第5章 传感器与检测系统

1、华北电力大学2021年11月20日机电一体化系统设计机电一体化系统设计 第第5章传感器与检测系统章传感器与检测系统 本章要求重点掌握以下内容：检测传感器的分类及机电一体化对其基本要求；常用检测传感器的原理及应用；传感器的测量电路及与微机接口。本章概述本章概述传感器传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按按一定规律和精确度将它转换成易于精确处理和测量的一定规律和精确度将它转换成易于精确处理和测量的另一种信息的装置另一种信息的装置。传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖机电一体化系统的自动

2、化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。性也就越大。能将各种能将各种非电物理量非电物理量转换成转换成电量电量的传感器及其应用技的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。把各种非电量信息转换为电信号把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能这就是传感器的功能,传感器又称为传感器又称为一次仪表一次仪表。对转换后的电信号进行测量。对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统这叫作电信号处理系统,通常被称为通常被称为二次仪表二次仪表

3、。国家标准GB/T 76651987中对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。非电量检测系统的结构形式非电量检测系统的结构形式机电一体化对检测系统在性能方面的基机电一体化对检测系统在性能方面的基本要求：本要求：精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好；体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。5.1传感器的组成和分类传感器的组成和分类5.1.1传感器的组成传感器的组成通常传感器由敏感元件、转换元件敏感元件、转换元件和和转换电路转换电路三部分组成。 图3-1传

4、感器的组成（1）敏感元件）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。 第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统 传感器的静态特性传感器的静态特性是是在在静态标准条件静态标准条件下下,利用一利用一定等级的标准设备定等级的标准设备,对传感对传感器进行往复循环测试器进行往复循环测

5、试,得到得到的输入的输入/输出特性（列表或输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性特性（曲线）为线性,这对这对标定和数据处理带来方便。标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性但实际的输出与输入特性只能接近线性只能接近线性,与理论直线与理论直线有偏差有偏差,如图如图3-3所示。所示。5.1.2 传感器的性能指标传感器的性能指标图3-3 传感器的线性度示意图 yFS21max0 xFS1实际曲线2理想曲线yx传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统%100maxFSLy（3-1） （1） 线性度线性度xyS输

6、入量的变化量输出量的变化量0线性度可用下式计算：式中：L线性度(非线性误差)； max最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。 （2） 灵敏度灵敏度 传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即 (3-2) 对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统%10021%100FSmHFSmHyHyH或(3-3) yFSHm0 xFSyx（3）迟滞。）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示： Hm输出值在正、反行程间的最大差值。

7、 迟滞特性一般由实验方法确定,如图3-4所示。图3-4 迟滞特性 第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统（4） 重复特性。重复特性。 传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即式中: Rm最大重复性误差。 重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图3-5所示。 %100FSmRyR(3-4) yFS0 xFSxRm1yRm2图3-5 重复特性第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统（5）分辨力）分辨力:传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分

8、辨力称为阈值。（6）漂移：）漂移：由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。（7）精度：）精度：精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度，包括传感器的测量精度和重复精度。 2. 传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调及试验分析的方法确定，其

9、动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统表表5.2 传感器的技术指标传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标量程指标: :量程范围、过载能力等量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标: :灵敏度、分辨力、满量程输灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等出、输入输出阻抗等精度有关指标精度有关指标: :精度、误差、线性、滞后、精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性重复性、灵敏度误差、稳定性等等动态性能指标动态性能指标: :固有频率、

10、阻尼比、时间常固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等时间、过冲量、稳态误差等温度指标温度指标: :工作温度范围、温工作温度范围、温度误差、温度漂移、度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等温度系数、热滞后等抗冲振指标抗冲振指标: :允许各向抗冲振的允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差、冲振所引入的误差等等其它环境参数其它环境参数: :抗潮湿、抗介质腐抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰蚀能力、抗电磁干扰能力等能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性

11、能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标使用有关指标: :供电方式供电方式( (直流、交流直流、交流、频率及波形等、频率及波形等) )、功、功率、各项分布参数值、率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等电压范围与稳定度等结构方面指标结构方面指标: :外形尺寸、重量、壳外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等体材质、结构特点等安装连接方面指标安装连接方面指标: :安装方式、馈线电缆安装方式、馈线电缆等等第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统 5.1.3 信号传输与处理电路信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1） 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,

12、是电压还是电流。 （2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 （3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。 （4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统5.1.4 传感器的分类传感器的分类1. ：表明了传感器信息转换的方式传感器信息转换的方式，如应变式、压电式、压阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式、热电式传感器等。2. 按输出按输出的信号分：的信号分：第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统开关型：开关型：开关型传感器的二值就是开关型传感器的二值就是“1”和和“0”或开或开(ON)和关和关(OFF)。这种。

13、这种“l”和和“0”数字信数字信号可号可直接直接传送到微机进行处理，使用方便。传送到微机进行处理，使用方便。 模拟型：模拟型： 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。如电位器、电相对应的连续变化的电量。如电位器、电容式位移传感器、电阻应变片输入与输出容式位移传感器、电阻应变片输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。可以是线性的也可以是非线性的。线性的线性的可以直接使用可以直接使用，非线性的需经过线性化处，非线性的需经过线性化处理，模拟量经理，模拟量经A/D转换后输入微机。转换后输入微机。 第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统数字

14、型传感器有计数型和代码型计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲数字型，其工作原理如图a-1所示。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，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测运行机构的位移量，这时运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，例如增量式光电码盘增量式光电码盘和检测光栅检测光栅。代码型传感器又称编码器代码型传感器又称编码器，其工作原理如图a-2所示；它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值，例如图中输入量的值为K1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。代码的“1”为

15、高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。常用来检测执行元件的位置或速度，如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统根据被测物理量（输入信号）的不同，能够很方便地表示传感器的功能。常用传感器可以分为温度、压力、流量、位移、速度、加速度、力、力矩传感器等，这种分类方法明确表示了传感器的用途明确表示了传感器的用途，如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度等。生产厂家和机电一体化系统（或产品）的设计人员都习惯于这种分类方法。3.根据用途分类根据用途分类：第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统4. 模拟式和数字式传感器检测

16、系统模拟式和数字式传感器检测系统 电阻、电容、电感、压电、磁电、热电式等传感器输出模拟信号，其检测系统如图示：传感器传感器量程变换量程变换放大器放大器解调器解调器滤波器滤波器运算电路运算电路A/D计算机计算机 显示、显示、执行机构执行机构 振荡器振荡器 振荡器用于对传感器信号“调制”，以提高输出信号的抗干扰能力；并对“解调” 提供参考信号，“解调”是使信号恢复原有形式。 有的传感器可不进行调制与解调，直接阻抗匹配、放大、滤波等。第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统光栅、磁栅、光电编码器、激光干涉仪等传感器输出增量码信号，增量码信号，信号变化的周期与被测位移成正比的信号，其检测系统如图示

17、：传传感感器器放放大大器器整整形形电电路路细细分分电电路路变变换换电电路路计计数数器器计计算算机机显示显示执行执行机构机构辨向电路辨向电路 传感器输出多为正弦波信号，经放大、整形后变成数字脉冲信号，进入计数器、计算机，为提高分辨率，采取细分电路； 辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数； 脉冲信号所对应的被测来年感不便于读出和处理时，需进行脉冲当量变换电路。模拟式系统：精度低、易受干扰影响、不便于长距离传输、有A/D转换， 成本高数字式系统：分辨率高、抗干扰强、易于长距离传输、易于计算机控制、 应用广泛）第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系

18、统 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。用条件下的误差关系。 传感器的标定分传感器的标定分静态标定静态标定和和动态标定动态标定:1. 感器静态特性标定感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。灵敏度、精度、迟滞性

19、和重复性等。2. 传感器动态特性标定传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。间常数、上升时间或工作频率、通频带等。5.1.5 传感器的标定传感器的标定第第5章章 传感器与检测系统传感器与检测系统1)集成化：集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。阵）。(2)多功能化：多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能

20、传感器。度等多功能传感器。(3)智能化：智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。(4)数字化：数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。5.1.6 传感器的发展方向传感器的发展方向5.2 常用机械量传感器常用机械量传感器5.2.1 位置传感器位置传感器位置传感器位置传感器所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置是否已到某一位置，因此，它

21、只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器一般使用通通/断型断型的居多，其检测精度可从以mm为单位的低精度到以m为单位的高精度。位置传感器分接触式接触式和接近式（非接触式）接近式（非接触式）两种。接触式传感器接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触信息的一种传感器，如限位开关和接触开关，接近式传感器接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器，如接近开关和光电开关等。 一、接触式位置传感器1微动开关位置传感器 用于检测机电设备中移动部件移动部件的位置。外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作簧片上，当动作簧片位移到临界点时产生瞬时动作，使动作簧片

22、末端的动触点与定触点快速接通或断开.图5-7由微动开关制成的位置传感器2二维矩阵式位置传感器二维矩阵式位置传感器一般用于机器人手掌内侧。在手掌内侧常安装有多个二维触觉传感器，用以检测自身与某一物体的接检测自身与某一物体的接触位置触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。图5-8矩阵式位置传感器图5-9 二维矩阵式位置传感器二、非接触式位置传感器按工作原理主要分为：电磁式、光电式、静容式、气压式、超声波式等。图5-10 非接触式位置传感器分类与原理图1电磁式传感器变磁路气隙式电感传感器变磁路气隙式电感传感器活动衔铁3和铁芯2都由截面积相等的高导磁材料高导磁材料做成，线圈绕

23、在铁芯上，衔铁和铁芯间有一气隙。当活动衔铁做纵向位移时，气隙发生变化，从而使铁芯磁路中的磁阻发生变化，磁阻的变化将使线圈的电感量电感量发生变化。这样，活动衔铁的位移量位移量与线圈的电感量电感量之间存在一定的对应关系，只要调出线圈的电感变化就可以得知位移量的大小。2光电式传感器透光型发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙。当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件（光敏元件）便可检测出物体已经到达。2光电式传感器反射型传感器发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上，与透射型传感器相似，由于是检测检测反射光反射光，所以得到的输出电流较小。另外，对于不同的物体表面，信噪比也不一样，因此，

24、设定限幅电平就显得非常重要。图 (b) 接收器的发射极电阻较发射极电阻较大，且为可调大，且为可调，这主要是因为反射型光电传感器的光电流较小且有很大的分散性。5.2.2 位移传感器位移传感器一、光电编码器一、光电编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。旋转编码器有光电光电式式和接触式之分，最常用为光电式编码器光电式编码器。1增量式光电编码器也称脉冲编码器脉冲编码器。通常与电动机做在一起，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮与滚珠丝杠相连，每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：脉冲当量 (m

25、m/p)脉冲编码器每转的脉冲数 (p/r)iMPh编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测角位移检测的传感器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式增量式编码器和绝对式绝对式编码器。光电编码器光电编码器1增量式光电编码器光电盘光电盘是玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝，向心透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件光电元件。1增

26、量式光电编码器增量式光电编码器光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波近似正弦波的电信号，经整形，放大和微分处理后，输出脉冲信号输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角转角。测出单位时间脉冲的数目，就可以求出速度速度。光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角最小角度度，而这与码盘圆周的条纹数码盘圆周的条纹数有关。1增量式光电编码器增量式光电编码器实际应用的光电编码器的圆盘上有两组条纹两组条纹，每组条纹的间隙与光电盘相同，而A组与B组的条纹彼此错开错开1/4节矩节矩，两

27、组条纹相对应的光电元件所产生的信号彼此相差相差90相位，用于辨向。相位，用于辨向。输出加计数脉冲，此时2门输出为低电平。此读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法增量读数法。图图5-18 辨向环节框图和波形图辨向环节框图和波形图. 绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明透明及不透明区区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数编码盘上码道的条数就是数码的位数。绝对式编码器能够直接直接给出对应于每个转角位置的二进制数码， 便于计算机处理。绝对式光电编码器结构示意绝对式光电编码器结构

28、示意 1光源；光源；2透镜；透镜；3编码盘；编码盘；4狭缝；狭缝；5光电元件光电元件（）（）. 绝对式编码器原理绝对式编码器原理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。编码盘有转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电光电式、接触式和电磁式磁式三种。三种。光电式码盘是目前应用较多的一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，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，上精确地印制上二进制编码。如图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

29、的数字码道，在同一个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。码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。 (a) 4位二进制绝对式编码器的编码盘 (b) 4位格雷码盘示意图 绝对式光电编码器的编码盘 黑色不透光区和白色透光区分别黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的代表二进制的“0”和和“1”。在一个。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，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，每一个码道表示二进制的一位，里里侧是高位，外侧是低位，侧是高位，外侧是低位，在在360范围内可编数码数为范围内可编数码数为24=16个。个。 工作时

30、，码盘的一侧放置电源，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，成为相应数信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。码电信号。（）（）. 绝对式编码器原理绝对式编码器原理1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101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，

31、会产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。例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置生读数误差。例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的种代码中的任意一种，如读成任意一种，如读成1111、1011、1101、0001等，产生了无法估计的很等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称大的数值误差，这种误差称非单值性误差。非单值性误差。(1).循环码盘循环码盘(或称格雷码盘或称格雷码盘)右图所示为四位二右图所示为四位二进制循环码。这种进制循环码。

32、这种编码的编码的特点是任意特点是任意相邻的两个代码间相邻的两个代码间只有一位代码有变只有一位代码有变化，即化，即“0”变为变为“1”或或“1”变为变为“0”。因。因此，在两数变换过此，在两数变换过程中，所产生的读程中，所产生的读数误差最多不超过数误差最多不超过“1”，只可能读成，只可能读成相邻两个数中的一个数。相邻两个数中的一个数。 10010111111101000101110011011110101010110001011000100010001100001000 绝对式编码器非单值性误差的消除绝对式编码器非单值性误差的消除这种码盘是在四位二这种码盘是在四位二进制循环码盘的进制循环码盘的最

33、外最外圈再增加一圈信号位圈再增加一圈信号位。该码盘最外圈上的信该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状号位的位置正好与状态交线错开，只有当态交线错开，只有当信号位处的光电元件信号位处的光电元件有信号时才读数，这有信号时才读数，这样就不会产生非单值样就不会产生非单值性误差。性误差。 0100110111111110101011001010011101100010001110111000100100000001(2).带判位光电装置的二进制循环码盘带判位光电装置的二进制循环码盘 绝对式编码器非单值性误差的消除绝对式编码器非单值性误差的消除3编码器在数控机床位移测量中的应用编码器在数控机床位移测量中的应

34、用编码器可用于在数控机床中工作台或刀架的直线位移测量。两种安装方式：1.和伺服电动同轴连接在一起(称为内装式编码器内装式编码器)，伺服电动机再和滚珠丝杠连接，编码器在进给转动链的前端，如图a。2.编码器连接在滚珠丝杠末端(称为外装式编码器外装式编码器)，如图 (b)。由于后者包含的进给转动链误差比前者多，因此，在半闭环伺服系统中，后者的位置控制精度比前者高。在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器在回转轴末端安装编码器，可直直接测量接测量回转工作台的角位移。在交流电动机变频控制中，与电动机同轴连接的编码器可检测电动机转子磁极相对定子绕组的角度位置，用于变频控制变频控制。 3编码器在数控机

35、床位移测量中的应用编码器在数控机床位移测量中的应用由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号一个脉冲信号，因此根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝的杠螺距即可得出移动部件的直线位移。如某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直接连接(传动比1:1)，在中断计数时间内，工作台移动的位移量计算式为：5.2.2.2 光栅位移传感器光栅位移传感器在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件。光栅不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁电压，而是利用光学原理光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。常见的光栅从形状上可分为圆光栅圆光栅和长光长光栅栅。圆光栅用于角位移角

36、位移的检测，长光栅用于直线位移直线位移的检测。光栅的检测精度较高，可达 以上。 32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅，也光源、透镜、光栅副（主光栅，也称标尺光栅和指示光栅）称标尺光栅和指示光栅）和和光电接收元件光电接收元件组成。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅（主光栅）和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固固定定在机床的活动活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动

37、时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。 光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅 (标尺光栅）标尺光栅）a+b=W称为光栅的称为光栅的栅距栅距（或光栅常数）通常情况下，（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2 (注：注：a为刻线宽度，即透光的明线，为刻线宽度，即透光的明线，b为为刻线间的缝隙宽度，刻线间的缝隙宽度，即不透光的暗线即不透光的暗线)。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度相同的线纹密度相

38、同。1-Z向导轨；向导轨；2-定光栅尺；定光栅尺；3-动光栅尺；动光栅尺；4-滚珠丝杠；滚珠丝杠；5-X向导轨向导轨图图5-23光栅在车床上的安装示意图光栅在车床上的安装示意图 光栅传感器光栅传感器光源光源钨丝灯泡：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低使用寿命将降低。半导体发光器件半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热

39、耗散。 光电元件光电元件 包括有包括有光电池光电池和和光敏三极管光敏三极管等部分。等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。二、工作原理二、工作原理 当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度成一角度来放置来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照两光栅尺

40、时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带亮带。相反，。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这得挡光效应变强，只有较少的光

41、线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现个区域出现暗带暗带。这些与光栅线纹这些与光栅线纹几乎几乎垂直，相间出现的亮、暗带垂直，相间出现的亮、暗带就是就是莫尔条纹莫尔条纹。莫尔条纹（莫尔条纹（MoireMoire） 条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 均匀刻线均匀刻线主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动莫尔条纹形成的原理2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光

42、栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 3 莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点方向性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：同步性：光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动莫尔条纹移动一个间距一个间距方向对应方向对应放大性：放大性：夹角夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：可调性：夹角夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：准确性：大量刻线大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服克服个别个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 3 莫尔条纹技术的特点1.调整夹角即可得到很大的莫尔条

43、纹的宽度，起到了调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用放大作用，又提高了测量精度。又提高了测量精度。2.莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提高测量精度或可。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。以采用较粗的光栅。3.光电元件对于光栅刻线的误差起到了光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用平均作用。刻线的局部。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。

44、这是用光栅测量和普通标栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。尺测量的主要差别。4.4.莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽尺相对移动一个栅距，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度度W W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。 莫尔条纹与标尺光栅移动方向的关系莫尔条纹与标尺光栅移动方向

45、的关系标尺光栅相对标尺光栅相对指示光栅的指示光栅的转角方向转角方向标尺光栅移动标尺光栅移动方向方向莫尔条纹移动莫尔条纹移动方向方向顺时针方向顺时针方向向左向左向上向上向右向右向下向下逆时针方向逆时针方向向左向左向下向下向右向右向上向上 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化通过光电元件，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，如图所示。转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。 U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0 u0输出信号中的直流分量；输出信号中的直流分量；um输出正弦信号的幅值；输出正弦信号的幅值； x两光栅间的瞬时相对位移。两光栅间的瞬时相对位移。

46、即通过用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则即通过用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信光信号被转换为电信号号被转换为电信号(电压或电流电压或电流)输出。输出电压信号的幅值为光栅输出。输出电压信号的幅值为光栅位移量位移量x的函数。的函数。 WxUUUm2sin0将该电压信号放大、整形使其变为将该电压信号放大、整形使其变为方波，经方波，经微分电路微分电路转换成脉冲信号，再转换成脉冲信号，再经过经过辨向电路辨向电路和可逆计数器计数，则可和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。测位移量为

47、脉冲数与栅距的乘积。测量分辨率等于栅距。当栅距为单位长度量分辨率等于栅距。当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小量的大小。细分技术细分技术提高分辨力方法提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下，用内插法把莫尔条纹间距进行“细分”，提高计数脉冲的频率(故又称倍频倍频)。细分细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。 细分方法有机械细分机械细分和电子细分电子细分两类。感应同步器是利用电磁感应电磁感应原理把两个平面两个平面绕组间的位移量转换成电信号绕组间的位移量转换成电信号

48、的一种位移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直直线型线型和圆盘型圆盘型两类，分别用来检测直线位移直线位移和角位移角位移。由于它成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量非接触测量，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。5.2.2.3 感应同步器感应同步器1.感应同步器结构感应同步器结构感应同步器感应同步器4l 包括包括定尺定尺和和滑尺滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为一般为2mm)的方的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两齿形线圈。定尺绕组是连续的

49、，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为个励磁绕组，分别称为正弦绕组正弦绕组和和余弦绕组余弦绕组。当。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组尺绕组错开错开1/4节距（节距（电相位差电相位差90）。滑尺和。滑尺和定 尺 相 对 平 行 安 装 ， 其 间 保 持 一 定 间 隙定 尺 相 对 平 行 安 装 ， 其 间 保 持 一 定 间 隙（0.050.2mm）。）。感应同步器感应同步器直线型感应同步器定尺、直线型感应同步器定尺、滑尺的结构滑尺的结构在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的交变电流时

50、，定尺绕组感应出频率为的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。置有关。设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距为，节距为T，则正弦绕组单独供，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为电时，在定尺上感应电势为2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理cos360cos2ssKUTxKUUo余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 感应同步器感应同步器sin360sin2ccKUTxKU

51、Uosincos222csKUKUUUUTxTx2360)(o 根据对滑尺绕组供电方式的不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，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同，感应同步器的测量方式有鉴相鉴相式式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。3. 测量方法测量方法(1)鉴相式工作法鉴相式工作法 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但幅值，但相位相差相位相差90o的两个电压，设的两个电压，设二、感应同步器二、感应同步器tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUt

52、KUmmmTxo360感应同步器感应同步器2.鉴幅工作法鉴幅工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但相同相位，但幅值不等幅值不等的两个交流电压：的两个交流电压：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(2224. 感应同步器的应用直线式感应同步器常常会遇到有关直线式感应同步器常常会遇到有关接长的问题接长的问题。例如，当感。例如，当感应同步器用于检测机床工作台的位移时，由于行程较长，一应同步器用于检测机床工作台的位移时，由于行程较长，一块感应同步器常难以满足检测长度的要求，需要将两块或多块感应同步器常难以

53、满足检测长度的要求，需要将两块或多块感应同步器的定尺拼接起来，即块感应同步器的定尺拼接起来，即感应同步器接长。感应同步器接长。感应同步器的定尺和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移感应同步器的定尺和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上（如工作台和床身），当工作台移动时，滑尺在动的部件上（如工作台和床身），当工作台移动时，滑尺在定尺移动。滑尺和定尺要用防护罩罩住，以防止铁屑、油污定尺移动。滑尺和定尺要用防护罩罩住，以防止铁屑、油污和切割液等东西落到器件上，从而影响正常工作。由于感应和切割液等东西落到器件上，从而影响正常工作。由于感应同步器的检测精度比较高，同步器的检测精度比较高，故对安装有

54、一定的要求，如在安故对安装有一定的要求，如在安装时要保证定尺安装面与机床导轨面的平行度要求装时要保证定尺安装面与机床导轨面的平行度要求，如这两，如这两个面不平行，将引起定、滑尺之间的间隙变化，从而影响检个面不平行，将引起定、滑尺之间的间隙变化，从而影响检测灵敏度和检测精度。测灵敏度和检测精度。 5.2.2.4 旋转变压器旋转变压器旋转变压器属于电磁式测量传感器，可以用于角位移的测量，是一种间接间接测量装置。旋转变压器由定子和转子组成，励磁电压接到定子绕组上，励磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz，转子输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。旋转变压器可单独和滚

55、珠丝杠相连，也可与伺服电动机组可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体成一体。检测电路: 鉴相鉴相方式和鉴幅鉴幅工作方式。旋转变压器根据转子感应电压的输出方式分有有刷刷和无刷两种。5.2.2.4 旋转变压器旋转变压器将旋转变压装在数控机床的丝杠上，当角从0变化到360时，表示丝杠的螺母走了一个螺距，这样就间接间接地测量了丝杆的直线位移(螺距)的大小。在数控机床伺服系统中用来测量机床的主轴及伺服轴运动等。测全长时，可加一只计数器计数器，累计所走的螺距数，折算成位移总长度。为区别正反向，再加一只相敏检波器相敏检波器以区别不同的转向。 测速发电机实际上测速发电机实际上它是一台微型的直流它是一台

56、微型的直流发电机。其结构有多发电机。其结构有多种，根据定子磁极激种，根据定子磁极激磁方式的不同，直流磁方式的不同，直流测速发电机可分为测速发电机可分为电电磁式磁式和和永磁式永磁式两种。两种。如以电枢的结构不同如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。但枢和圆盘电枢等。但原理基本相同。原理基本相同。 5.2.3.1 直流测速发电机直流测速发电机n直流测速发电机的特点是输出斜率大、线性好输出斜率大、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。 光电脉冲测速光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度原理如下图所示。物体以

57、速度V通通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，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的时间间隔t，则可测得速度为，则可测得速度为5.2.3.2 光电式速度传感器光电式速度传感器x00ett光电池挡板V速度测量0e微分电路txV/光电池遮挡板光电池遮挡板 光电式转速传感器光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙

58、圆盘和指示组成，如下图所示。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，缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间根据测量时间t内的脉冲数内的脉冲数N，则可测得转速为，则可测得转速为光电式速度传感器光电式速度传感器tZNn60光电式转速传感器的结构原理图 一般取Z t =6010m（m=0，1，2）。利用两组缝隙间距W相同，位置相差（i/21/4）W（i为正整数）的指示缝隙和两个光电器件，则可辨别出圆盘的旋转方向。5.2.4.1 电阻应

59、变片式加速度传感器电阻应变片式加速度传感器结构如图所示。悬臂结构如图所示。悬臂梁的一端固定在本体梁的一端固定在本体上，另一端装有重块，上，另一端装有重块，壳体内充满硅油，通壳体内充满硅油，通过粘贴在悬臂梁上下过粘贴在悬臂梁上下两面的电阻应变片两面的电阻应变片间间接接测得物体的加速度。测得物体的加速度。这实际上是一个由这实际上是一个由质质量量- -弹簧弹簧- -阻尼构成的阻尼构成的二阶系统二阶系统（重块是质（重块是质量块，悬臂梁为板状量块，悬臂梁为板状弹簧，硅油为阻尼）。弹簧，硅油为阻尼）。5.2.4.2 压电式加速度传感器使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，

60、使压电元件产生变形。压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。使用加速度传感器可以检测振动，可以对机械故障进行诊断（如：齿轮的缺齿、轴承的损伤等。1-重块；重块；2-压电元件；压电元件；3-接线；接线；4-座座 压电加速度传感器分电荷输出型和电压输出型。5.3 常用传感器的性能指标常用传感器的性能指标 5.3 常用传感器的性能指标常用传感器的性能指标 1传感器处于被测对象被测对象与检测系统的界面位置检测系统的界面位置，是信号输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信号。2中间转换电路中间转换电路将传感器敏感元件输出的电参数信号转换成易于测量或处理的电压或电流等电量信号。通常，这种电量信