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1、机电一体化技术 第二章 传感器与检测 Sensor & Measurement,本章重点和难点 重点： 常用传感器的工作原理和性能； 难点： 检测信号的采集与处理 。,第二章 检测与传感器 (measurement & sensor),第一节 概述 第二节 线位移检测传感器 第三节 角位移检测传感器 第四节 速度、加速度传感器 第五节 测力传感器 第六节 其他传感器 第七节 传感器的正确选择和使用 第八节 检测信号的采集与处理,第一节 概 述,传感器的意义 在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。 若没有
2、传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等，都是无法进行和实现的。,机电一体化 第二章,传感器的作用 用于实现计测功能。 传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。,机电一体化 第二章,传感器的应用 传感器与检测系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量； 对自动化系统中各种参数进行自动检测和控制。,机电一体化 第二章,一、传感器
3、的分类 (sensor classification),机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制器，传感器获取的有关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或实施控制。,机电一体化 第二章,传感器按输出信号的性质分类,模拟型 (analog),数字型 (digital ),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）,图21 传感器按输出信号性质分类,传感器sensor
4、,开关型 （二值型) (on-off),机电一体化 第二章,开关型传感器(on-off type sensor) 输出“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）两个值。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”（ON状态），在该值以下时输出为“0”（OFF状态），其临界值就是开、关的设定值（两点式） 。 这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算机进行处理。,机电一体化 第二章,模拟型传感器(analog type sensor) 输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入/输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出信号则需进行线性
5、化处理。 这些线性信号一般需进行模拟/数字转换（A/D），将其转换成数字信号后再送给微型计算机处理。,机电一体化 第二章,数字型传感器,计数型,代码型,计数型又称脉冲计数型，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，加上计数器就可以对输入量进行计数。,计数型传感器可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量，这时执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，例如光栅检测器和增量式光电编码器就是如此。,机电一体化 第二章,(digital type sensor),代码型传感器即绝对值式编码器，输出的信号是二进制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入
6、量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。 通常被用来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。,机电一体化 第二章,二、传感器的发展方向 (development of sensor),（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,机电一体化 第二章,（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。,机电一体化 第二章,（二）传感器的集成化和多功能化
7、( Integration and multifunctional of sensor),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。,（三）传感器的智能化 ( Sensor intellectualization),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、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，就成为智能传感器。,机电一体化 第二章,第二章 检测与传感器,第一节 概述 第二节 线位移检测传感器 第三节 角位移检测传感器 第四节 速度、加速度传感器 第五节 测力传感器 第六节 其他传感器 第七节
8、 传感器的正确选择和使用 第八节 检测信号的采集与处理,机电一体化 第二章,第二节 线位移检测传感器,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。,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。其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。,机电一体化 第二章,特 点：,（一）光栅的构造,光栅(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,以透光
9、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,机电一体化 第二章,光栅位移传感器的结构,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产生位移。,机电一体化 第二章,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。,机电一体化 第二章,（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，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹(Mole stripe)，它们沿
10、着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。,机电一体化 第二章,图23 莫尔条纹,（二）工作原理（续一）,莫尔条纹是光栅非重合部分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线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,机电一体化 第二章,（二）工作原理（续二）,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。,机电一体化 第二章,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
11、条纹夹角之间关系为,机电一体化 第二章,莫尔条纹的放大倍数为,(27),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/=1/0.0029rad345。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位移测量。,机电一体化 第二章,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。,图24 光栅输出波形,通过光电元件
12、，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：,其电压：,(28),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。,机电一体化 第二章,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，则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。,机电一体化 第二章,(28),提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。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。,机电一体化 第二章,二、感应同步器 (Ind
13、uction Synchromesh),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,直线型 ：用来检测直线位移,圆盘型 ：用来检测角位移,机电一体化 第二章,特点：,成本低，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。,机电一体化 第二章,（一）感应同步器的结构,直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成,机电一体化 第二章,图26 直线型感应同步器定尺、滑尺的结构,制造工艺 先在基板（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
14、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。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05 0.2mm）。,机电一体化 第二章,在滑尺的正弦绕组中，施 加频率为f（一般为10kHz） 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。,（二）感应同步器的工作原理,图27 定尺感应电势波形图 仅对A绕组激磁,机电一体化 第二章,图27 定尺感应电势波形图 仅对A绕组激磁,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
15、组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动1/4节距后，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 ，见图2-7a。,机电一体化 第二章,同样，若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27b,图27 定尺感应电势波形图（仅对B绕组激磁）,机电一体化 第二章,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，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为,(29),余弦绕组单独供电所产生的感应电势为,(210),机电一体化 第二章,感应
16、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,(211),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。,机电一体化 第二章,感应同步器(Induction synchromesh) 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,相位工作法,幅值工作法,通过检测感应电压的相位来测量位移,通过检测感应电压的幅值来测量位移,机电一体化 第二章,（三）测量方法,1.相位工作法 Phase method of working,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
