。

應變式壓力傳感器是利用壓力的作用使電阻或應變片發(fā)生形變，致使它們的電阻發(fā)生變化的特性制成的，通過檢測電阻的變化便可檢測出壓力的變化。

壓電式壓力傳感器是利用電介質(zhì)在受壓力作用時產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，并在表面產(chǎn)生電荷的壓電效應來測量壓力的一種傳感器。一．壓阻式壓力傳感器

當以N型硅為基底采用擴散技術在硅片表面特定區(qū)域形成P型擴散電阻時，則A、B兩點間的電阻變化率與其所受應力的大小成正比，其比值稱為壓阻系數(shù)，結構圖如圖3-37所示。這種壓力傳感器的檢測電路為一惠斯登電橋，如圖3-38所示。外加直流電壓U，當Rs的壓阻系數(shù)為ΔR/R時，Rc的壓阻系數(shù)為-ΔR/R，則輸出為從上式可以看出，電橋輸出與ΔR/R成正比，也就是與壓力成正比，同時也與激勵電壓U成正比。因此U的大小及其穩(wěn)定性對測量精度有很大影響。這種傳感器的測量精度還在很大程度上受環(huán)境溫度的影響，因此在要求較高的地方必須進行溫度補償，其方法是在電橋的兩個臂上各并接一個電阻。圖3-37圖3-38二．應變式壓力傳感器

應變片的電阻變化量正比與其綜合變形量。應用應變片時，通常都接成四片應變片組成的電橋，這樣可以消除溫度變化所帶來的影響和增加靈敏度。如圖3-39所示，在一個懸臂的兩邊分別貼上應變片R1、R2、R3和R4，其測量電路則如圖3-40所示。由于力F的作用，使得R1、R4的阻值增加，而R2、R3的阻值減小。由電子學知識可得圖3-39圖3-40三．壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器是一種利用石英晶體、壓電陶瓷等材料的電效應來測量壓力的有源雙向機電傳感器。壓電式傳感器是通過壓電元件產(chǎn)生的電荷量大小來反映壓力大小的。因此，它相當于一個電荷源。同時，當正、負電荷集聚于壓電晶體的兩個表面時，它又相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器。為了對壓力信號進行采集，并對傳感器輸出信號進行放大處理，它必須帶負載。為了消除干擾的影響，一般都要對壓電晶體的輸出進行處理。圖3-41為一套較為完整的具有放大作用的壓電晶體的輸出電壓處理電路。圖3-41

3.2.5溫度傳感器

3.2.6聲敏傳感器3.3檢測系統(tǒng)設計3.3.1模擬信號的檢測3.3.2數(shù)字信號的檢測3.3.3檢測信號的采集與預處理

3.3.1模擬信號的檢測一.模擬信號檢測系統(tǒng)的組成模擬式傳感器是目前應用最多的傳感器，其輸出是與被測物理量相對應的連續(xù)變化的電信號。典型的模擬信號檢測系統(tǒng)如圖3-50所示。圖3-50模擬信號檢測系統(tǒng)的典型組成在圖3-50中，振蕩器用于對傳感器信號進行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號；量程切換電路的作用是避免放大飽和并滿足不同測量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復成原有形式；濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表被測物理量的有效信號；運算電路可對信號進行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進行AD轉換后由數(shù)字計算機來實現(xiàn)；計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應的信號去控制執(zhí)行機構，或?qū)⒂嘘P信息送去顯示或打印輸出。在具體機電一體化產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)中，也可能沒有上圖中的某些部分或增加一些其它部分。二.基本轉換電路

被測物理量經(jīng)傳感器變換后，往往成為電阻、電容、電感等電參數(shù)的變化，或電荷、電壓、電流等電量的變化。當傳感器的輸出信號是電參數(shù)形式時，需采用基本轉換電路將其轉換成電量形式，然后再送入后續(xù)檢測電路。常用的基本轉換電路有分壓電路(圖3-51)、差動電路(圖3-52)和非差動橋式電路(圖3-53)等。圖3-51常用分壓電路圖3-52常用差動電路圖3-53非差動橋式電路三.信號放大電路信號放大電路，亦稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉換電路輸出的微弱信號不失真地加以放大，以便于進一步加工與處理。常用的放大器有高輸入阻抗放大器、高共模抑制比放大器等。圖3-54信號放大器(a)同相輸入放大器(b)高共模抑制比差動放大器UiR1R2RfUo-+Ui2R1R2RfUo-+Ui1R3四.信號調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)方法被廣泛應用于通信中，以便給不同的信號賦予不同的特征，將它們相互區(qū)別開來。在機電一體化產(chǎn)品中也常采用這種方法對信號進行檢測，以防止干擾信號對檢測精度的影響。例如，采用特定頻率的交流電源對電感傳感器供電，或?qū)?nèi)應變片、熱敏電阻等組成的橋路供電，其目的都是為了對信號進行調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制的信號在經(jīng)過放大后，還需通過解調(diào)(或稱檢波)的方法將其還原成原始信號，以獲得被測物理量及其變化的信息。常用的信號調(diào)制方法有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻等。五.濾波器濾波器是一種具有選頻功能的裝置，在機電一體化產(chǎn)品中應用非常廣泛。其具體功用是：①濾除在信號放大和傳輸過程中引入的噪聲和干擾。②濾除在信號調(diào)制過程中的載波等無用信號。②將不同頻率的有用信號分開。④對系統(tǒng)頻率特性進行補償。濾波器種類繁多，相應地也有多種分類方法。按照所處理信號形式的不同，可將濾波器分為模擬式濾波器和數(shù)字式濾波器，其中模擬濾波器又有機械式和電氣式兩類；按照所采用元器件的不同，又可分為無源濾波器和有源濾波器；按照所選通的信號頻率范圍的不同，還可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種；此外還可根據(jù)濾波器傳遞函數(shù)的階次將其分為一階、二階、高階濾波器。圖3-55各種濾波器的幅頻特性六.運算電路運算電路是能對信號運算處理的電路，根據(jù)信號形式的不同可分為模擬和數(shù)字運算電路兩種。由于計算機的普及和許多眾所周知的優(yōu)點，數(shù)字運算電路的應用越來越廣。但模擬運算電路具有直接、簡單、運算速度快等特點，對于一些比較簡單的運算，仍常采用模擬運算電路來實現(xiàn)。常用的有各種基于運算放大器的加、減、乘、除、積分、微分運算電路。

3.3.2數(shù)字信號的檢測一．絕對碼檢測電路傳感器輸出的編碼與被測量一一對應，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統(tǒng)如圖3-56所示。每一碼道的狀態(tài)由相應光電元件讀出．經(jīng)光電轉換和放大整形后，得到與被測量相對應的編碼。糾錯電路糾正由于各個碼道刻劃誤差而可能造成的粗誤差。采用循環(huán)碼(格雷碼)傳感器時則先轉換為二進制碼，再譯碼輸出。二．增量碼檢測電路光柵、磁柵、容柵、感應同步器等傳感器輸出增量圖3-56絕對碼數(shù)字信號檢測系統(tǒng)圖3-57增量碼數(shù)字信號檢測系統(tǒng)碼信號。檢測系統(tǒng)的典型組成如圖3-57所示。傳感器的輸出經(jīng)放大、整形后形成數(shù)字脈沖信號。為了提高儀器的分辨率，常常采用細分的方法，使傳感器的輸出變化1/n周期時計一個數(shù)，n稱為細分數(shù)。細分電路還常同時完成整形作用。在某些情況下，例如利用激光干涉測長，工作臺每移動半波長λ/2，信號變化一個周期，λ為一個不便讀出的量，為便于讀出，需要進行脈沖當量變換。辨向電路用于辨別工作臺運動方向，以正確進行加法或減法計數(shù)。需要采樣時，手動或由指令傳感器發(fā)出瞄準采樣信號，將所計數(shù)值送入鎖存器，直接或經(jīng)計算機運算后，驅(qū)動顯示執(zhí)行機構動作。常用的細分與辨向電路有如下幾種：(1)多路信號采集細分與辨向。光柵檢測系統(tǒng)就是采用這種電路。(2)電阻鏈移相細分與辨向。(3)鎖相倍頻紉分與辨向。(4)脈沖填充細分與辨向。詳細內(nèi)容，請參考課本P113～122。

3.3.3檢測信號的采集與預處理在機電一體化產(chǎn)品中，控制和信息處理功能多數(shù)采用計算機來實現(xiàn)，因此檢測信號一般都要被采集到計算機中作進一步處理，以便獲得所需的信息。信號的采集是按一定方式或通過適當?shù)慕涌陔娐穼崿F(xiàn)的。信號被采入計算機后往往要先進行適當?shù)念A處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修正。一.模擬量的轉換輸入1.模擬量的轉換輸入方式模擬量的轉換輸入方式主要有四種，如圖3-58所示。(a)是最簡單的一種方式。這種方式僅適用于只有一路檢測信號的場合。圖(b)所示多路檢測信號共用一個