非电量测量 - 中文WORD文档

1、本文由【 HYPERLINK :/ wordwendang 中文word文档库】 HYPERLINK :/ 搜集整理。 HYPERLINK :/ wordwendang 中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word文档第六章 非电量测量 在现代检测技术中，对于各种类型的被测量的测量，大多数都是直接或通过各种传感器、电路转换为与被测量相关的电压、电流等电学根本参量后进行监测和处理的，这样既便于对被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高测量的精度，因此，了解和掌握这些非电量的测量方法是十分重要的。第一节 长度及线位移测量一、 光栅位移传感器光栅

2、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。它的特点是测量精确度高可达1m、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。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。一光栅的构造所谓光栅就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。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；根据光栅的外形可分为直线光栅和圆光栅。光栅位移传感器的结构如图6-1所示。它主要由标尺光栅、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

3、产生位移。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。图6-1 光栅位移传感器的结构原理1标尺光栅 2指示光栅 3光电器件 4光源 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，这时光栅上会出现假设干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图6-2所示。莫尔条纹是光栅非重合局部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。f f线区那么是由于光栅的遮光效应形成的。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

4、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。图6-2 莫尔条纹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： (6-1)式中的单位为rad，B、W的单位为mm。所以莫尔条纹的放大倍数为： 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=1/345。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

5、位移测量。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。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6-3所示。其电压： (6-2)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。图6-3 光栅输出波形将此电压信号放大、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，那么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。提高测量分辨率的常用方法是细分，且电

6、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。二、 感应同步器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可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线位移和角位移。由于它本钱低，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，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得到广泛应用。一感应同步器的结构直线型感应同步器由定尺和滑尺两局部组成，如图6-4所示。图6-5为直线型感应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基

7、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。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙0。二感应同步器的工作原理在滑尺的正弦绕组中，施加频率为f一般为210kHz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。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

8、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，如图6-6所示。图6-4 直线型感应同步器的组成1定尺 2滑尺图6-5 直线型感应同步器定尺、滑尺的结构图6-6 定尺感应电势波形图a仅对A绕组激磁 b仅对B绕组激磁同样，假设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6-6b。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，那么正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为： (6-3)余弦绕组单独供电所产生的感应电势为： (6-4)

9、由于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： (6-5)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。感应同步器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和幅值两种工作法，前者是通过检测感应电压的相位来测量位移，后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移。三测量方法1. 相位工作法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

10、。设 (6-6) (6-7)那么 = (6-8)= 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： (6-9)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 (6-10) (6-11)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 (6-12)式中：K Umsin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

11、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。三、 磁栅位移传感器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。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大120m和磁信号可以重新录制等特点。其缺点是需要屏蔽和防尘。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6-7所示。它由磁尺磁栅、磁头和检测电路等局部组成。磁尺是采用录磁的方法，在一根基体外表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。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

12、头鼓励电压和磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。磁尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基体上，涂敷、化学沉积或电镀上一层1020m厚的硬磁性材料如NiCoP或FeCo合金，并在它的外表上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层12m的耐磨塑料保护层。磁栅按用途分为长磁栅与圆磁栅两种。长磁栅用于直线位移测量，圆磁栅用于角位移测量。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电路中去。普通录音机、磁带机的磁头是速度响应型磁头，其输出电压幅值与磁通变化率成正比，只有当磁头与磁

13、带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号，所以这种磁头只能用于动态测量，而不用于位置检测。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。图6-7 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 7拾磁绕组磁通响应型磁头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6-7所示。在用软磁材料制成的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。于是

14、在拾磁线圈中感应电压为： (6-13)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。为了区分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。如图6-8所示，i1、i2为励磁电流，其输出电压分别为： (6-14) (6-15)图6-8 辨向磁头配置 U1和U2是相位相差90的两列脉冲。至于哪个导前，那么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。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. 鉴幅测量方式如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波

15、滤掉后那么得到相位差为/2的两组信号 (6-16) (6-17)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拟简单，但分辨率受到录磁节距的限制，假设要提高分辨率就必须采用较复杂的倍频电路，所以不常采用。2. 鉴相测量方式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，那么得到输出电压为： (6-18) (6-19)在求和电路中相加，那么得到磁头总输出电压为： (6-20)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

16、可确定磁头的位置。角度及角位移测量一、 旋转变压器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。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。一旋转变压器的构造和工作原理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。当从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

17、对测量。如图6-9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。二旋转变压器的测量方式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 (6-21) (6-22)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。 图6-9 正余弦变压

18、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6-10。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： (6-23)根据此式，选定变压比k及允许的非线性度，那么可推算出满足线性关系的转角范围图6-11。如取k =0.54，非线性度不超过0.1%，那么转子转角范围可以到达60。图6-10 线性旋转变压器原理图图6-11 转子转角与输出电压的关系曲线二、 光电编码器光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两种根本类型：

19、一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对式编码器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，须作特别处理，而且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、本钱高。一增量式编码器增量式编码器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。增量式编码器的工作原理如图6-12所示。图6-12 增量式编码器工作原理它由主码盘、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

20、缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。二绝对式编码器

21、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。编码盘是带有一定编码标识或图案信息的圆盘，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。图6-13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，里侧是高位，外侧是低位，在360范围内可编数码数为24=16个。图6-13 四位二进制的码盘工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放

22、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。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、1101、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。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图6-14 四位二进制循环码盘循环码习惯上又称格雷码，它也是一种二进制编码，只有

23、“0和“1两个数。图6-14所示为四位二进制循环码。这种编码的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。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6-15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。图6-15 带判位光电装置的二进制循环码盘第三节 速度、转速及加速度测量一

24、、 直流测速发电机直流测速发电机是一种测速元件，实际上它就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。如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。测速发电机的结构有多种，但原理根本相同。图6-16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6-16 永磁式测速发电机原理图直流测速发电机的输出特性曲线如图6-17所示。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

25、电压与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可见，对于要求精度比拟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。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、构造和维护比拟复杂，摩擦转矩较大。直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。图6-17 直流测速发电机输出特性二、 光电式速度传感器光电脉冲测速原理如图6-18所示。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，那么可测得速度为： (6

26、-24)式中：光电池挡板上两孔间距m。图6-18 光电式速度传感器工作原理图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6-19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，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，那么可测得转速为： (6-25)式中：Z 圆盘上的缝隙数；n 转速r/min；t 测量时间s。一般取Z t =6010mm=0，1，2。利用两组缝隙间距W相同，位置相差i/21/4Wi为正整数的指示

27、缝隙和两个光电器件，那么可区分出圆盘的旋转方向。图6-19 光电式转速传感器的结构原理图三、 差动变压器式速度传感器差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工作原理如图6-20所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，即 (6-26)式中：I0 直流电流A； Im 交流电流的最大值A； 交流电流的角频率rad/s。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，那么可得到与速度vm/s相对应的电压输出，即 (6-27)式中：k磁芯单位位移互感系数的增量H/m。图6-20 差动变压器测速原理四、 加速度传

28、感器作为加速度检测元件的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，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。电阻应变式加速度传感器结构原理如图6-21所示。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，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。图6-21 应变式加速度传感器压电加速度传感器结构原理如图6-22所示。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

29、惯性力，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。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。图6-22 压电加速度传感器图6-23 电容式加速度传感器1固定电极 2质量块动电极 3绝缘体 4弹簧片图6-23为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。弹簧较硬使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极

30、相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。由于采用空气阻尼，气体粘度的温度系数比液体小得多，因此这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。力、力矩及应力测量在机电一体化工程中，力、压力和扭矩是很常用的机械参量。近年来，各种高精度力、压力和扭矩传感器的出现，更以其惯性小、响应快、易于记录、便于遥控等优点得到了广泛的应用。一、 测力传感器测力传感器按其量程大小和测量精度不同而有很多规格品种，它们的主要差异是弹性元件的结构形式不同，以及应变片在弹性元件上粘贴的位置不同。通常测力传感器的弹性元件有柱式、梁式等。一柱式弹性元件柱式弹

31、性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如图6-24所示。这种弹性元件结构简单、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。其受力后，产生应变： (6-28)用电阻应变仪测出的指示应变为： (6-29)式中：P作用力；A弹性体的横截面积；E弹性材料的弹性模量；弹性材料的泊松比。 a) 弹性元件受力图 b)电阻位置示意图 c)等效电路图图6-24 柱式弹性元件及其电桥二悬臂梁式弹性元件其特点是结构简单、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0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。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外表上，

32、结构如图6-25所示。假设梁的自由端有一被测力P，那么应变与P力的关系为： (6-30)指示应变与外表弯曲应变之间的关系为： (6-31)a) 悬臂梁式弹性元受力图 b) 等效电路图图6-25 悬臂梁式弹性元件及其电桥二、 力矩传感器图6-26所示为机器人手腕用力矩传感器原理，它是检测机器人终端环节如小臂与手爪之间力矩的传感器。目前国内外研制腕力传感器种类较多，但使用的敏感元件几乎全都是应变片，不同的只是弹性结构有差异。图中驱动轴B通过装有应变片A的腕部与手部C联接。当驱动轴回转并带动手部回转而拧紧螺丝钉D时，手部所受力矩的大小可通过应变片电压的输出测得。图6-26 机器人手腕用力矩传感器原理

33、图6-27 无触点力矩测量原理图6-27为无触点检测力矩的方法。传动轴的两端安装上磁分度圆盘A，分别用磁头B检测两圆盘之间的转角差，用转角差与负荷M成比例的关系，即可测量负荷力矩的大小。三、 力与力矩复合传感器图6-28为机器人十字架式腕力传感器。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。 a -结构 b -受力状况图6-28 机器人十字架式腕力传感器原理由图6-28a可知，四根悬臂梁以十字架结构固定在手腕轴上，各悬臂外端插入腕框架内侧的孔中。为使悬臂在相对弯曲时易于滑动，悬臂端部装有尼龙球。悬臂梁的截面可为圆形或正方形，每根梁的上下左右侧面各贴一片应变片

34、，相对面上的两片应变片构成一组半桥。通过测量一个半桥的输出，即可测出一个参数。整个手腕通过应变片，可检测出8个参数，即fx1、fx2、fx3、fx4、fy1、fy2、fy3、fy4。利用这些参数可计算出手腕顶端x、y、z三个方向上的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz。作用在手腕上各力或力矩的参数如图628b所示，可由下式计算： (6-32)图6-29为机器人腕力传感器结构原理。图中Px、Px为在y方向施力时，产生与施力大小成正比的弯曲变形的挠性杆，杆的两侧贴有应变片，检测应变片的输出即可知道y向受力的大小。Py、Py为在x方向施力时，产生与施力大小成正比的弯曲变形的挠性杆，杆的两侧贴有应

35、变片，检测应变片的输出即可知道x向受力的大小。Q x、Q x、Q y、Q y为检测z向施力大小的挠性杆，原理同上。综合应用上述挠性杆也可测量手腕所受回转力矩的大小。图6-29 机器人腕力传感器原理应用腕力传感器，可以控制机械手进行孔轴装配、棱线跟踪、物体外表的平面区域的方向检测等作业。第五节 温度测量 温度是国际单位制给出的根本物理量之一，它是工农业生产和科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、开展最快的传感器之一。一般金属电阻值随温度的增加而升高，且近似于线性关系，热敏电阻与之相反。一、 热电式传感器 一

36、热电偶的工作原理温差热电偶简称热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。两种不同的导体或半导体A和B组合成如图6-30所示闭合回路，假设导体A和B的连接处温度不同设TT0，那么在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克Seeback发现,所以又称西拜克效应。设TT0，那么在该回路中产生接触电势和温差电势，分别为eAB(T)、eAB(T0

37、)、eA(T，T0)和eB(T，T0)，它们与T、T0有关，与两种导体材料的特性有关。1. 接触电势2. 温差电势3. 回路总电势： (6-33) 图6-30 热电偶回路式中，eAB(T)为导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e为单位电荷， e10-19C； k为波尔兹曼常数， k10-23 J/K ；NA、NB为导体A、B在温度为T 时的电子密度；A为汤姆逊系数。在实际应用中，保持冷端温度T0不变，那么总热电势eAB(T，T0)只是温度的单值函数： eAB(T，T0)=f(T)-c (6-34)为使T0恒定，且考虑经济因素，常采用补偿导线将冷端温度变化较大的地方延伸到温度变化较小或恒定

38、的地方，由于冷端温度变化通常不会超过150oC，因此，补偿导线只需选用在0150oC同热电偶材料具有根本一致特性的材料，如铂铑铂热电偶选用铜与镍铜作补偿导线。通常冷端处理及补偿方法有以下五种： 冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种方法仅限于科学实验中使用。为了防止冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使其相互绝缘。具体方法如图6-31所示。AACmVBBTC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0图6-31 冰点槽法 计算修正法用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算：EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EA

39、B(TH,T0) 6-35例如：用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EABmV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=2.831(mV)再次查分度表，与对应的热端温度T=68。 补正系数法把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即T T kTH。式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数。 例如：用铂铑10铂热电偶测温，冷端温度TH=

40、35，这时热电动势为查S型热电偶的分度表，得出与此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k。于是，被测温度T用这种方法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于。 零点迁移法在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的方法，加大某个适当的值而实现补偿。例如：用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,那么只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温

41、度一致了。这种方法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。 冷端补偿器法利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响，电路如图6-32所示。注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mVEAB(T,T0)T0T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3R图6-32 冷端补偿器法二热电阻工作原理和热电阻材料1工作原理由物理学可知，对于大多数金属导体的电阻

42、，都具有随温度变化的特性，其特性方程满足于下式： 6-36式中： Rt、R0热电阻在t和0时的电阻值；热电阻的温度系数(1)。对于绝大多数金属导体，值并不是一个常数，而是随温度而变化，但在一定温度范围内，可近似视为一个常数，不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围也不同。2热电阻的材料作为测量温度用的热电阻材料，必须具有以下特点：高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反响速度，提高灵敏度，减小体积和重量。化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。良好的工艺性。以便批量生产、降低本钱。目前比拟能满足上述条件要求的金属导体

43、材料有：铂、铜、铁和镍。3. 常用热电阻 铂电阻铂是一种贵金属，容易提纯，在高温和氧化性介质中化学、物理性能稳定，制成的铂电阻输出一输入特性接近线性，测量精度高，能作为高精度工业测量温元件和作为温度标准元件。用铂制成的温度传感器目前使用最为广泛。铂电阻与温度关系可用下式表示：在0630.74的温度范围内为在1900的温度范围内为 6-37式中：Rt、R0铂电阻在t和0时的电阻值，； A、B、C10-3/10-7/10-12/。 由以上两式可知，要确定Rt和 t的关系，必须先确定R0。工业中把R050和R0100对应的Rt t关系制成分度表，称为铂热电阻分度表，供使用者查阅。 铜电阻在测量精度不

44、高和温度范围小时，可用铜作成的温度传感器。由于铜电阻的电阻率仅为铂电阻的1/6左右，当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有腐蚀性的介质中工作。铜电阻温度系数大，在一定温度范围内常数，电阻与温度的关系在50150的温度范围内可表示为 6-38 式中： Rt、R0铜电阻在t和0时的电阻值，；铜电阻的温度系数，10-310-3。与铂电阻一样，在工业中把R050和R0100对应的Rt t关系制成分度表，称为铜热电阻分度表，供使用者查阅。4其它热电阻镍和铁电阻的温度系数都较大，电阻率也较高，因此也适合于作热电阻。镍和铁热电阻的使用温度范围分别是50100和50150。但这两种热电阻目前应用

45、较少，主要是由于它们具有以下缺点：铁很容易氧化，化学性能不好。而镍非线性严重，材料提纯也困难。但由于铁的线性、电阻率和灵敏度都较高，所以在加以适当保护后，也可作为热电阻元件。镍电阻在稳定性方面优于铁，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多。近年来，一些新颖的、测量低温领域的热电阻材料相继出现。铟电阻适宜在269258温度范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但复现性差。锰电阻适宜在271210温度范围内使用，灵敏度高，但质脆易损坏。碳电阻适宜在273温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，但热稳定性较差。三热敏电阻 热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏

46、感元件。半导体和金属具有完全不同的导电机理，金属的电阻值随温度的升高而增大，而半导体的电阻值却随温度升高而急剧下降。当温度变化时1时，金属电阻的阻值变化0.4%0.6%，而半导体热敏电阻的阻值变化3%6%。半导体热敏电阻随温度变化的灵敏度高的原因是：半导体中参加导电的是载流子，载流子数目比金属中的自由电子数目少得多，所以半导体的电阻率大。随着温度的升高，半导体中的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子空穴对，使参加导电的载流子数目大大增加，导致电阻率减小。半导体载流子的数目随温度升高呈指数规律上升，所以其电阻率温度升高按指数规律下降。1根本类型半导体热敏电阻可分为：正电阻温度系数(PTC)

47、、负电阻温度系数(NTC)、临界温度系数(CTR)热敏电阻等几类。 PTC热敏电阻的电阻率随温度升高而增加，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。这种电阻的材料是陶瓷材料，在室温下是半导体，由强电介质钛酸钡掺杂铝或锶，局部取代钡离子的方法制成，其居里点为120。根据掺杂量的不同，可以调节PTC热敏电阻的居里点。PTC热敏电阻的用途主要是用于彩电消磁、各种电器设备的过热保护、发热源的定温控制，也可作限流元件使用。 CTR热敏电阻采用VO3系列材料制作，当温度升高接近某一温度时约68，电阻率大大下降产生突变，其用途主要用作温度开关。NTC热敏电阻的电阻率随着温度增加比拟均匀地减小，有较

48、均匀的感温特性。它采用负电阻温度系数很大的固体多晶半导体氧化物的混合物制成。改变其氧化物的成分和比例，就可得到测温范围、阻值和温度系数不同的NTC热敏电阻。特别适用于100300之间的温度测量用。在点温、外表温度、温差、温度场等测量中得到日益广泛的应用，同时也广泛的应用在自动控制及电子线路的热补偿电路中。PTC和CTR热敏电阻随温度变化的特性为剧变型，适合在某一较窄温度范围内做温度控制开关或监测用；而NTC热敏电阻随温度变化的特性为缓变型，适合在较宽温度范围内做温度测量用，也是目前使用的主要热敏电阻。下面对NTC热敏电阻的根本特性进行介绍。2根本特性1热电特性图633 热敏电阻热电特性曲线热电

49、特性是指热敏电阻的阻值和温度之间的关系，它是热敏电阻测温的根底，图6-33是电阻温度特性曲线，显然，热敏电阻的阻值和温度的关系不是线性的。NTC热敏电阻与温度之间的关系近似符合指数函数规律，即 6-39式中： T被测温度绝对温度；T0参考温度绝对温度；RT、R0温度T、T0时的电阻值； B热敏电阻的材料常数，可由实验获得，通常B20006000K，在高温下使用时，B值将增大。热电特性的一个重要指标是，热敏电阻在其本身温度变化1时电阻值的相对变化量，称为热敏电阻的温度系数，即 6-40 由式6-40可得 6-41可见，T是随温度降低而迅速增大的，如果B值为4000K，当T293.15K20时，用

50、上式可求得10-2，约为铂热电阻的12倍，因此这种测温电阻的灵敏度是很高的。2伏安特性伏安特性是指热敏电阻的重要特性之一。它表示加在热敏电阻上的端电压和通过电阻体的电流在电阻本身与周围介质热平衡时的相互关系，如图634所示。从图中可以看出；当流过热敏电阻的电流很小时，曲线呈直线状，热敏电阻的伏安特性符合欧姆定律；随着电流的增加，热敏电阻的温度明显增加耗散功率增加，由于负温度系数的关系，其电阻的阻值减少，于是端电压的增加速度减慢，出现非现性；当电流继续增加时，热敏电阻自身温度上升更快，使其阻值大幅度下降，其减小速度超过电流增加速度，因此，出现电压随电流增加而降低的现象。图634 热敏电阻的伏安特

51、性热敏电阻的伏安特性是表征其工作状态的一个重要特性。它有助于我们正确选择热敏电阻的正常工作范围，例如用于测温和控温以及补偿用的热敏电阻，就应当工作在曲线的线性区，也就是说，测量电流要小。这样就可以忽略电流加热所引起的热敏电阻阻值发生的变化，而使热敏电阻的阻值发生变化仅仅与环境温度被测温度有关。如果是利用热敏电阻的耗散原理工作的，如测量流量、真空、风速等，就应当工作在曲线的负阻区非线性段热敏电阻使用范围一般是在100350之间，如果要求特别稳定，最高温度最好是150左右。热敏电阻虽然具有非线性特点，但利用温度系数很小的金属电阻与其串联或并联，也可能得到具有一定线性的温度特性。3热敏电阻的应用热敏

52、电阻可以测温。如果把它用于测量辐射，那么成为热敏电阻红外探测器。热敏电阻红外探测器由铁、镁、钴、镍的氧化物混合压制成热敏电阻薄片构成，它具有4的电阻温度系数，辐射引起温度上升，电阻下降，为了使入射辐射功率尽可能被薄片吸收，通常总是在它的外表加一层能百分之百地吸收入射辐射的黑色涂层。这个黑色涂层对于各种波长的入射辐射都能全部吸收，对各种波长都有相同的响应率，因而这种红外探测器是一种“无选择性探测器。水箱温度是汽车等车辆正常行驶所必测的参数，我们可以用PTC热敏元件固定在铜质感温塞内，感温塞插入冷却水箱内。汽车运行时，冷却水的水温发生变化引起PTC阻值变化，导致仪表中的加热线圈的电流发生变化，指针

53、就可指示出不同的水温电流刻度已换算为温度刻度。还可以自动控制水箱温度，以防止水温超高。PTC热敏元件受电源波动影响极小，所以线路中不必加电压调整器。二、 集成温度传感器 一AD590 AD590是一种两端式恒流器件，它输出的电流值正比于所测的绝对温度，鼓励电压可以在430V范围内变化，测温范围为-55150。AD590具有标准化的输出、固有的线性关系，因此易于使用。测量电路不需要电桥，不需要低电平测量设备和线性化电路，又因为它是电流输出，因而便于远距离传送，不会因线路压降或感应噪声电压产生大的温差，同时对鼓励电压也不太敏感。1. 温度特性AD590温度特性曲线函数是以Tc为变量的n阶多项式之和

54、，省略非线性项后那么有： 550 150 AI/ ATC / C图6-35 AD590温度特性曲线I=KT(Tc)，其中：Tc摄氏温度；I 的单位为A。可见，当温度为0时，输出电流为A。在常温25时，标定输出电流为A。其温度特性曲线如图6-35所示。2. AD590的非线性AD590的非线性曲线如图6-36所示。在55100，T递增，100150那么是递降。T最大可达3，最小T，按档级分等。在实际应用中，T 通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由5V向10V变化时，其电流变化仅为A/V。长时间漂移最大为，反向基极漏电

55、流小于10pAT/C150550T/C图6-36 AD590的非线性曲线3. AD590测温放大电路AD590测温放大电路如图6-37所示。AD581为精密稳压电源，为AD590提供稳定的10V电压。图6-37 AD590测温放大电路二单片集成温度传感器DS18B20美国DALLAS公司推出的DS18B20使用了在板专利技术，全部传感器和各种数字转换电路都被集成在一起，其外形如一只三极管，3个引脚分别是电源、地和数据线。测温范围为-55125。输出温度有9位二进制数表示，无须A/D转换、放大等电路。温度转换时间典型值为200ms。可以设置温度警报系统。一条数据线可与主机通信，不需外接元件，并且

56、可用数据线供电寄生电源。由于每一个DS18B20有惟一的64位序列号，因此，总线上可挂接多相DS18B20，非常方便地构成单线多点温度测量系统。1. 内部结构及原理DS18B20内部主要由三个局部组成：即64位激光ROM、温度传感器和温度警报开关TH、TL。其内部构造如图6-38所示。图6-38 DS18B20内部构造电源既可由当数据线为高电平时充电的内部寄生电容供给，也可直接外接电源供给。温度值的产生是通过对温敏振荡器的计数产生的。存储和控制逻辑负责对命令的解释和执行，产生的温度值存储在记事薄的前两个字节中。外接电源是多片DS18B20同时进行温度转换的最保险用法，此时GND不能浮接。采用寄

57、生模式时，VDD必须接地，在温度转换期间，DS18B20通过高电平的数据线供电，传递数据时，它由内部充电的电容供电。由于每个DS18B20在转换期间约耗电1mA，所以，当多个DS18B20同时转换时，电源可能供给缺乏，这时应在启动转换后的10S以内，导通MOSFET，把数据线直接连接到电源上，电路如图6-39所示。图6-39 寄生电源供电电路DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号fo，高温度系数振荡器那么将被温度转换成频率信号f。当计数门翻开时，DS18B20对fo计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度存

58、放器中。较高精度的温度值计算公式：温度值=temp_read 6-422. DS18B20指令简介由于和DS18B20之间的通信都是通过数据线进行的，只有当其功能初始化后，才能通过数据线执行控制、存储、温度转化等功能，因此，CPU必须首先用以下5个命令之一作为初始化命令：1读ROM；2ROM匹配；3搜寻ROM；4跳过ROM；5搜寻警报。其ROM初始化指令如表6-1所示、存储命令指令如表6-2所示。表6-1 ROM初始化指令名称指令代码简介读ROM(readROM)ROM匹配matchROM忽略ROM(skip ROM)搜寻ROM(search ROM)警报搜寻#33H#55H#0CCH#0F0

59、H#0ECH当数据总线上只有一个DS1820时，通过#33H读出该器件的ROM代码CPU通过数据总线读出DS1820的ROM代码，以通知该器件准备工作当数据总线上只有一个DS1820时，为防止每次调用时都输入ROM，所以，#0CCH命令可直接调用DS1820当数据总线上有多个DS1820时，可通过该命令搜索各个器件的ROM判断温度是否超界表6-2 存储命令指令名称指令代码简介温度转换读存储器写入存储器拷贝存储器读电源状态读TH和TL#44H#0BEH#4EH#48H#0B4H#0B8H启动器件内部晶振开始温度转化读出存储器中的温度值将TH和TL值输入存储器中将存储器中的值拷贝到计算机中判断电源

60、工作方式读出存储器中的TH和TL值3. DS18B20的读写时序DS18B20在一线总线系统中作为从器件，一线总线系统中可以有一个总线主器件和多个总线从器件。总线的空闲状态为高电平，除非事务处理需要中止，总线应为空闲状态。任何命令的发送必须先由主机发出复位信号，收到DS18B20发出的存在脉冲后，再发送命令和数据。复位和存在脉冲时序如图6-40a所示。主器件发送TX，把数据线下拉成低电平，持续480960S完成复位操作后释放数据线并进入接收模式RX，等一会，DS18B20发出宽度为60240S低电平，称为存在脉冲，主器件收到后说明握手成功。主器件向DS18B20写时序如图6-40b所示。写入“