机电一体化单元技术2

1、返回返回返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n2.1 概述 n2.2 精密机械技术 n2.3 传感检测技术n2.4 伺服驱动技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 传感与检测系统是机电一体化产品中的一个重要传感与检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现组成部分，用于实现检测功能检测功能。检测系统主要由检测系统主要由传感器传感器及相应的及相应的信号处理电路信号处理电路构构成。成。返回返回n传感器：是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于处理和传输的信号测量装置。n非电量信号电量信号一一. . 传感器的组成

2、传感器的组成 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 被测量被测量（非电量）（非电量）物理量物理量电参量电参量电量电量（R、L、C）（U、I、f）敏感元件：直接感受、获取被测量并输出与被测量有确定关系敏感元件：直接感受、获取被测量并输出与被测量有确定关系的某种物理量的元件。的某种物理量的元件。转换元件：一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的转换元件：一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出转换成电参量形式的输出元件。输出转换成电参量形式的输出元件。转换电路：把转换元件输出的电路参量转换成便于显示、记录

3、、转换电路：把转换元件输出的电路参量转换成便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。处理和控制的有用电信号的电路。 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 气体压力传感器原理n膜盒2外部与大气压相通，它的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转换电路5。敏感元件：膜盒2 转换元件：可变电感3转换电路5返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 （一）分类n按被测量：物理量、化学量、生物量n按信号变化特征：结构型、物性型n按工作原理：压电式、光电式、热电式等n按输出量：开关型、模拟型、数字型二.传感器的

4、分类及特性返回返回传感器按按输出信号的性质分类输出信号的性质分类模拟型(analog)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）传感器sensor第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 （二）特性 特性: 输出与输入之间的关系 (1) 静态特性：被测量处于稳定状态时，传感器的输入值与输出值之间的关系。主要技术指标 ：n量程n线

5、性度n灵敏度n精度n分辨率n迟滞性n重复性返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 量程量程 在允许误差限内传感器的适用测量范围。在允许误差限内传感器的适用测量范围。 线性度线性度 在静态输入下，传感器在静态输入下，传感器 实际特性曲线与理论直实际特性曲线与理论直 线之间的最大偏差与满线之间的最大偏差与满 量程值之比。量程值之比。100%maxFSyL返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 灵敏度灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比。输出量的变化量与输入量的变

6、化量之比。xyS0表征传感器对输入量变化的反应能力。表征传感器对输入量变化的反应能力。返回返回 线性传感器线性传感器 非线性传感器非线性传感器 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 选用原则：选用原则： 在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要注在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要注意外界噪声的影响。意外界噪声的影响。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 精度精度 传感器的输出量与实际被测量之间的接近程度。传感器的输出量与实际被测量之间的接近程度。精度一般用标定的方法来确定精度一般用标定的方法来确定分辨率分辨率

7、传感器能检测到的最小输入增量称分辨率。传感器能检测到的最小输入增量称分辨率。 在输入零点附近的分辨率称为阈值在输入零点附近的分辨率称为阈值返回返回 正反行程间输出的最大差值正反行程间输出的最大差值。HMAX%100)(21 (FSHMAXHyxHmaxY迟滞性迟滞性 传感器在正（输入量增大）传感器在正（输入量增大） 反（输入量减小）行程中，反（输入量减小）行程中，输出输出/输入特性曲线不重合输入特性曲线不重合的程度。的程度。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方

8、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，所得输出向作全量程连续多次重复测量时，所得输出/输入曲线的不一致程度。输入曲线的不一致程度。零漂零漂 传感器在零输入状态下输出值的变化。传感器在零输入状态下输出值的变化。 100%FSmRyR21,maxmmmRRR返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 (2) (2) 动态特性动态特性指传感器测量指传感器测量动态信号动态信号时，输出对输入的响应时，输出对输入的响应特性。特性。传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。常用的标准输入信号有的响应来表示。

9、常用的标准输入信号有阶跃信阶跃信号号和和正弦信号正弦信号两种，所以传感器的动态特性也两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。常用阶跃响应和频率响应来表示。动态特性参数如：最大超调量、上升时间、稳动态特性参数如：最大超调量、上升时间、稳定时间、频率响应范围、临界频率、临界速度、定时间、频率响应范围、临界频率、临界速度、阻尼比等。阻尼比等。 返回返回（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 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回（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

10、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。 （二）传感器的集成化和多功能化 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。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记不仅具有信号检测、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、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，就成为智能传感这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。器

11、。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 三、机电一体化中常用的传感器n位移检测传感器：光栅、旋转变压器、光电编码器n速度检测传感器：测速发电机、光电式、差动变压器式n加速度检测传感器：应变式、压电式n力、力矩检测传感器：电阻应变压力传感器、力矩传感器n温度、湿度、光度检测传感器返回返回一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器 (Raster Displacement Sensor) 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。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术

12、 返回返回 光栅光栅(raster)(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第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n根据用途：光栅尺（测直线位移）根据用途：光栅尺（测直线位移） 和光栅盘（测角位移）和光栅盘（测角位移）n按材料：玻璃光栅和金属光栅按材料：玻璃光栅和金属光栅n按光源照射法：透射光栅和反射光栅按光源照射法：透射光栅和反射光栅第二章第二章 机电一体化的单元

13、技术机电一体化的单元技术 返回返回n直线光栅的结构第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n由由标尺光栅标尺光栅1、指示光栅指示光栅2、光源光源4、光电元件光电元件3组成，其中组成，其中2、3、4装在读数头中。使用时，标尺光栅（主光栅）安装在读数头中。使用时，标尺光栅（主光栅）安装在机床活动部件上，读数头安装在机床固定部件上。装在机床活动部件上，读数头安装在机床固定部件上。n两者的刻线密度相同，而刻线之间的距离称为两者的刻线密度相同，而刻线之间的距离称为栅距栅距W 。光。光栅条纹密度一般为每毫米栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，200，250条等。条等。返回返回n直线光

14、栅的工作原理第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n把两块栅距把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角间有较小的夹角时，由于遮光效应，光栅上会出现若干时，由于遮光效应，光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，即条明暗相间的条纹，即莫尔条纹莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。夹角几乎垂直的方向排列。夹角越小，莫尔条纹间距越小，莫尔条纹间距B 越大。越大。n标尺光栅移动位移标尺光栅移动位移X：nWX n莫尔条纹间距数莫尔条纹间距数返回返回n莫尔条纹的特点 运动对应关系n移动大小：光栅尺相对移动过一

15、个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B 。n移动方向：光栅尺沿栅线垂直方向左右移动，莫尔条纹沿栅线方向上下移动。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回 位移放大作用n莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角（rad）之间关系：放大倍数：第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1WBKWB 返回返回 均化误差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返回返回n光栅测量系统第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n通过光电元件，可将莫

16、尔条纹移动时光强的变化转换为通过光电元件，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。近似正弦变化的电信号。 其电压为：其电压为：n 如果仅放置如果仅放置1 1个光电元件，光栅尺每移动个光电元件，光栅尺每移动1 1个栅距个栅距W W，光，光电元件输出信号变化电元件输出信号变化1 1个周期，经放大、整形、微分后个周期，经放大、整形、微分后得到得到1 1个脉冲信号，再经辨向和可逆计数器则可计算位个脉冲信号，再经辨向和可逆计数器则可计算位移量。移量。 n辨向：如果仅放置辨向：如果仅放置1 1个光电元件，只能确定位移大小，个光电元件，只能确定位移大小，要实现辨向则至少需要要实现辨向则至少需

17、要2 2个光电元件（相距个光电元件（相距B/4B/4）。）。 U0UW/2oUm2W3W/2Wx亮亮暗暗亮亮暗暗亮亮WxSinUUUm20返回返回n细分 提高测量分辨率n4 4细分（倍频）原理细分（倍频）原理: :在光栅移动在光栅移动1 1个栅距的位个栅距的位移时，得到移时，得到4 4个计数脉冲。个计数脉冲。a差分放大器整形电路d差分放大器整形电路bc光电元件方向判别门电路可逆计数器正向脉冲反向脉冲sincos-sin-cossincos第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回（1）精度高。）精度高。测长度精度可达测长度精度可达0.53m，分辨力可达，分辨力可达0.1m

18、。测角度精度可达测角度精度可达0.15，分辨力可达，分辨力可达0.1，甚至更高。，甚至更高。（2）用于高分辨力大量程测量。）用于高分辨力大量程测量。（3）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。（4）具有较强的抗干扰能力。）具有较强的抗干扰能力。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回旋转变压器(Rotary Transformer) 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：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。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一

19、体化的单元技术 返回返回2）旋转变压器n构造 从结构上看，旋转变压器与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成。 旋转变压器又有单极对和多极对之分。正余弦旋转变压器结构正余弦旋转变压器结构D1D2-激磁绕组激磁绕组D3D4-辅助绕组辅助绕组Z1Z2-余弦输出绕组余弦输出绕组Z3Z4-正弦输出绕组正弦输出绕组定子定子转子转子双极对双极对第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回1.旋转变压器n工作原理n从原理上看，旋转变压器相当于一台可以旋转的变压器。n当以一定频率的激磁电压加于定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压与转子转角保持某种严格函数关系。正余

20、弦旋转变压器：输出电压与转子转角成正、余弦函数关系线性旋转变压器：输出电压与转子转角在一定转角范围内与转角成正比关系第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回鉴相式鉴相式1sinmUUwt2cosmUUwt312sinsin(90)cos()mUkUkUkUwt1.旋转变压器n测量方式（正余弦旋转变压器）n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为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即n可见，转子输出电压的相位角和转子转角之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得转子转

21、角，即可测得被测轴的角位移。n实际使用时，把定子余弦绕组励磁电压U2的相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压的相位做比较，来确定转子转角的大小。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1.旋转变压器n测量方式（线性旋转变压器）n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。n则在一定转角范围内，其输出电压和转子转角成线性关系。此时输出电压为：n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。31sin1cosUkUk返回返回n应用1）位置传感器2）解

22、算元件3）移相器第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 伺服电机专用绕线式旋变伺服电机专用绕线式旋变混合动力车专用绕线式旋变混合动力车专用绕线式旋变返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2.光电编码器n光电编码器是一种用于角度检测的数字式传感器，它将输入轴的角度，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量。n根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式两种。 返回返回光电编码器优缺点光电编码器优缺点增量式编码器：增量式编码器： 结构简单、价格低、精度易于保证 应用最广泛绝对式编码器：绝对式编码器： 优点：优点：直接显示转角的数字信息，便于计算机处

23、理缺点：缺点： 进给数大于1转时，需做特别处理，必须使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，造成结构复杂、成本高返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1.1.增量增量式光电编码器式光电编码器指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，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，以此表示转过的角位移进行加减计数，以此表示转过的角位移 量。量。输出输出脉冲脉冲的编码器的编码器返回返回1.1.增量增量式光电编码器式光电编码器它由主码盘、光栅板（鉴向盘）、光学系统、光敏元件它由主码盘、光栅板（

24、鉴向盘）、光学系统、光敏元件组成。组成。返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2.2.绝对式编码器绝对式编码器把被测转角通过读取把被测转角通过读取码盘上的图案信息直码盘上的图案信息直接转换成相应代码的接转换成相应代码的检测元件检测元件绝对绝对式编码器输出代式编码器输出代表被测轴角位移的表被测轴角位移的数数字量。字量。分光电式、接触式、分光电式、接触式、电磁式三种。电磁式三种。返回返回2.2.绝对式编码器绝对式编码器光电式码盘是在透明材料的圆盘上精确的印制上二进制光电式码盘是在透明材料的圆盘上精确的印制上二进制编码编码返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化

25、的单元技术 2.2.绝对式编码器绝对式编码器由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替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，二进制编码的码盘会产生读数误差。过程中，二进制编码的码盘会产生读数误差。为了消除非单值性误差，可采用循环码盘和带判位光电为了消除非单值性误差，可采用循环码盘和带判位光电装置的二进制循环码盘来实现。装置的二进制循环码盘来实现。a) a) 二进制码二进制码b) b) 循环码循环码c) c) 带判位装置带判位装置返回返回 绝对式码盘特点:n可以直接读出角度坐标的绝对值n无累积误差n电源切断后位置信息不会丢失n允许的最高旋转速度高 但是，位数较高时制造困难

26、，且转数大于一转时需特别处理，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，结构复杂、成本高。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 （二）速度、加速度传感器 1）速度传感器1.直流测速发电机n测速发电机是一种速度检测元件，将机械转速转换为电压信号的微型发电机。分类n按定子磁极的励磁方式：电磁式和永磁式n按电枢结构形式：有槽电枢、无槽电枢、空心杯电枢、圆盘电枢n近年来，因自动控制系统的需要，又出现了永磁式直线测速发电机返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 直流测速发电机分类返

27、回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 结构（永磁式）结构（永磁式）返回返回n工作原理 恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生感应电动势，经换向器和电刷转换成与转速成正比的直流电势。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n测速发电机的输出电压U0与转速n关系：第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 nkULon当负载电阻当负载电阻RL时，输时，输出电压出电压u0与转速与转速n严格成严格成正比。正比。n对于不同的负载电阻对于不同的负载电阻RL ，测速发电机有不同斜率，测速发电机有不同斜率，并随着负载电阻的减小而并

28、随着负载电阻的减小而减小。减小。 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n特点 输出特性曲线斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，其构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。n用途 在机电系统中常作测速元件，校正元件，解算元件和角加速度信号元件。n在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把测速机直接连接到电动机轴。有的电动机本身就安装了直流测速发电机。返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 （二）速度、加速度传感器 1）速度传感器2.光电式速度传感器n光电式速度传感器将速度的变化转变成光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转变成电量的变化。n光电转

29、换元件的工作原理是光电效应。返回返回n光电式速度传感器 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，则可测得速度为第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 x00ett光电池挡板V速度测量0e微分电路txV/返回返回n光电式转速传感器光电增量编码器 光电增量编码器装在被测轴，当编码盘随被测轴转动时，码盘每转一周，光电器件输出与码盘缝隙数相等的电脉冲Z，根据测量时间t(s)内脉冲数N，可测得转速为第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 脉冲频率法脉冲频率法ZtNn60该方法测量精度该方法测量精度与

30、被测转速相关与被测转速相关返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 3.差动变压器式速度传感器n差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。n差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度v（m/s）相对应的电压输出，即交 流电 源直 流电 源加 法 器跟 随 器跟 随 器i(t)xd xd t减法器低通滤波器放大器UvkIUv02返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 （二）速度、加速度传感器 2）加速度传感器

31、n加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，并将加速度进一步转化成电量来间接度量被测加速度。n最常用的有应变片式、压电式和电容式。 返回返回n电阻应变式加速度计 它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，根据梁上固定的应变片的变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 应变片m悬臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液体的壳体返回返回n压电加速度传感器n使用时传感器固定在被测物体上，利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振

32、时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。n频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 引 出 线3质 量 块1 壳 体压 电 晶 片m4 2 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 （三）力、压力、力矩传感器 按工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式。n电阻应变式电阻应变效应返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1）测力传感器n柱式弹性元件n柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。这种弹性元件

33、结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CRAEP返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 1）测力传感器n悬臂梁式弹性元件n结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01N到几KN的拉、压力。n在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P，则应变与P的关系为：1RR2R4(R )(R )R13bR43lhAR1PD3RR2CBEbhPL26返

34、回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2）压力传感器n膜式压力传感器n它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板，又称平膜板或膜片，其一表面承受被测分布压力，另一侧面粘有应变片或专用的箔式应变花，并组成电桥。n膜片在被测压力p作用下发 生弹性变形，应变片在任意 半径r的径向应变和切向应 变分别为：返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2）压力传感器n筒式压力传感器n它的弹性元件为薄壁圆筒，筒的底部较厚。这种弹性元件的特点是，圆筒受到被测压力后表面各处的应变是相同的。因此应变片的粘贴位置对所测应变不影响。n薄壁圆筒n厚壁圆筒返回返回第二章第二章 机电

35、一体化的单元技术机电一体化的单元技术 3）力矩传感器n机器人手腕用力矩传感器n无触点检测力矩返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 4）力和力矩复合传感器n机器人十字架式腕力传感器n这是一种用来测量机械手与支座间的作用力，从而推算出机械手施加在工件上力的传感器。返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 4）力和力矩复合传感器n机器人腕力传感器n应用腕力传感器，可以控制机械手进行孔轴装配、棱线跟踪、物体表面的平面区域的方向检测等作业。返回返回（四）位置传感器 n位置传感器与位移传感器区别：n用途 前者检测被测物是否达到某一位置；后者检测被测物位移的变

36、化量n输出信号形式 前者输出开关量；后者输出反映位移量变化的模拟量或数字量n位置传感器分类：n接触式：获取两个物体是否已接触n非接触式：判别在某一范围内是否有某一物体第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n行程开关n行程开关是一种接触式位置传感器。它由3部分组成：操作头、触头系统和外壳。n操作头是开关的感测部分，它接受机械结构的动作信号，并将此信号传递到触头系统。n触头系统是开关的执行部分，它将机械信号转换为电信号，输出到有关控制电路。一般行程开关备有一对常开、一对常闭触点 。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n接近开关n一种非接触式、无

37、触点位置检测元件。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。n按工作原理分有高频振荡型、电容型、霍尔效应型等多种。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n光电开关n光电开关是一种非接触式、无触点位置检测元件。n它由光发射器（红外发光二极管）和光接受器（光敏三极管）组成。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。n有透射型和反射型两种结构。n物体不限于金属，所有能遮挡光线物体或可反光物体均可被检测。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术

38、 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 四、传感器的选用和使用1.传感器的选择n测试要求和条件 测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。n传感器特性 精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。n使用条件 安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 2.传感器的使用n线性化处理与

39、补偿 硬件或软件进行非线性补偿 温度补偿n传感器的标定 利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。n抗干扰措施 常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 五、传感器的测量电路n测量电路的组成跟传感器输出信号的形式和仪器的功能有关，并由此决定测量电路的类型。 n模拟型测量电路n数字型测量电路n开关型测量电路返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n模拟型测量电路返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n

40、数字型测量电路绝对码数字测量电路绝对码数字测量电路返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n数字型测量电路增量码数字测量电路增量码数字测量电路返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 n开关型测量电路开开关关量量返回返回一、伺服系统概述一、伺服系统概述n伺服系统：也称为：也称为随动系统或或自动跟踪系统，是以机，是以机械量（位移、速度或力、力矩等）作为被控量，在控械量（位移、速度或力、力矩等）作为被控量，在控制命令指挥下，驱动执行元件，使机械运动部件在满制命令指挥下，驱动执行元件，使机械运动部件在满足一定的性能指标要求下按照控制指令进行动作的自足一定

41、的性能指标要求下按照控制指令进行动作的自动控制系统。动控制系统。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n伺服系统结构伺服系统结构n大多数的伺服系统仍采用传统的经典控制理论来分析。随着计算机性能的不断提高，现代控制理论得到了广泛应用，伺服系统的控制手段也向着模糊控制、神经网络等更加智能化的方向发展。 控制器驱动元件被控对象检测装置输入输出伺服系统的组成第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类l控制器l驱动元件l被控对象l检测装置根据输入信号和反馈信号决定控制策略。将输入能量转化为机械能，驱动被控对

42、象完成指令规定的动作。检测指令的执行情况，并报告给控制器。稳定、快速、准确第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类伺服系统的分类：按驱动元件的性质分为液压（气动）伺服系统电气伺服系统按控制方式分为开环伺服系统闭环伺服系统直流伺服系统交流伺服系统步进伺服系统 半闭环控制系统？第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回伺服系统的结构组成及分类伺服系统的结构组成及分类伺服系统的分类：按信息传递的不同分为连续控制系统采样控制系统第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 按控制过程分为点位控制系统

43、轮廓控制系统返回返回工作台 数控装置 脉冲分配 功率放大器 步进电动机 开环伺服系统第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回开环伺服系统开环伺服系统：无反馈控制 优点：结构较简单、技术易掌握、成本低； 缺点：精度低，抗干扰能力差。一般用于精度、速度要求不高，低成本的机电一体化系统中。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回全闭环伺服系统指令脉冲 比较 环节 伺服 放大 速度 传感器 工作台位置检测器电动机 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回闭环伺服系统：采用反馈控制 反馈检测装置安装在工作台上，可得到工作台位置的精确

44、信息，理论上取决于检测反馈部件的误差。但由于机械传动链被包含在位置闭环中，造成机械传动链的惯量、间隙、摩擦等因素影响伺服系统的精确性 优点：精度高、调速范围宽、动态性能好； 缺点：系统结构复杂、成本高。一般用于要求高精度、高速度的机电一体化系统中。返回返回指令脉冲 比较 环节 伺服 放大 速度 传感器 电动机 半闭环伺服系统第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回半闭环伺服系统：检测元件位于系统传动链的中间 部分传动链位于系统闭环之外，定位精度低全闭环伺服系统稍差，但由于测量角位移比测量线位移容易，结构简单，调试维护容易。而且惯性质量很大的工作台排除在闭环之外，稳定性好

45、！调试容易、稳定性好，广泛应用在机电一体化系统中返回返回n连续控制系统（模拟控制系统）n采样控制系统（脉冲控制系统、离散控制系统）数字控制器 保持器 被控对象 输入变量 采样器 离散量 连续量 采样控制系统第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回n数字元件比模拟元件具有更高的可靠性和稳定性数字元件比模拟元件具有更高的可靠性和稳定性n受扰动的影响小受扰动的影响小n具有更大的灵活性，实现控制规律的精度高具有更大的灵活性，实现控制规律的精度高返回返回（1 1）稳定性好）稳定性好n稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入

46、指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。 n伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，它与系统的结构及参数有关，而与外界作用信号的性质及形式无关。 伺服系统的总体要求伺服系统的总体要求第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回（2）精度高精度高n伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度。n伺服系统工作中通常存在三种误差：动态误差动态误差、稳态误差稳态误差和静态误差静态误差。n影响伺服系统精度的因素很多：系统组成元件本身的误差；伺服系统本身的结构形式；系统输入指令信号的形式的影响。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回（3 3）快速响应性）

47、快速响应性n快速响应性是指系统输出量快速跟随输入指令信号变化的能力。 1）取决于系统的阻尼比和固有频率； 2）由系统的上升时间和调整时间来描述；n响应速度的快慢影响系统的工作效率和加工精度。 第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回（4 4）灵敏度）灵敏度n系统各元件的参数变化等会影响系统的性能，系统对这些变化的灵敏度小，即系统的性能应不受参数变化的影响。 1）对开环系统，应严格选择各元件； 2）对闭环系统，对输出通道中元件挑选可适当放宽，对反馈通道的元件必须严格挑选；第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回伺服系统中的执行元件伺服系统中的执行元

48、件n执行元件也称为能量转换装置，它位于电气控制装置执行元件也称为能量转换装置，它位于电气控制装置和机械执行部件之间。和机械执行部件之间。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回种种类类特点特点优点优点缺点缺点电电气气式式可使用商用电源；可使用商用电源；信号与动力的传送信号与动力的传送方向相同；有交流方向相同；有交流和直流之别，须注和直流之别，须注意电压之大小意电压之大小操作简便；编程容易；操作简便；编程容易；能实现定位伺服；响能实现定位伺服；响应快、易与应快、易与CPU相接；相接；体积小，动力较大；体积小，动力较大；无污染无污染 瞬时输出功率大；过载差，瞬时输出功率大；

49、过载差，特别是由于某种原因而卡住特别是由于某种原因而卡住时，会引起烧毁事故，易受时，会引起烧毁事故，易受外部噪声影响外部噪声影响气气压压式式空气压力源的压力空气压力源的压力为（为（57）105Pa；要求操作人员技术要求操作人员技术熟练熟练气源方便、成本低；气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、无泄漏污染；速度快、操作比较简单操作比较简单功率小，体积大，动作不够功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化；远距离平稳；不易小型化；远距离传输困难；工作噪声大、难传输困难；工作噪声大、难于伺服于伺服液液压压式式要求操作人员技术要求操作人员技术熟练；液压源压力熟练；液压源压力为（为（2080）105Pa输

50、出功率大，速度快，输出功率大，速度快，动作平稳，可实现定动作平稳，可实现定位伺服；易与位伺服；易与CPU相相接；响应快接；响应快设备难于小型化；液压源或设备难于小型化；液压源或液压油要求（杂质、温度、液压油要求（杂质、温度、测量、质量）严格；易泄漏测量、质量）严格；易泄漏且有污染且有污染返回返回n体积小、输出功率大n快速性能好n便于计算机控制n便于维修、可靠性和动作的准确性要高n运动平稳、分辨率高n振动和噪声小伺服系统对执行元件的要求伺服系统对执行元件的要求第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回电气伺服驱动系统电气伺服驱动系统为了满足机电系统设计要求，对伺服电动机的基

51、本性能要求如下：n功率密度大n快速性好n位置控制精度高，调速范围宽，低速运动平稳，分辨率力，振动噪声小n适应起停频繁的工作要求n可靠性高，寿命长n具有良好的机械特性和调节特性第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回（一）步进电动机n步进电动机又称脉冲电机，是一种将步进电动机又称脉冲电机，是一种将电脉冲控制信号转换转换成相应的成相应的角位移或或线位移的执行元件。的执行元件。 优缺点：优缺点：n易实现微机控制易实现微机控制n控制简单，调速方便控制简单，调速方便n步距角误差较大，但无累积误差步距角误差较大，但无累积误差n效率低效率低n大负载和速度较高的情况下，容易发生大负载和

52、速度较高的情况下，容易发生丢步；低速时容易；低速时容易出现低频出现低频振动现象现象第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回1）种类）种类n按运动方式：按运动方式：旋转式和直线式和直线式n按励磁相数：两相、三相、四相、五相、六相等按励磁相数：两相、三相、四相、五相、六相等n按定子绕组排列：按定子绕组排列：径向式和轴向式和轴向式n按输出力矩：伺服式和功率式按输出力矩：伺服式和功率式n按力矩产生原理：按力矩产生原理：反应式（变磁阻式）（变磁阻式）VR、永磁式、永磁式PM、混合式（永磁感应式）混合式（永磁感应式）HB第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返

53、回该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，其定子1与转子2由铁心构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈，转子朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁型。 此类电动机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于VR型步进电动机的铁心无极性，故不需改变电流极性，为此，多为单极性励磁。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回 PM型步进电动机的转子2采用永久磁铁、定子1采用软磁钢制成，绕组3轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力

54、，可用做定位驱动。 PM型电动机的特点是励磁功率小、效率高、造价低，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回 该型步进电机不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。它的定子与VR型没有多大差别，只是在相数和绕组接线方面有其特殊的地方，例如，VR型一般都做成集中绕组的形式，每极上放有一套绕组，相对的两极为一相，而HB型步进电动机的定子绕组大

55、多数为四相，而且每极同时绕两相绕组或采用桥式电路绕一相绕组，按正反脉冲供电。 这种类型的电动机由转子铁心的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造出步距角较小(0.93.6)的电动机。永久磁铁也可磁化轴向的两极，可使用轴向各向异性磁铁制成高效电动机。第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回 混合型与永磁型多为双极性励磁。由于都采用了永久磁铁，所以，无励磁时具有保持力。另外，励磁时的静止转矩都比VR型步进电动机的大。HB和PM型步进电动机能够用做超低速同步电动机，如用60Hz驱动每步1.8的电动机可作为72rmin的同步电动机使用。 第二章第二章 机电一体化的单元技

56、术机电一体化的单元技术 返回返回ZZ360Zkm360第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回4、矩角特性、矩角特性n空载时，使某相绕组始终通电，此时转子处于初始平衡位置。空载时，使某相绕组始终通电，此时转子处于初始平衡位置。n带负载转矩带负载转矩TL时，则转子将转过一个小角度时，则转子将转过一个小角度d才重新稳定，此时才重新稳定，此时转子上的电磁转矩转子上的电磁转矩TM=TL 。TM称称静态转矩，d称称失调角，TMd 称称矩角特性曲线。n静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差越小。静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差越小。最大静转矩（保持转矩）TMmax（ -,）第二章

57、第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回5、起动频率、起动频率n步进电动机在不失步起动时的步进电动机在不失步起动时的最高脉冲频率称为起动频率。称为起动频率。n失步：转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和失步：转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。越步两种情况。n空载起动频率和带载起动频率（与负载惯量有关）空载起动频率和带载起动频率（与负载惯量有关）n当驱动电源性能提高时，起动频率亦可提高当驱动电源性能提高时，起动频率亦可提高第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回步进电动机的惯频特性n 带载起动频率主要取决于负载的转动惯量n

58、实际应用中，由于负载转矩的存在，可采用的带载起动频率比由惯频特性曲线的还要低第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回7、最高工作频率、最高工作频率n步进电动机起动后，将脉冲频率逐渐升高，在额步进电动机起动后，将脉冲频率逐渐升高，在额定负载下，电动机不失步正常运行的极限频率称定负载下，电动机不失步正常运行的极限频率称为最高工作频率。为最高工作频率。n最高工作频率远大于起动频率最高工作频率远大于起动频率n最高工作频率随负载而异最高工作频率随负载而异n当驱动电源性能越好时，最高工作频率亦可越高当驱动电源性能越好时，最高工作频率亦可越高n最高工作频率决定了步进电动机的最高转速（

59、即最高工作频率决定了步进电动机的最高转速（即被控对象的最大工作速度）被控对象的最大工作速度）第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回 步进电动机的矩频特性8、矩频特性、矩频特性n步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率的关系称为矩频特性步进电动机的输出转矩与控制脉冲频率的关系称为矩频特性n起动矩频特性和和运行矩频特性n运行矩频特性曲线上每一个频率所对应运行矩频特性曲线上每一个频率所对应n的转矩称为动态转矩的转矩称为动态转矩n动态转矩随连续运行频率的上升而下降动态转矩随连续运行频率的上升而下降n原因：定子控制绕组有一定的电感量，原因：定子控制绕组有一定的电感量， 回路有电气时间

60、常数，电感电流变化回路有电气时间常数，电感电流变化 有一个过渡过程。高频时，电流达不有一个过渡过程。高频时，电流达不 到稳态值，故动态转矩小。到稳态值，故动态转矩小。动态转矩，取决于绕组平均电流第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 返回返回2） 工作原理（三相反应式）工作原理（三相反应式） 转子齿（齿数为转子齿（齿数为Z）齿距角）齿距角第二章第二章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术 步进电动机是一种利用数字脉冲信号旋转的电动机，每当送入一个脉步进电动机是一种利用数字脉冲信号旋转的电动机，每当送入一个脉冲，电动机就转过一个步距角，电动机的转速与脉冲信号的频率成正比冲，电