机电一体化技术-第二章-传感器与检测PPT课件

机电一体化技术第二章传感器与检测Sensor&Measurement,本章重点和难点重点：常用传感器的工作原理和性能；难点：检测信号的采集与处理。,第二章检测与传感器(measurement&sensor),第一节概述第二节线位移检测传感器第三节角位移检测传感器第四节速度、加速度传感器第五节测力传感器第六节其他传感器第七节传感器的正确选择和使用第八节检测信号的采集与处理,第一节概述,传感器的意义在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等，都是无法进行和实现的。,机电一体化第二章,传感器的作用用于实现计测功能。传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。,机电一体化第二章,传感器的应用传感器与检测系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量；对自动化系统中各种参数进行自动检测和控制。,机电一体化第二章,一、传感器的分类(sensorclassification),机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制器，传感器获取的有关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或实施控制。,机电一体化第二章,传感器按输出信号的性质分类,模拟型(analog),数字型(digital),接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）,非接触型（如光电开关、接近开关）,电压、电流型（如热电偶、光电池等）,电阻型（如电位器、电阻应变片等）,电感、电容型（如电感、电容式位移传感器）,计数器（二值、十值计数器）,代码型（如旋转编码器、磁尺等）,图21传感器按输出信号性质分类,传感器sensor,开关型（二值型)(on-off),机电一体化第二章,开关型传感器(on-offtypesensor)输出“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）两个值。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”（ON状态），在该值以下时输出为“0”（OFF状态），其临界值就是开、关的设定值（两点式）。这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算机进行处理。,机电一体化第二章,模拟型传感器(analogtypesensor)输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入/输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟/数字转换（A/D），将其转换成数字信号后再送给微型计算机处理。,机电一体化第二章,数字型传感器,计数型,代码型,计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。,计数型传感器可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量，这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如光栅检测器和增量式光电编码器就是如此。,机电一体化第二章,(digitaltypesensor),代码型传感器即绝对值式编码器，输出的信号是二进制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。,机电一体化第二章,二、传感器的发展方向(developmentofsensor),（一）新型传感器的开发,从以结构型为主转向以物性型为主的过程,机电一体化第二章,（1）同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器。,（2）多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器。,（3）传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能。,机电一体化第二章,（二）传感器的集成化和多功能化(Integrationandmultifunctionalofsensor),随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。,（三）传感器的智能化(Sensorintellectualization),不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。,机电一体化第二章,第二章检测与传感器,第一节概述第二节线位移检测传感器第三节角位移检测传感器第四节速度、加速度传感器第五节测力传感器第六节其他传感器第七节传感器的正确选择和使用第八节检测信号的采集与处理,机电一体化第二章,第二节线位移检测传感器,一、光栅位移传感器(RasterDisplacementSensor),光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。,测量精确度高（可达1m）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。,机电一体化第二章,特点：,（一）光栅的构造,光栅(raster)是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。,光栅,以透光的玻璃为载体的称为透射光栅,不透光的金属为载体的称为反射光栅,根据载体,根据外形,直线光栅,圆光栅,机电一体化第二章,光栅位移传感器的结构,由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。,机电一体化第二章,一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。,机电一体化第二章,（二）工作原理,如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹(Molestripe)，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。,机电一体化第二章,图23莫尔条纹,（二）工作原理（续一）,莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的dd线区所示。ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,机电一体化第二章,（二）工作原理（续二）,莫尔条纹具有如下特点：,1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。,机电一体化第二章,2.莫尔条纹具有位移放大作用。,莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为,机电一体化第二章,莫尔条纹的放大倍数为,(27),可见越小，放大倍数越大。,实际应用中，角的取值范围都很小。例如当=10时，K=1/=1/0.0029rad345。也就是说指示光栅与标尺光栅相对移动一个很小的W距离时，可以得到一个很大的莫尔条纹移动量B，可以用测量条纹的移动来检测光栅微小的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。,机电一体化第二章,3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。,莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置，对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差和短周期误差对检测精度的影响。,图24光栅输出波形,通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号如图：,其电压：,(28),式中U0输出信号的直流分量；Um输出信号的幅值；x两光栅的相对位移。,机电一体化第二章,将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。,机电一体化第二章,(28),提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。这样可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4倍，这就是通常说的电子4倍频细分。,机电一体化第二章,二、感应同步器(InductionSynchromesh),感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。,按测量机械位移的对象不同,直线型：用来检测直线位移,圆盘型：用来检测角位移,机电一体化第二章,特点：,成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。,机电一体化第二章,（一）感应同步器的结构,直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成,机电一体化第二章,图26直线型感应同步器定尺、滑尺的结构,制造工艺先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘粘合材料，将铜箔粘牢，用制造印刷线路板的腐蚀方法制成节距T一般为2mm的方齿形线圈。定尺绕组是连续的。滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。,机电一体化第二章,在滑尺的正弦绕组中，施加频率为f（一般为10kHz）的交变电流时定尺绕组感应出频率为f的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。,（二）感应同步器的工作原理,图27定尺感应电势波形图仅对A绕组激磁,机电一体化第二章,图27定尺感应电势波形图仅对A绕组激磁,当两绕组同向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动1/4节距后，两绕组反向时，感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性的重复变化一次，其感应电势随位置按余弦规律变化，见图2-7a。,机电一体化第二章,同样，若在滑尺的余弦绕组中，施加频率为f的交变电流时，定尺绕组上也感应出频率为f的感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化。见图27b,图27定尺感应电势波形图（仅对B绕组激磁）,机电一体化第二章,设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为,(29),余弦绕组单独供电所产生的感应电势为,(210),机电一体化第二章,感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为,(211),式中K定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）；T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。,机电一体化第二章,感应同步器(Inductionsynchromesh)是利用感应电压的变化来进行位置检测的。,根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有,相位工作法,幅值工作法,通过检测感应电压的相位来测量位移,通过检测感应电压的幅值来测量位移,机电一体化第二章,（三）测量方法,1.相位工作法Phasemethodofworking,当滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压时，定尺感应电势相应随滑尺位置而变。设,(212),(213),机电一体化第二章,则,(214),从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移x的变化转成感应电势相角的变化。因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：,(215),机电一体化第二章,2.幅值工作法,在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压,机电一体化第二章,(216),(217),根据线性叠加原理，定尺上总的感应电势U2为两个绕组单独作用时所产生的感应电势U2和U2之和。即,(218),机电一体化第二章,式中KUmsin(-)感应电势的幅值；Um滑尺励磁电压最大的幅值；滑尺交流励磁电压的角频率，=2f；指令位移角。,由上式知，感应电势U2的幅值随（）作正弦变化，当=时，U2=0。随着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量U2的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。,机电一体化第二章,三、磁栅位移传感器(Magnetismgridsensor),磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的检测。主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。特点：结构简单、使用方便、动态范围大（120m）和磁信号可以重新录制。缺点：需要屏蔽和防尘。,机电一体化第二章,（一）磁栅式位移传感器的结构和工作原理,磁栅式位移传感器的结构原理如图所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路等部分组成。,图28磁栅工作原理1磁性膜2基体3磁尺4磁头5铁芯6励磁绕组7拾磁绕组,机电一体化第二章,磁尺是采用录磁的方法，在一根基体表面涂有磁性膜的尺子上，记录下一定波长的磁化信号，以此作为基准刻度标尺。,图28磁栅工作原理1磁性膜2基体3磁尺4磁头5铁芯6励磁绕组7拾磁绕组,机电一体化第二章,磁头把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。检测电路主要用来供给磁头激励电压和磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。,机电一体化第二章,图28磁栅工作原理1磁性膜2基体3磁尺4磁头5铁芯6励磁绕组7拾磁绕组,为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。,磁通响应型磁头(MagneticFluxResponseTypeHeadplate),机电一体化第二章,是利用带可饱和铁芯的磁性调制器原理制成的，其结构如图28所示。,图28磁栅工作原理1磁性膜2基体3磁尺4磁头5铁芯6励磁绕组7拾磁绕组,在铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，这两个绕组均由两段绕向相反并绕在不同的铁芯臂上的绕组串联而成。将高频励磁电流通入励磁绕组时，在磁头上产生磁通1，当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通o进入磁头铁芯，并被高频励磁电流所产生的磁通1所调制。,机电一体化第二章,于是在拾磁线圈中感应电压为,(219),式中U0输出电压系数；磁尺上磁化信号的节距；磁头相对磁尺的位移；励磁电压的角频率。,这种调制输出信号跟磁头与磁尺的相对速度无关。,机电一体化第二章,为了辨别磁头在磁尺上的移动方向，通常采用了间距为（m1/4）的两组磁头（其中m为任意正整数）。,图29辨向磁头配置,机电一体化第二章,图29辨向磁头配置,如图29所示，i1、i2为励磁电流，其输出电压分别为,(220),(221),U1和U2是相位相差90的两列脉冲。至于哪个导前，则取决于磁尺的移动方向。根据两个磁头输出信号的超前或滞后，可确定其移动方向。,机电一体化第二章,（二）测量方式,磁栅的测量方式有鉴幅测量方式和鉴相测量方式。,1.鉴幅测量方式(Peak-to-peakvaluedemodulationmode),如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号,(223),机电一体化第二章,（222）,两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。,机电一体化第二章,2.鉴相测量方式(Phasedemodulationmode),采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距，并可以通过提高内插脉冲频率以提高系统的分辨率。将图中一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为,(225),机电一体化第二章,(224),在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为,(226),由上式可知，合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。,机电一体化第二章,第二章检测与传感器,第一节概述第二节线位移检测传感器第三节角位移检测传感器第四节速度、加速度传感器第五节测力传感器第六节其他传感器第七节传感器的正确选择和使用第八节检测信号的采集与处理,第三节角位移检测传感器AngularDisplacementSensor,一、旋转变压器(RotaryTransformer),旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。,特点：结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好。,机电一体化第二章,（一）旋转变压器的构造和工作原理(RotaryTransformersStructureandPrinciple),旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。,当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。,机电一体化第二章,如图210所示，旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90。在转子上有两个输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。,图210正余弦变压器原理图D1D2激磁绕组D3D4辅助绕组Z1Z2余弦输出绕组Z3Z4正弦输出绕组,机电一体化第二章,（二）旋转变压器的测量方式(measuringmode),当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即,(227),(228),(229),式中k=w1/w2旋转变压器的变压比；w1、w2转子、定子绕组的匝数。,可见，测得转子绕组感应电压的幅值和相位，可间接测得转子转角的变化。,机电一体化第二章,图211线性旋转变压器原理图,线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如图211。,这样使得在一定转角范围内（一般为60），其输出电压和转子转角成线性关系。此时输出电压为,(230),机电一体化第二章,(230),根据此式，选定变压比k及允许的非线性度，则可推算出满足线性关系的转角范围（图212）。,如取k=0.54，非线性度不超过0.1%，则转子转角范围可以达到60。,图212转子转角与输出电压的关系曲线,机电一体化第二章,二、光电编码器(Photoelectricityencoder),光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。,两种基本类型,增量式编码器(Increasetypeencoder),绝对式编码器(Absolutetypeencoder),具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。,能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。,机电一体化第二章,（一）增量式编码器(Increasetypeencoder),是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。工作原理如图213所示。,图213增量式编码器工作原理,机电一体化第二章,它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。,图213增量式编码器工作原理,机电一体化第二章,（二）、绝对式编码器(Absolutetypeencoder),绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。,光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。,机电一体化第二章,图214所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位。,机电一体化第二章,图214四位二进制的码盘,工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。但由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，会产生读数误差。,机电一体化第二章,例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种，如读成1111、1011、101、0001等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。,机电一体化第二章,为了消除非单值性误差，可采用以下的方法。,1.循环码盘（或称格雷码盘）Cycliccodeplate,图215四位二进制循环码盘,也是一种二进制编码，只有“0”和“1”两个数。图示为四位二进制循环码。特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。所以，它是消除非单值性误差的一种有效方法。,机电一体化第二章,2.带判位光电装置的二进制循环码盘,这种码盘是在四位二进制循环码盘的最外圈再增加一圈信号位。,图216所示就是带判位光电装置的二进制循环码盘。该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。,机电一体化第二章,图216带判位光电装置的二进制循环码盘,第二章检测与传感器,第一节概述第二节线位移检测传感器第三节角位移检测传感器第四节速度、加速度传感器第五节测力传感器第六节其他传感器第七节传感器的正确选择和使用第八节检测信号的采集与处理,第四节速度、加速度传感器speedandaccelerationsensor,一、直流测速发电机DCLoggingSpeedGenerator,直流测速发电机是一种测速元件，实际上它是一台微型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁式两种。,机电一体化第二章,测速发电机的结构有多种，但原理基本相同,图217所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。,图217永磁式测速发电机原理图,机电一体化第二章,从图中可以看出，当负载电阻RL时，其输出电压V0与转速n成正比。随着负载电阻RL变小，其输出电压下降，而且输出电压与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比较高的直流测速发电机，除采取其它措施外，负载电阻RL应尽量大。,图218直流测速发电机输出特性,机电一体化第二章,直流测速发电机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器、构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大,机电一体化第二章,图219光电式速度传感器工作原理图,物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔t，则可测得速度为,二、光电式速度传感器PhotoelectricityTypeSpeedSensor,光电脉冲测速原理如图219所示。,机电一体化第二章,机电一体化第二章,光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如图220所示。,光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，,机电一体化第二章,因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为,机电一体化第二章,三、差动变压器式速度传感器Differentialmotiontransformertypespeedsensor,差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度