伺服系统中的传感器与检测系统.ppt

第第2章章 伺服系统中的传感器与检测系统伺服系统中的传感器与检测系统2.1 概述概述n 一般意义的传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件n 按能量变换的功能可分为物理传感器和化学传感器，伺服系统中大多为物理传感器n 按最终转换信号的类型可分为非电量型和电量型，伺服系统中大多为电量型n 电量型又分为开关（二值）型、模拟型及数字型1 计数型（二次型计数型（二次型+计数型）计数型） 电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶,Cds电池）电池） 电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）有接点型有接点型(微动开关，接触开关，微动开关，接触开关， 行程开关行程开关) 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）二值型二值型电量电量无接点型无接点型(光电开关，接近开关光电开关，接近开关)模拟型模拟型数字型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）22.2 线位移检测传感器线位移检测传感器 包括光栅位移传感器、感应同步器、磁栅位移传感器等。

2.2.1 光栅位移传感器 （1）光栅的结构 在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为10～12mm）的密集刻划，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是光栅 光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等计量光栅又分为长光栅和圆光栅 长光栅主要用于测量长度，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等圆光栅也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，用来测量角度或角位移3 光栅上的刻线称为栅线（不透光），栅线宽度为a，缝隙（透光）宽度为b，一般取a = b，W（W = a + b）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅常数）4n（2）光栅传感器的组成及工作原理n 光栅传感器由光源、透镜、主光栅（标尺光栅）、指示光栅和光电元件构成光源和透镜组成照明系统，光线经过透镜后成平行光投向光栅主光栅与指示光栅在平行光照射下，形成莫尔条纹n 光电元件主要有光电池和光敏晶体管，它把莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出5n 主光栅的有效长度即为测量范围。

必要时，主光栅可以接长n 主光栅与指示光栅之间的距离d可以根据光栅的栅距进行选择，一般取d=W 2/λ，W为栅距，λ为有效光波长n 测量系统的精度主要由主光栅的精度决定6n 莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角θ时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距7 当光栅之间的夹角θ很小，且两光栅的栅距都为W时，莫尔条纹间距B（a-a间距）为： K为放大倍数 由于θ值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为横向莫尔条纹8n莫尔条纹具有如下特点：n1）运动对应关系：任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移动一个栅距W，莫尔条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距；光栅反方向移动时，莫尔条纹也作反方向移动因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向n2）位移放大：由于θ值很小，光栅具有位移放大作用，放大系数为： n3）减小误差：莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的。

对光栅的刻线误差有平均作用个别栅线的栅距误差或断线等疵病对莫尔条纹的影响很小，从而提高了光栅传感器的可靠性和测量精度9 通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期2π，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加式中 W——栅距；x——主光栅与指示光栅间瞬时位移；U0——直流电压分量；Um——交流电压分量幅值；U——输出电压10n将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小n位移量为脉冲数与栅距的乘积：11n 由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向为了能够辨别方向，需要在间距为B/4的位置设置两个光电元件，以得到两个相位差为90°的正弦信号，然后将信号送到辨向电路中去处理12（（a））（（b））13n 当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件1和2分别输出如前图（a）所示的电压信号u1、u2，经过放大整形后得到相位相差90°的两个方波信号u’1、u’2。

u’1经反相后得到方波u”1u’1和u”1经RC微分电路后得到两组光脉冲信号u’1w和u”1w，分别加到与门Y1和Y2的输入端对与门Y1，由于u’1w处于高电平时u’2总是低电平，故脉冲被阻塞Y1无输出对与门Y2，u’1w处于高电平时u’2也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置“1”，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数n 同理，当主光栅反向移动时，输出信号波形如图（b）所示，与门Y2阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进行减法计数这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数即代表光栅位移14n 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨率为光栅栅距 n 为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量，可以增加刻线密度，但这种方法制造、安装及调试困难；n 采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法 在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。

15n2.2.2 感应同步器n（1) 感应同步器结构n 感应同步器由两个印刷电路绕组构成，类似于变压器的初、次级绕组，又称平面变压器 n 相对位移会引起两个绕组间的互感量变化，因此可以测量位移，分为直线型（直线位移）和圆盘型（角位移）n 直线型感应同步器的基本结构： n由定尺和滑尺组成——定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动n绕组分布不同——定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组分段绕组分为两组，布置成在空间相差90相角，又称为正、余弦绕组16节距节距 17n（2）感应同步器的工作原理 n 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量定尺与滑尺间的气隙应保持在0.25±0.05mm范围内1819在滑尺上施加的正弦激磁电压为： 正弦或余弦绕组在定尺上相应产生的感应电势分别为： 式中：x—机械位移；W—绕组节距；正、负号表示滑尺移动的方向 20n 感应同步器的输出信号是一个反映定尺与滑尺相对位移的交变感应电势，可以通过鉴相法或鉴幅法对输出信号进行处理，得到位移信息。

n 鉴相法：根据感生电势的相位鉴别位移量；n在滑尺的正弦、余弦绕组上施加频率相同、幅值相同、相位差为90的交流电压励磁，即n定尺输出的总感应电势为：n将感生电势输入数字鉴相电路，可由相位得到位移21n鉴幅法：根据感生电势的幅值鉴别位移量 n在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、幅值不同的正弦励磁电压，即n定尺绕组输出的总感应电势为：n将感生电势输入数字鉴幅电路，可由幅值得到位移 22n感应同步器的优点：n输出信号不经过机械传动机构，有较高的精度与分辨力； n基于电磁感应原理，几乎不受温度、油污、尘埃等影响，抗干扰能力强；n定尺与滑尺是非接触测量，使用寿命长，维护简单；n可以作长距离位移测量，行程从几米到几十米；n工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产232.2.3 磁栅式位移传感器 （1）磁栅式位移传感器的结构 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24n（2）原理：n 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，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：U0——输出电压系数； λ——磁尺上磁化信号的节距； χ——磁头相对磁尺的位移； ω——励磁电压的角频率。

式中： 在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向25n（3) 测量方式n 鉴幅测量方式: n 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π/2的两组信号n 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λ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 26n鉴相测量方式：n将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电压为n在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为 则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置χ变化而变读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置 272.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n2.3.1 旋转变压器n（1）旋转变压器构成n 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28n（2）工作原理n 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29n（3） 测量方式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值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即式中: k =w1/w2——旋转变压器的变压比 　w1、w2——转子、定子绕组的匝数30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，如右图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θ成线性关系此时输出电压为（k取0.5时） 31n2.3.2 光电编码器n 角度编码器是测量角位移的最直接、最有效的数字式传感器，它把角位移直接转换成脉冲或二进制编码，分为增量编码器（脉冲盘式）和绝对编码器（码盘式）。

n 按结构分为光电式、接触式和电磁式三种光电式具有非接触、体积小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特点，在数控机床、机器人位置控制等领域有广泛应用n 光电式编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码“0或1”——不透光或透光区域32n 四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数为24=16个n 每个数位都对应有一个光电器件及放大、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，成为相应数字信号标准二进制编码器(8421码盘) 红色不透光——“0”角度分辨率为：（1）绝对值编码器33n 由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生读数误差n例如，当码盘由位置“0111”变为“1000”时——四位数要同时变化，可能将数码误读成1111、1011、1101、……、0001等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值性误差n实际绝对编码器常采用二进制循环码盘（格雷码盘）；34n 任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由“0”变为“1”或“1”变为“0”n 因此，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——有效消除非单值性误差。

格雷码盘35n 码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光电元件有信号才能读数，这样就不会产生非单值性误差36n（2）增量编码器一般只有三个码道，不直接输出编码外码道——产生计数脉冲的增量码道；内码道——辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相同中间码道——开有一个窄缝，用于产生定位或零位信号光电脉冲信号通过整形、放大、细分、辨向后输出脉冲信号或显示角位移，分辨率以每转脉冲数表示37n 除了测量角位移，还可通过脉冲测量转速f为脉冲频率： 每转产生N个脉冲，在T 时间内测得m个脉冲，则转速为： 每转产生N个脉冲，测得两相邻脉冲间包含m2个时钟脉冲，时钟周期为Tc，则转速为：38n增量式编码器结构392.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n2.4.1 直流测速发电机n 测速发电机的结构有多种，但原理基本相同如图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40n 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n 当直流测速发电机的输出端与测量电路构成回路后，直流测速发电机就相当于一个电源，感应电势为电源电势，电枢绕组的电阻值Ra相当于电源的内阻，电刷之间的输出电压Ua的计算公式为： 41n 2.4.2 光电式速度传感器 n 光电脉冲测速原理如下图所示物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出电压信号，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42n 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，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43光源聚光带缝隙圆盘44n 2.4.3 加速度传感器n 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。

45n 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示它由重块、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，在已知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46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n 压电加速度传感器结构原理如右图所示使用时，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472.5 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用n2.5.1 传感器的选择n（1）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（ 2）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（3）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。

48n2.5.2 传感器的正确使用n（1）线性化处理与补偿n 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理n（2）传感器的标定n 传感器的标定，就是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传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标 49n（3）抗干扰措施n 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等502.6 检测系统的基本组成检测系统的基本组成n2.6.1 模拟信号检测系统51n 振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；n 量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；n 解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；n 滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；n 运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行模/数转换后，由数字计算机来实现；n 计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。

52n2.6.2 数字信号检测系统n 数字信号检测系统有绝对码数字式和增量码数字式n 当传感器输出的编码与被测量一一对应，称为绝对码绝对码检测系统如图所示 ，每一码道的状态由相应光电元件读出，经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大误差采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进制码，再译码输出53n绝对码检测系统54n 当传感器输出增量码信号，即信号变化的周期数与被测量成正比，其增量码数字信号检测系统的典型组成如下图所示55 传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中n称为细分数辨向电路用于辨别被测量的变化方向当脉冲信号所对应的被测量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构。