机电一体化系统设计(第六版) 课件 第5章 机电一体化系统传感检测系统的选择及接口设计

第5章机电一体化系统检测传感系统的选择与设计

§5-1

检测传感器的分类、要求与选用

§5-2检测传感器的测量电路及微机接口

§5-3常用检测传感器§5-1检测传感器的分类、要求与选用一、检测传感器的分类与基本要求

按信号类型分：一、检测传感器的分类与基本要求数字型传感器工作原理模拟型传感器工作原理二值型传感器工作原理

按信号类型分：一、检测传感器的分类与基本要求

按被测物理量分：一、检测传感器的分类与基本要求

按检测原理分：电阻式电感式磁电式电容式光电式传感器一、检测传感器的分类与基本要求

机电一体化系统对检测传感器的基本要求：

①体积小、重量轻、对整机的适应性好；

②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；

③安全可靠、寿命长；

④便于与计算机连接；

⑤不易受被测对象(如电阻、磁导率)的影响，

也不影响外部环境；

⑥对环境条件适应能力强；

⑦现场处理简单、操作性能好；

⑧价格低廉。二、传感器的选用原则及注意事项根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很宽，确保其主要性能指标，适当放宽对次要性能指标的要求。要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。环境变化(如温度、振动、噪声等)将改变传感器的某些特性(如灵敏度、线性度等指标)，且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移。还可根据传感器的环境参数指标(如零点温漂、加速度灵敏度等)及应用环境要求合理选用传感器。为保证测量精度，根据使用目的可对环境条件及使用条件提出一定要求，或采取一定措施(如隔振)；用户在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是"校准"。§5-2检测传感器的测量电路及微机接口在机电一体化系统设计中，所选用的传感器多数己由生产厂家配好转换元件和转换电路而不需要用户设计，除非是现有传感器产品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求，才自己选用传感器的敏感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。传感检测系统构成§5-2检测传感器的测量电路及微机接口

传感器的输出信号(如模拟信号、数字信号和开关信号)不同，其测量电路也有模拟型测量电路、数字型测量电路和开关型测量电路之分。

1模拟型测量电路模拟型测量电路适用于电阻式、电感式、电磁式、电热式等输出模拟信号的传感器，如基于电阻应变式的压力传感器。

2数字型测量电路数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式，如光栅，光电编码器等。

3开关型测量电路传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。

4转换电路

中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。这里对常用的转换电路，如电桥、放大电路、调制与解调电路、数/模(D/A)与模/数(A/D)转换电路等的作用做一简单说明。1)电桥电桥适用于电参量式传感器。其作用是将被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感或电容等参数的变化，转换为电量(电压、电流、电荷等)。2）放大电路

放大电路通常由运算放大器、晶体管等组成，用来放大来自传感器的微弱信号。为得到高质量的模拟信号，要求放大电路具有抗干扰、高输入阻抗等性能。常用的抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接地等方法。4转换电路3）调制与解调电路

由传感器输出的电信号多为微弱的、变化缓慢类似于直流的信号，若采用一般直流放大器进行放大和传送，零点漂移及干扰等会影响测量精度。因此常先用调制器把直流信号变换成某种频率的交流信号，经交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号形式。4）模/数(A/D)与数/模(D/A)转换电路

在机电一体化系统中，传感器输出的信号如果是连续变化的模拟量，为了满足系统信息传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟量变为数字量，或再将数字量变为模拟量，前者就是模/数(A/D)转换，后者为数/模(D/A)转换。5.传感器与微机的基本接口

输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。5.传感器与微机的基本接口§5-3常用检测传感器一、位移和位置传感器在机电一体化系统中大多数应用会涉及轴的运动控制，因此，最常见的传感器是位移和位置传感器，如机器人关节控制、数控机床坐标轴控制等都会用到角位移传感器、线性位移传感器和行程限位开关等。速度测量可以通过在已知的时间间隔进行连续的位移测量来获得。常用位移和位置传感器光电编码器旋转变压器光电开关光栅传感器§5-3常用检测传感器1.光电编码器光电编码器又称光电编码盘，基于光电效应原理工作，是目前用得较多的角位移传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一起转动。通过装在转轴上的带孔码盘（或明暗相间码盘），将被测轴的角位移转换成脉冲列或某种制式的编码，并由此得出转轴的位置或转速。优点：无接触磨损、码盘寿命长、允许转速高，精度高。缺点：结构复杂、价格高。光电编码器增量式绝对式（1）增量式光电编码器增量式光电编码器原理示意图及输出波形图辨向：光阑板上设置了两个相邻的缝隙，与两个相邻缝隙对应的是A、B两个光敏元件，两个缝隙的间距是编码盘相邻槽间距的（m+1/4）倍（m为正整数）。对于A、B两脉冲列，若A超前T/4，便可推知图5-8a所示的编码盘为逆时针旋转。反之，若B超前T/4，则编码盘为顺时针旋转。（2）绝对式光电编码器绝对式光电编码器原理示意图图示绝对式光电编码器的码盘上有四个同心圆圈（码道）。每个码道对应一个光电检测元件，当码盘处于不同的位置时，由光电元件的受光与否，转换成电信号送往数码寄存器。图中码道被平均分成了16份，码道上透明（白色）的部分为“0”，不透明（黑色）的部分为“1”。不同黑、白区域的排列组合即构成与转轴位置相对应的数码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应“3”号位等。图示为单圈绝对式光电编码器，可以做到18个码道，但只能检测360°以内的绝对角度，为了记录大于360°的绝对角度，需要用多圈绝对式光电编码器。2.

旋转变压器旋转变压器是精密制造装备上常见的角位移测量装置，它结构简单、动作灵敏，对工作环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，尤其适用于有一定抗震要求的场合。旋转变压器根据互感原理工作，当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感应电压，其大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。2.

旋转变压器图示为无刷式双极对正/余弦旋转变压器结构简图，定子上有励磁绕组和匝数相等，且相互垂直的正余弦绕组，当定子励磁绕组输入正弦波电压时，转子感应绕组上会感应出同频率的正弦电压，随着转子的旋转，正余弦绕组上的感应电压随着转子的旋转角度φ而变化无刷式正/余弦旋转变压器结构简图2.

旋转变压器左图为旋转变压器工作原理。Vr为输入励磁电压，Vs为正弦绕组输出电压，Vc为余弦绕组输出电压，正余弦绕组的输出电压与转子的旋转角度φ之间有严格的对应关系，对输出电压进行信号处理，就可以求得转子的旋转角度。φ=15°时输入输出电压波形φ=60°时输入输出电压波形3.光栅传感器光栅是一种非接触式测量装置，它利用光学原理工作；主要由标尺光栅和光栅读数头(含有指示光栅)两部分组成，两者产生相对移动；按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光珊用于角位移的检测，长光栅（也叫光栅尺）用于直线位移的检测；光栅尺是在透明玻璃片或长条形金属镜面上用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹制成，相邻线纹间距相等，称为栅距W，W=a+b，一般a=b常见的长光栅线纹密度为25条/mm、50条/mm、100条/mm、250条/mm。光栅尺实物光栅条纹局部放大图3.光栅传感器光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源发出的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射到标尺光栅上，标尺光栅后的指示光栅刻线与标尺光栅刻线相对叠在一起，中间留有很小的间隙，并使两光栅的条纹相错一个很小的角度θ，由于光的衍射，在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。透射光栅尺光路图莫尔条纹3.光栅传感器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两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。当两光栅沿栅线垂直方向相对移动时，莫尔条纹将会沿栅线方向移动，而且两者有着确定的对应关系；当标尺光栅向右移动一个栅距W时，莫尔条纹将向下移动一个条纹间距B；如果主光栅向左移动，则莫尔条纹将向上移动。因此，可根据莫尔条纹的移动数量和移动方向，确定标尺光栅的位移量和位移方向，并由光电元件转换成电脉冲信号。4.

光电开关光电开关是一种用于检测物体的存在或位置的传感器，它通常由一个发射器和一个接收器组成，通过发射器和接收器之间光路的通和断来切换信号的开和关。发射器里有发光二极管（LED），可以发射一束红外光束（或其他可见光），接收器里有光敏元件，当没有物体遮挡光束时，发射器发出的光线可以照射到接收器上。如果有物体进入光束的路径并阻挡了光线，光线将无法到达接收器，导致光电二极管停止产生电流。当光束恢复到未被遮挡的状态时，电流重新流动，通过电流的变化来指示物体的存在或位置。透射型光电开关反射型光电开关二、力和力矩传感器机电一体化系统中力和力矩传感器的应用也非常广泛，它们用于监测、控制和优化各种机械系统的运行。常用的测量力和力矩的传感器应变式压电式电容式电感式光电式超声式二、力和力矩传感器应变式力传感器：工作原理基于材料的应变特性，它可以测量物体受力时的形变或应变，从而计算出作用在物体上的力。压电式力传感器：基于压电效应和逆压电效应原理工作，石英和压电陶瓷等材料在一定方向受到外力作用而变形时，会在相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉时，又恢复到不带电的状态，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。电容式力传感器：测量电容的变化来确定物体受到的力，当外部力导致介电体发生形变时，电容值会随之发生变化。电感式力传感器：测量电感值的变化来确定物体受到的力。光电式力传感器：测量光信号的变化来确定物体受到的力。超声式力传感器：测量超声波的传播时间或速度的变化来确定物体受到的力。尽管检测原理不同，但几乎所有的力和力矩传感器，都是先把力、力矩等被测参量变换成相应的线（角）位移或应变，然后再配合各种形式的转换元件转换成易于测量的电信号输出。1.应变式力和力矩传感器应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化，然后利用电桥将电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再送入测量放大电路测量。最后利用标定的电压(或电流)和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。应变片通常包括基底、电阻丝、覆盖层、焊盘和引线等部分。与弹性元件粘贴在一起的应变片1.应变式力和力矩传感器据被测量的不同，弹性元件通常有不同的结构型式，如柱型、环型和梁型等。几种典型弹性元件的结构简图柱型环型梁型1.应变式力和力矩传感器图示是上海自动化仪表有限公司生产的BLR-1应变式拉(压)力传感器，所用的弹性元件是柱型。圆筒1的两端有螺纹，以便传递外力。筒的中间贴有应变片2，通过壳体3上的接线座4将信号引出。为了防止灰尘和水蒸气进入，两端与壳体连接的地方放置密封圈5，一端利用内压环6压在筒体上，并通过压盖7压紧在外壳上，另一端直接压在外壳上。BLR-1拉(压)力传感器1.应变式力和力矩传感器环型测力/称重传感器1.应变式力和力矩传感器除了可以测拉压力，应变片也可以用来测量扭矩（力矩）。以测量轴类零件为例，轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，此应变可用应变片测量。应变片可以直接贴在需要测扭矩的轴类零件上，也可以贴在一根特制的弹性传动轴上，制成一个应变式扭矩传感器。只要转轴的尺寸、材料确定，转轴的切应变（应力)和两端面的相对转角只与轴上所承受的扭矩有关，且成正比例关系。静态扭矩传感器2.多轴力和力矩传感器以上介绍的力和力矩传感器，通常只有一个自由度，用于测量物体单个方向的力或力矩，在某些应用中需要测量物体上多个轴（方向）上力或力矩的大小和方向，以获取更全面的受力信息。车削三轴力传感器的应用2.多轴力和力矩