第5章傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)

1、華北電力大學(xué)2022年6月10日機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第第5章傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)章傳感器與檢測(cè)系統(tǒng) 本章要求重點(diǎn)掌握以下內(nèi)容：檢測(cè)傳感器的分類及機(jī)電一體化對(duì)其基本要求；常用檢測(cè)傳感器的原理及應(yīng)用；傳感器的測(cè)量電路及與微機(jī)接口。本章概述本章概述傳感器傳感器是借助于檢測(cè)元件接收一種形式的信息，并按按一定規(guī)律和精確度將它轉(zhuǎn)換成易于精確處理和測(cè)量的一定規(guī)律和精確度將它轉(zhuǎn)換成易于精確處理和測(cè)量的另一種信息的裝置另一種信息的裝置。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)和自動(dòng)化技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代檢測(cè)和自動(dòng)化技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一，機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動(dòng)化

2、程度越高，對(duì)傳感器的依賴性也就越大。性也就越大。能將各種能將各種非電物理量非電物理量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電量電量的傳感器及其應(yīng)用技的傳感器及其應(yīng)用技術(shù)便成為機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。術(shù)便成為機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這就是傳感器的功能這就是傳感器的功能,傳感器又稱為傳感器又稱為一次儀表一次儀表。對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理,這叫作電信號(hào)處理系統(tǒng)這叫作電信號(hào)處理系統(tǒng),通常被稱為通常被稱為二次儀表二次儀表。

3、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 76651987中對(duì)傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式機(jī)電一體化對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)在性能方面的基機(jī)電一體化對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)在性能方面的基本要求：本要求：精度、靈敏度和分辨率高；線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)；靜、動(dòng)態(tài)特性好；體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。5.1傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類5.1.1傳感器的組成傳感器的組成通常傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和和轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路三部分組成。 圖3-1傳感

4、器的組成（1）敏感元件）敏感元件: 是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置,其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。（2）轉(zhuǎn)換元件：）轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（如電阻、電感、電容等）形式。（3）基本轉(zhuǎn)換電路：）基本轉(zhuǎn)換電路：將電信號(hào)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量,如電壓、電流、頻率等。 第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng) 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是是在在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下下,利用一利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,對(duì)傳感對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試

5、,得到得到的輸入的輸入/輸出特性（列表或輸出特性（列表或畫曲線）。通常希望這個(gè)畫曲線）。通常希望這個(gè)特性（曲線）為線性特性（曲線）為線性,這對(duì)這對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性只能接近線性,與理論直線與理論直線有偏差有偏差,如圖如圖3-3所示。所示。5.1.2 傳感器的性能指標(biāo)傳感器的性能指標(biāo)圖3-3 傳感器的線性度示意圖 yFS21max0 xFS1實(shí)際曲線2理想曲線yx傳感器的輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)%100maxFSLy（3-1） （1） 線性度線性度xyS輸入

6、量的變化量輸出量的變化量0線性度可用下式計(jì)算：式中：L線性度(非線性誤差)； max最大非線性絕對(duì)誤差； yFS 輸出滿度值。 （2） 靈敏度靈敏度 傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即 (3-2) 對(duì)于線性傳感器來(lái)說(shuō),它的靈敏度S0是個(gè)常數(shù)。第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)%10021%100FSmHFSmHyHyH或(3-3) yFSHm0 xFSyx（3）遲滯。）遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯,遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示： Hm輸出值在正、反行程間的最大差值。

7、遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定,如圖3-4所示。圖3-4 遲滯特性 第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)（4） 重復(fù)特性。重復(fù)特性。 傳感器在同一條件下,被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí),所得的輸出/輸入曲線不一致的程度,稱為重復(fù)特性,如圖3-5所示。重復(fù)特性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即式中: Rm最大重復(fù)性誤差。 重復(fù)特性也由實(shí)驗(yàn)方法確定,常用絕對(duì)誤差表示,如圖3-5所示。 %100FSmRyR(3-4) yFS0 xFSxRm1yRm2圖3-5 重復(fù)特性第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)（5）分辨力）分辨力:傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量。在輸入零點(diǎn)附近的分辨

8、力稱為閾值。（6）漂移：）漂移：由于傳感器內(nèi)部因素或在外界干擾的情況下,傳感器的輸出發(fā)生的變化稱為漂移。（7）精度：）精度：精度表示測(cè)量結(jié)果和被測(cè)的“真值”的靠近程度，包括傳感器的測(cè)量精度和重復(fù)精度。 2. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)

9、態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)表表5.2 傳感器的技術(shù)指標(biāo)傳感器的技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其它指標(biāo)量程指標(biāo)量程指標(biāo): :量程范圍、過(guò)載能力等量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo)靈敏度指標(biāo): :靈敏度、分辨力、滿量程輸靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo)精度有關(guān)指標(biāo): :精度、誤差、線性、滯后、精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo): :固有頻率、阻

10、尼比、時(shí)間常固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間、過(guò)沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等時(shí)間、過(guò)沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo)溫度指標(biāo): :工作溫度范圍、溫工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)抗沖振指標(biāo): :允許各向抗沖振的允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差、沖振所引入的誤差等等其它環(huán)境參數(shù)其它環(huán)境參數(shù): :抗潮濕、抗介質(zhì)腐抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾蝕能力、抗電磁干擾能力等能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能

11、、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)使用有關(guān)指標(biāo): :供電方式供電方式( (直流、交流直流、交流、頻率及波形等、頻率及波形等) )、功、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指標(biāo)結(jié)構(gòu)方面指標(biāo): :外形尺寸、重量、殼外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝連接方面指標(biāo)安裝連接方面指標(biāo): :安裝方式、饋線電纜安裝方式、饋線電纜等等第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng) 5.1.3 信號(hào)傳輸與處理電路信號(hào)傳輸與處理電路 傳感器信號(hào)處理電路內(nèi)容的選擇所要考慮的問(wèn)題主要包括：（1） 傳感器輸出信號(hào)形式,如是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào),是

12、電壓還是電流。 （2） 傳感器輸出電路形式,是單端輸出還是差動(dòng)輸出。 （3） 傳感器電路的輸出能力,是電壓還是功率,輸出阻抗的大小如何等。 （4） 傳感器的特性,如線性度、信噪比、分辨率。第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)5.1.4 傳感器的分類傳感器的分類1. ：表明了傳感器信息轉(zhuǎn)換的方式傳感器信息轉(zhuǎn)換的方式，如應(yīng)變式、壓電式、壓阻式、電感式、電磁式、電容式、光電式、熱電式傳感器等。2. 按輸出按輸出的信號(hào)分：的信號(hào)分：第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)型：開(kāi)關(guān)型：開(kāi)關(guān)型傳感器的二值就是開(kāi)關(guān)型傳感器的二值就是“1”和和“0”或開(kāi)或開(kāi)(ON)和關(guān)和關(guān)(OFF)。這種。這

13、種“l(fā)”和和“0”數(shù)字信數(shù)字信號(hào)可號(hào)可直接直接傳送到微機(jī)進(jìn)行處理，使用方便。傳送到微機(jī)進(jìn)行處理，使用方便。 模擬型：模擬型： 模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電量。如電位器、電相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電量。如電位器、電容式位移傳感器、電阻應(yīng)變片輸入與輸出容式位移傳感器、電阻應(yīng)變片輸入與輸出可以是線性的也可以是非線性的?？梢允蔷€性的也可以是非線性的。線性的線性的可以直接使用可以直接使用，非線性的需經(jīng)過(guò)線性化處，非線性的需經(jīng)過(guò)線性化處理，模擬量經(jīng)理，模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入微機(jī)。轉(zhuǎn)換后輸入微機(jī)。 第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)字型

14、傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類。計(jì)數(shù)型又稱脈沖數(shù)字型，其工作原理如圖a-1所示。它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)，如可用來(lái)檢測(cè)通過(guò)輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)，也可用來(lái)檢測(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的位移量，這時(shí)運(yùn)行機(jī)構(gòu)每移動(dòng)一定距離或轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度就會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，例如增量式光電碼盤增量式光電碼盤和檢測(cè)光柵檢測(cè)光柵。代碼型傳感器又稱編碼器代碼型傳感器又稱編碼器，其工作原理如圖a-2所示；它輸出的信號(hào)是數(shù)字代碼，每一代碼相當(dāng)于一個(gè)一定的輸入量的值，例如圖中輸入量的值為K1時(shí)，輸出代碼為1010，而輸入量的值為K2時(shí)，輸出代碼為1011。代碼的“1”為高

15、電平，“0”為低電平。高、低電平可用光電元件或機(jī)械接觸式元件輸出。常用來(lái)檢測(cè)執(zhí)行元件的位置或速度，如絕對(duì)值型光電編碼器、接觸式編碼板等。第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)物理量（輸入信號(hào)）的不同，能夠很方便地表示傳感器的功能。常用傳感器可以分為溫度、壓力、流量、位移、速度、加速度、力、力矩傳感器等，這種分類方法明確表示了傳感器的用途明確表示了傳感器的用途，如位移傳感器用于測(cè)量位移，溫度傳感器用于測(cè)量溫度等。生產(chǎn)廠家和機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)人員都習(xí)慣于這種分類方法。3.根據(jù)用途分類根據(jù)用途分類：第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)4. 模擬式和數(shù)字式傳感器檢測(cè)系

16、統(tǒng)模擬式和數(shù)字式傳感器檢測(cè)系統(tǒng) 電阻、電容、電感、壓電、磁電、熱電式等傳感器輸出模擬信號(hào)，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖示：傳感器傳感器量程變換量程變換放大器放大器解調(diào)器解調(diào)器濾波器濾波器運(yùn)算電路運(yùn)算電路A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 顯示、顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 振蕩器振蕩器 振蕩器用于對(duì)傳感器信號(hào)“調(diào)制”，以提高輸出信號(hào)的抗干擾能力；并對(duì)“解調(diào)” 提供參考信號(hào)，“解調(diào)”是使信號(hào)恢復(fù)原有形式。 有的傳感器可不進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，直接阻抗匹配、放大、濾波等。第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)光柵、磁柵、光電編碼器、激光干涉儀等傳感器輸出增量碼信號(hào)，增量碼信號(hào)，信號(hào)變化的周期與被測(cè)位移成正比的信號(hào)，其檢測(cè)系統(tǒng)如圖示：

17、傳傳感感器器放放大大器器整整形形電電路路細(xì)細(xì)分分電電路路變變換換電電路路計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)顯示顯示執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)辨向電路辨向電路 傳感器輸出多為正弦波信號(hào)，經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號(hào)，進(jìn)入計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)，為提高分辨率，采取細(xì)分電路； 辮向電路辨別方向以便正確進(jìn)行加法或減法記數(shù)； 脈沖信號(hào)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)來(lái)年感不便于讀出和處理時(shí)，需進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換電路。模擬式系統(tǒng)：精度低、易受干擾影響、不便于長(zhǎng)距離傳輸、有A/D轉(zhuǎn)換， 成本高數(shù)字式系統(tǒng)：分辨率高、抗干擾強(qiáng)、易于長(zhǎng)距離傳輸、易于計(jì)算機(jī)控制、 應(yīng)用廣泛）第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)

18、 傳感器標(biāo)定是指利用較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具（或儀器、儀傳感器標(biāo)定是指利用較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具（或儀器、儀表）對(duì)傳感器的特性進(jìn)行刻度，或者說(shuō)通過(guò)試驗(yàn)建立傳感表）對(duì)傳感器的特性進(jìn)行刻度，或者說(shuō)通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，也確定出不同使器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。用條件下的誤差關(guān)系。 傳感器的標(biāo)定分傳感器的標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定和和動(dòng)態(tài)標(biāo)定動(dòng)態(tài)標(biāo)定:1. 感器靜態(tài)特性標(biāo)定感器靜態(tài)特性標(biāo)定 靜態(tài)標(biāo)定目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靜態(tài)標(biāo)定目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、精度、遲滯性和重復(fù)性等。靈敏度、精度、遲滯性和

19、重復(fù)性等。2. 傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定 動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定的目的確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如時(shí)動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定的目的確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間或工作頻率、通頻帶等。間常數(shù)、上升時(shí)間或工作頻率、通頻帶等。5.1.5 傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定第第5章章 傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)1)集成化：集成化：集成（傳感器、放大器、運(yùn)算器、補(bǔ)償器集成（傳感器、放大器、運(yùn)算器、補(bǔ)償器等）；組合（不同功能的傳感器）；排列（成矩等）；組合（不同功能的傳感器）；排列（成矩陣）。陣）。(2)多功能化：多功能化：如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長(zhǎng)如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長(zhǎng)度等多功能傳

20、感器。度等多功能傳感器。(3)智能化：智能化：不但能對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與測(cè)量，同時(shí)不但能對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與測(cè)量，同時(shí)還具有記憶存儲(chǔ)、運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等功能。還具有記憶存儲(chǔ)、運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等功能。(4)數(shù)字化：數(shù)字化：數(shù)字顯示與微處理機(jī)的應(yīng)用，使傳感器應(yīng)數(shù)字顯示與微處理機(jī)的應(yīng)用，使傳感器應(yīng)用更為方便，可提高穩(wěn)定性及精度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。用更為方便，可提高穩(wěn)定性及精度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。5.1.6 傳感器的發(fā)展方向傳感器的發(fā)展方向5.2 常用機(jī)械量傳感器常用機(jī)械量傳感器5.2.1 位置傳感器位置傳感器位置傳感器位置傳感器所測(cè)量的不是一段距離的變化量，而是通過(guò)檢測(cè)，確定是否已到某一位置是否已到某一位置，因此，它只

21、需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量就可以了。位置傳感器一般使用通通/斷型斷型的居多，其檢測(cè)精度可從以mm為單位的低精度到以m為單位的高精度。位置傳感器分接觸式接觸式和接近式（非接觸式）接近式（非接觸式）兩種。接觸式傳感器接觸式傳感器就是能獲取兩個(gè)物體是否已接觸信息的一種傳感器，如限位開(kāi)關(guān)和接觸開(kāi)關(guān)，接近式傳感器接近式傳感器是用來(lái)判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體的一種傳感器，如接近開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)等。 一、接觸式位置傳感器1微動(dòng)開(kāi)關(guān)位置傳感器 用于檢測(cè)機(jī)電設(shè)備中移動(dòng)部件移動(dòng)部件的位置。外機(jī)械力通過(guò)傳動(dòng)元件（按銷、按鈕、杠桿、滾輪等）將力作用于動(dòng)作簧片上，當(dāng)動(dòng)作簧片位移到臨界點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)動(dòng)作，使動(dòng)作簧片末

22、端的動(dòng)觸點(diǎn)與定觸點(diǎn)快速接通或斷開(kāi).圖5-7由微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器2二維矩陣式位置傳感器二維矩陣式位置傳感器一般用于機(jī)器人手掌內(nèi)側(cè)。在手掌內(nèi)側(cè)常安裝有多個(gè)二維觸覺(jué)傳感器，用以檢測(cè)自身與某一物體的接檢測(cè)自身與某一物體的接觸位置觸位置，被握物體的中心位置和傾斜度，甚至還可識(shí)別物體的大小和形狀。圖5-8矩陣式位置傳感器圖5-9 二維矩陣式位置傳感器二、非接觸式位置傳感器按工作原理主要分為：電磁式、光電式、靜容式、氣壓式、超聲波式等。圖5-10 非接觸式位置傳感器分類與原理圖1電磁式傳感器變磁路氣隙式電感傳感器變磁路氣隙式電感傳感器活動(dòng)銜鐵3和鐵芯2都由截面積相等的高導(dǎo)磁材料高導(dǎo)磁材料做成，線圈繞在

23、鐵芯上，銜鐵和鐵芯間有一氣隙。當(dāng)活動(dòng)銜鐵做縱向位移時(shí)，氣隙發(fā)生變化，從而使鐵芯磁路中的磁阻發(fā)生變化，磁阻的變化將使線圈的電感量電感量發(fā)生變化。這樣，活動(dòng)銜鐵的位移量位移量與線圈的電感量電感量之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要調(diào)出線圈的電感變化就可以得知位移量的大小。2光電式傳感器透光型發(fā)光器件和受光器件相對(duì)放置，中間留有間隙。當(dāng)被測(cè)物體到達(dá)這一間隙時(shí)，發(fā)射光被遮住，從而接收器件（光敏元件）便可檢測(cè)出物體已經(jīng)到達(dá)。2光電式傳感器反射型傳感器發(fā)出的光經(jīng)被測(cè)物體反射后再落到檢測(cè)器件上，與透射型傳感器相似，由于是檢測(cè)檢測(cè)反射光反射光，所以得到的輸出電流較小。另外，對(duì)于不同的物體表面，信噪比也不一樣，因此，設(shè)

24、定限幅電平就顯得非常重要。圖 (b) 接收器的發(fā)射極電阻較發(fā)射極電阻較大，且為可調(diào)大，且為可調(diào)，這主要是因?yàn)榉瓷湫凸怆妭鞲衅鞯墓怆娏鬏^小且有很大的分散性。5.2.2 位移傳感器位移傳感器一、光電編碼器一、光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測(cè)量裝置，通常安裝在被測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。旋轉(zhuǎn)編碼器有光電光電式式和接觸式之分，最常用為光電式編碼器光電式編碼器。1增量式光電編碼器也稱脈沖編碼器脈沖編碼器。通常與電動(dòng)機(jī)做在一起，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過(guò)減速比為i的減速齒輪與滾珠絲杠相連，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的距離可用下式計(jì)算：脈沖當(dāng)量 (mm

25、/p)脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù) (p/r)iMPh編碼器是將機(jī)械傳動(dòng)的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行角位移檢測(cè)角位移檢測(cè)的傳感器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測(cè)原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式及光電式等。光電編碼器根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，分為增量式增量式編碼器和絕對(duì)式絕對(duì)式編碼器。光電編碼器光電編碼器1增量式光電編碼器光電盤光電盤是玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫，向心透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件光電元件。1增量

26、式光電編碼器增量式光電編碼器光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化光線的明暗變化，光電元件把通過(guò)光電盤和圓盤射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)整形，放大和微分處理后，輸出脈沖信號(hào)輸出脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角。測(cè)出單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度速度。光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角最小角度度，而這與碼盤圓周的條紋數(shù)碼盤圓周的條紋數(shù)有關(guān)。1增量式光電編碼器增量式光電編碼器實(shí)際應(yīng)用的光電編碼器的圓盤上有兩組條紋兩組條紋，每組條紋的間隙與光電盤相同，而A組與B組的條紋彼此錯(cuò)開(kāi)錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)矩節(jié)矩，兩組

27、條紋相對(duì)應(yīng)的光電元件所產(chǎn)生的信號(hào)彼此相差相差90相位，用于辨向。相位，用于辨向。輸出加計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)2門輸出為低電平。此讀數(shù)方式每次反映的都是相對(duì)于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對(duì)位置，所以是增量讀數(shù)法增量讀數(shù)法。圖圖5-18 辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖. 絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明透明及不透明區(qū)區(qū)組成，這些透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成，編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。絕對(duì)式編碼器能夠直接直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角位置的二進(jìn)制數(shù)碼， 便于計(jì)算機(jī)處理。絕對(duì)式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意絕對(duì)式光電編碼器結(jié)構(gòu)示

28、意 1光源；光源；2透鏡；透鏡；3編碼盤；編碼盤；4狹縫；狹縫；5光電元件光電元件（）（）. 絕對(duì)式編碼器原理絕對(duì)式編碼器原理絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取碼盤上的圖案信息直接絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。編碼盤有轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。編碼盤有光電式、接觸式和電光電式、接觸式和電磁式磁式三種。三種。光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的

29、數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。 (a) 4位二進(jìn)制絕對(duì)式編碼器的編碼盤 (b) 4位格雷碼盤示意圖 絕對(duì)式光電編碼器的編碼盤 黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的代表二進(jìn)制的“0”和和“1”。在一個(gè)。在一個(gè)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)。個(gè)。 工作時(shí)，

30、碼盤的一側(cè)放置電源，工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整道都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。碼電信號(hào)。（）（）. 絕對(duì)式編碼器原理絕對(duì)式編碼器原理1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101但由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過(guò)程中，會(huì)

31、產(chǎn)但由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)碼盤順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，由位置生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)碼盤順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，由位置“0111”變?yōu)樽優(yōu)椤?000”時(shí)，這四位數(shù)要同時(shí)都變化，可能將數(shù)碼誤讀成時(shí)，這四位數(shù)要同時(shí)都變化，可能將數(shù)碼誤讀成16種代碼中的種代碼中的任意一種，如讀成任意一種，如讀成1111、1011、1101、0001等，產(chǎn)生了無(wú)法估計(jì)的很等，產(chǎn)生了無(wú)法估計(jì)的很大的數(shù)值誤差，這種誤差稱大的數(shù)值誤差，這種誤差稱非單值性誤差。非單值性誤差。(1).循環(huán)碼盤循環(huán)碼盤(或稱格雷碼盤或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二右圖所示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼。這種進(jìn)制循環(huán)碼。這

32、種編碼的編碼的特點(diǎn)是任意特點(diǎn)是任意相鄰的兩個(gè)代碼間相鄰的兩個(gè)代碼間只有一位代碼有變只有一位代碼有變化，即化，即“0”變?yōu)樽優(yōu)椤?”或或“1”變?yōu)樽優(yōu)椤?”。因。因此，在兩數(shù)變換過(guò)此，在兩數(shù)變換過(guò)程中，所產(chǎn)生的讀程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過(guò)數(shù)誤差最多不超過(guò)“1”，只可能讀成，只可能讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)。相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)。 10010111111101000101110011011110101010110001011000100010001100001000 絕對(duì)式編碼器非單值性誤差的消除絕對(duì)式編碼器非單值性誤差的消除這種碼盤是在四位二這種碼盤是在四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤的進(jìn)制循環(huán)碼盤的最外

33、最外圈再增加一圈信號(hào)位圈再增加一圈信號(hào)位。該碼盤最外圈上的信該碼盤最外圈上的信號(hào)位的位置正好與狀號(hào)位的位置正好與狀態(tài)交線錯(cuò)開(kāi)，只有當(dāng)態(tài)交線錯(cuò)開(kāi)，只有當(dāng)信號(hào)位處的光電元件信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)時(shí)才讀數(shù)，這有信號(hào)時(shí)才讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。性誤差。 0100110111111110101011001010011101100010001110111000100100000001(2).帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤 絕對(duì)式編碼器非單值性誤差的消除絕對(duì)式編碼器非單值性誤差的消除3編碼器在數(shù)控機(jī)床位移測(cè)量中的應(yīng)用編碼器在數(shù)控機(jī)床位移測(cè)量中的應(yīng)用

34、編碼器可用于在數(shù)控機(jī)床中工作臺(tái)或刀架的直線位移測(cè)量。兩種安裝方式：1.和伺服電動(dòng)同軸連接在一起(稱為內(nèi)裝式編碼器內(nèi)裝式編碼器)，伺服電動(dòng)機(jī)再和滾珠絲杠連接，編碼器在進(jìn)給轉(zhuǎn)動(dòng)鏈的前端，如圖a。2.編碼器連接在滾珠絲杠末端(稱為外裝式編碼器外裝式編碼器)，如圖 (b)。由于后者包含的進(jìn)給轉(zhuǎn)動(dòng)鏈誤差比前者多，因此，在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，后者的位置控制精度比前者高。在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中，通過(guò)在回轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器在回轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器，可直直接測(cè)量接測(cè)量回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的角位移。在交流電動(dòng)機(jī)變頻控制中，與電動(dòng)機(jī)同軸連接的編碼器可檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的角度位置，用于變頻控制變頻控制。 3編碼器在數(shù)控機(jī)床

35、位移測(cè)量中的應(yīng)用編碼器在數(shù)控機(jī)床位移測(cè)量中的應(yīng)用由于增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)分辨角就發(fā)出每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)分辨角就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)一個(gè)脈沖信號(hào)，因此根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動(dòng)比及滾珠絲的杠螺距即可得出移動(dòng)部件的直線位移。如某帶光電編碼器的伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直接連接(傳動(dòng)比1:1)，在中斷計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)，工作臺(tái)移動(dòng)的位移量計(jì)算式為：5.2.2.2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器在高精度的數(shù)控機(jī)床上，目前大量使用光柵作為反饋檢測(cè)元件。光柵不是依靠電磁學(xué)原理進(jìn)行工作的，不需要激磁電壓，而是利用光學(xué)原理光學(xué)原理進(jìn)行工作，因而不需要復(fù)雜的電子系統(tǒng)。常見(jiàn)的光柵從形狀上可分為圓光柵圓光柵和長(zhǎng)光長(zhǎng)光柵柵。圓光柵用于角位移角位

36、移的檢測(cè)，長(zhǎng)光柵用于直線位移直線位移的檢測(cè)。光柵的檢測(cè)精度較高，可達(dá) 以上。 32411.標(biāo)尺光柵 2.指示光柵3.光電元件 4.光源 光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵，也光源、透鏡、光柵副（主光柵，也稱標(biāo)尺光柵和指示光柵）稱標(biāo)尺光柵和指示光柵）和和光電接收元件光電接收元件組成。光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測(cè)元件，它主要由標(biāo)尺光柵（主光柵）和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標(biāo)尺光柵固固定定在機(jī)床的活動(dòng)活動(dòng)部件上(如工作臺(tái)或絲杠)，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的固定固定部件上(如機(jī)床底座)，二者隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而相對(duì)移動(dòng)。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個(gè)指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)

37、，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動(dòng)。當(dāng)安裝光柵時(shí)，要嚴(yán)格保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙兩者之間的間隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。 光柵副：指示光柵主光柵光柵副：指示光柵主光柵 (標(biāo)尺光柵）標(biāo)尺光柵）a+b=W稱為光柵的稱為光柵的柵距柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2 (注：注：a為刻線寬度，即透光的明線，為刻線寬度，即透光的明線，b為為刻線間的縫隙寬度，刻線間的縫隙寬度，即不透光的暗線即不透光的暗線)。同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度相同的線紋密度相同

38、。1-Z向?qū)к?；向?qū)к墸?-定光柵尺；定光柵尺；3-動(dòng)光柵尺；動(dòng)光柵尺；4-滾珠絲杠；滾珠絲杠；5-X向?qū)к壪驅(qū)к増D圖5-23光柵在車床上的安裝示意圖光柵在車床上的安裝示意圖 光柵傳感器光柵傳感器光源光源鎢絲燈泡：鎢絲燈泡：輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機(jī)械振動(dòng)和沖擊條件下工作時(shí)，使用壽命將降低使用壽命將降低。半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光器件:轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗

39、散。 光電元件光電元件 包括有包括有光電池光電池和和光敏三極管光敏三極管等部分。等部分。在采用固態(tài)光源時(shí)，需要選用敏感波長(zhǎng)與光源相在采用固態(tài)光源時(shí)，需要選用敏感波長(zhǎng)與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。 在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過(guò)放在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過(guò)放大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響。大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響。二、工作原理二、工作原理 當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度成一角度來(lái)放置來(lái)放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照兩光柵尺時(shí)

40、，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶亮帶。相反，。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來(lái)越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得越來(lái)越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線

41、能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶暗帶。這些與光柵線紋這些與光柵線紋幾乎幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是就是莫爾條紋莫爾條紋。莫爾條紋（莫爾條紋（MoireMoire） 條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 均勻刻線均勻刻線主光柵主光柵指示光柵指示光柵夾角夾角明暗相間條紋明暗相間條紋莫爾條紋莫爾條紋移動(dòng)移動(dòng)莫爾條紋形成的原理2tantan橫向莫爾條紋的斜率橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋間距WWBCABBH2sin22sin莫爾條紋的寬度莫爾條紋的寬度BH由由光柵

42、常數(shù)與光柵夾角決定光柵常數(shù)與光柵夾角決定 3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)方向性：方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí) 與光柵移動(dòng)方向垂直與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋移動(dòng)莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一個(gè)間距方向?qū)?yīng)方向?qū)?yīng)放大性：放大性：夾角夾角很小很小 BW 光學(xué)放大光學(xué)放大 提高靈敏度提高靈敏度可調(diào)性：可調(diào)性：夾角夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準(zhǔn)確性：準(zhǔn)確性：大量刻線大量刻線 誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服克服個(gè)別個(gè)別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)1.調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋

43、的寬度，起到了調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用放大作用，又提高了測(cè)量精度。又提高了測(cè)量精度。2.莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號(hào)作進(jìn)一莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測(cè)量精度或可。這樣可以提高測(cè)量精度或可以采用較粗的光柵。以采用較粗的光柵。3.光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了平均作用平均作用?？叹€的局部?？叹€的局部誤差和周期誤差對(duì)于精度沒(méi)有直接的影響。因此可得到比光誤差和周期誤差對(duì)于精度沒(méi)有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測(cè)量精度。這

44、是用光柵測(cè)量和普通標(biāo)柵本身的刻線精度高的測(cè)量精度。這是用光柵測(cè)量和普通標(biāo)尺測(cè)量的主要差別。尺測(cè)量的主要差別。4.4.莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。兩光柵莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度度W W，其方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直，且當(dāng)兩光柵，其方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直，且當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。 莫爾條紋與標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向的關(guān)系莫爾條紋與標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向的

45、關(guān)系標(biāo)尺光柵相對(duì)標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵的指示光柵的轉(zhuǎn)角方向轉(zhuǎn)角方向標(biāo)尺光柵移動(dòng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向方向莫爾條紋移動(dòng)莫爾條紋移動(dòng)方向方向順時(shí)針?lè)较蝽槙r(shí)針?lè)较蛳蜃笙蜃笙蛏舷蛏舷蛴蚁蛴蚁蛳孪蛳履鏁r(shí)針?lè)较蚰鏁r(shí)針?lè)较蛳蜃笙蜃笙蛳孪蛳孪蛴蚁蛴蚁蛏舷蛏?通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。 U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0 u0輸出信號(hào)中的直流分量；輸出信號(hào)中的直流分量；um輸出正弦信號(hào)的幅值；輸出正弦信號(hào)的幅值； x兩光柵間的瞬時(shí)相對(duì)位移。兩光柵間的瞬時(shí)相對(duì)位移。即

46、通過(guò)用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則即通過(guò)用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則光信光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流電壓或電流)輸出。輸出電壓信號(hào)的幅值為光柵輸出。輸出電壓信號(hào)的幅值為光柵位移量位移量x的函數(shù)。的函數(shù)。 WxUUUm2sin0將該電壓信號(hào)放大、整形使其變?yōu)閷⒃撾妷盒盘?hào)放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)方波，經(jīng)微分電路微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)辨向電路辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位在顯示器上以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積。測(cè)位移量為脈

47、沖數(shù)與柵距的乘積。測(cè)量分辨率等于柵距。當(dāng)柵距為單位長(zhǎng)度量分辨率等于柵距。當(dāng)柵距為單位長(zhǎng)度時(shí)，所顯示的脈沖數(shù)則直接表示出位移時(shí)，所顯示的脈沖數(shù)則直接表示出位移量的大小量的大小。細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)提高分辨力方法提高分辨力方法： 在選擇合適的光柵柵距的前提下，用內(nèi)插法把莫爾條紋間距進(jìn)行“細(xì)分”，提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率(故又稱倍頻倍頻)。細(xì)分細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。 細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分電子細(xì)分兩類。感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)原理把兩個(gè)平面兩個(gè)平面繞組間的位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)繞組間的位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的

48、一種位移傳感器。按測(cè)量機(jī)械位移的對(duì)象不同可分為直直線型線型和圓盤型圓盤型兩類，分別用來(lái)檢測(cè)直線位移直線位移和角位移角位移。由于它成本低，受環(huán)境溫度影響小，測(cè)量精度高，且為非接觸測(cè)量非接觸測(cè)量，所以在位移檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在各種機(jī)床的位移數(shù)字顯示、自動(dòng)定位和數(shù)控系統(tǒng)中。5.2.2.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4l 包括包括定尺定尺和和滑尺滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為一般為2mm)的方的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，

49、滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為正弦繞組正弦繞組和和余弦繞組余弦繞組。當(dāng)。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組尺繞組錯(cuò)開(kāi)錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距（節(jié)距（電相位差電相位差90）?；吆??；吆投?尺 相 對(duì) 平 行 安 裝 ， 其 間 保 持 一 定 間 隙定 尺 相 對(duì) 平 行 安 裝 ， 其 間 保 持 一 定 間 隙（0.050.2mm）。）。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器直線型感應(yīng)同步器定尺、直線型感應(yīng)同步器定尺、滑尺的結(jié)構(gòu)滑尺的結(jié)構(gòu)在滑尺的繞組中，施加頻率為在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為（一般為210kHz）的交變電流時(shí)，

50、定尺繞組感應(yīng)出頻率為的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為，余弦繞組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為，移動(dòng)距離為x，節(jié)距為，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為2.感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理cos360cos2ssKUTxKUUo余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器sin360sin2ccKUTxKUU

51、osincos222csKUKUUUUTxTx2360)(o 根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相鑒相式式和和鑒幅式鑒幅式兩種工作法。兩種工作法。3. 測(cè)量方法測(cè)量方法(1)鑒相式工作法鑒相式工作法 滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但幅值，但相位相差相位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè)的兩個(gè)電壓，設(shè)二、感應(yīng)同步器二、感應(yīng)同步器tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtK

52、UmmmTxo360感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器2.鑒幅工作法鑒幅工作法 在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但相同相位，但幅值不等幅值不等的兩個(gè)交流電壓：的兩個(gè)交流電壓：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(2224. 感應(yīng)同步器的應(yīng)用直線式感應(yīng)同步器常常會(huì)遇到有關(guān)直線式感應(yīng)同步器常常會(huì)遇到有關(guān)接長(zhǎng)的問(wèn)題接長(zhǎng)的問(wèn)題。例如，當(dāng)感。例如，當(dāng)感應(yīng)同步器用于檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的位移時(shí)，由于行程較長(zhǎng)，一應(yīng)同步器用于檢測(cè)機(jī)床工作臺(tái)的位移時(shí)，由于行程較長(zhǎng)，一塊感應(yīng)同步器常難以滿足檢測(cè)長(zhǎng)度的要求，需要將兩塊或多塊感應(yīng)同步器常難以滿

53、足檢測(cè)長(zhǎng)度的要求，需要將兩塊或多塊感應(yīng)同步器的定尺拼接起來(lái)，即塊感應(yīng)同步器的定尺拼接起來(lái)，即感應(yīng)同步器接長(zhǎng)。感應(yīng)同步器接長(zhǎng)。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺尺座分別安裝在機(jī)床上兩個(gè)相對(duì)移感應(yīng)同步器的定尺和滑尺尺座分別安裝在機(jī)床上兩個(gè)相對(duì)移動(dòng)的部件上（如工作臺(tái)和床身），當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，滑尺在動(dòng)的部件上（如工作臺(tái)和床身），當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，滑尺在定尺移動(dòng)。滑尺和定尺要用防護(hù)罩罩住，以防止鐵屑、油污定尺移動(dòng)?；吆投ǔ咭梅雷o(hù)罩罩住，以防止鐵屑、油污和切割液等東西落到器件上，從而影響正常工作。由于感應(yīng)和切割液等東西落到器件上，從而影響正常工作。由于感應(yīng)同步器的檢測(cè)精度比較高，同步器的檢測(cè)精度比較高，故對(duì)安裝有一

54、定的要求，如在安故對(duì)安裝有一定的要求，如在安裝時(shí)要保證定尺安裝面與機(jī)床導(dǎo)軌面的平行度要求裝時(shí)要保證定尺安裝面與機(jī)床導(dǎo)軌面的平行度要求，如這兩，如這兩個(gè)面不平行，將引起定、滑尺之間的間隙變化，從而影響檢個(gè)面不平行，將引起定、滑尺之間的間隙變化，從而影響檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)精度。測(cè)靈敏度和檢測(cè)精度。 5.2.2.4 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器屬于電磁式測(cè)量傳感器，可以用于角位移的測(cè)量，是一種間接間接測(cè)量裝置。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，勵(lì)磁電壓接到定子繞組上，勵(lì)磁頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz，轉(zhuǎn)子輸出感應(yīng)電壓，輸出電壓隨被測(cè)角位移的變化而變化。旋轉(zhuǎn)變壓器可單獨(dú)和滾珠

55、絲杠相連，也可與伺服電動(dòng)機(jī)組可單獨(dú)和滾珠絲杠相連，也可與伺服電動(dòng)機(jī)組成一體成一體。檢測(cè)電路: 鑒相鑒相方式和鑒幅鑒幅工作方式。旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的輸出方式分有有刷刷和無(wú)刷兩種。5.2.2.4 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器將旋轉(zhuǎn)變壓裝在數(shù)控機(jī)床的絲杠上，當(dāng)角從0變化到360時(shí)，表示絲杠的螺母走了一個(gè)螺距，這樣就間接間接地測(cè)量了絲桿的直線位移(螺距)的大小。在數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中用來(lái)測(cè)量機(jī)床的主軸及伺服軸運(yùn)動(dòng)等。測(cè)全長(zhǎng)時(shí)，可加一只計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器，累計(jì)所走的螺距數(shù)，折算成位移總長(zhǎng)度。為區(qū)別正反向，再加一只相敏檢波器相敏檢波器以區(qū)別不同的轉(zhuǎn)向。 測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)際上它是一臺(tái)微型的直流它是一臺(tái)微

56、型的直流發(fā)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)有多發(fā)電機(jī)。其結(jié)構(gòu)有多種，根據(jù)定子磁極激種，根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流磁方式的不同，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為電電磁式磁式和和永磁式永磁式兩種。兩種。如以電樞的結(jié)構(gòu)不同如以電樞的結(jié)構(gòu)不同來(lái)分，有無(wú)槽電樞、來(lái)分，有無(wú)槽電樞、有槽電樞、空心杯電有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。但樞和圓盤電樞等。但原理基本相同。原理基本相同。 5.2.3.1 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)n直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是輸出斜率大、線性好輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器、構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。 光電脈沖測(cè)速光電脈沖測(cè)速原理如下圖所示。物體以速度原理如下圖所示。物體以速

57、度V通通過(guò)光電池的遮擋板時(shí)，光電池輸出階躍電壓信號(hào)，過(guò)光電池的遮擋板時(shí)，光電池輸出階躍電壓信號(hào)，經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出，測(cè)出兩脈沖之間經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出，測(cè)出兩脈沖之間的時(shí)間間隔的時(shí)間間隔t，則可測(cè)得速度為，則可測(cè)得速度為5.2.3.2 光電式速度傳感器光電式速度傳感器x00ett光電池?fù)醢錠速度測(cè)量0e微分電路txV/光電池遮擋板光電池遮擋板 光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測(cè)軸（或與被測(cè)軸相連接是由裝在被測(cè)軸（或與被測(cè)軸相連接的輸入軸）上的的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過(guò)縫隙圓

58、盤和指示組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過(guò)縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量時(shí)間根據(jù)測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測(cè)得轉(zhuǎn)速為，則可測(cè)得轉(zhuǎn)速為光電式速度傳感器光電式速度傳感器tZNn60光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 一般取Z t =6010m（m=0，1，2）。利用兩組縫隙間距W相同，位置相差（i/21/4）W（i為正整數(shù)）的指示縫隙和兩個(gè)光電器件，則可辨別出圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。5.2.4.1 電阻應(yīng)變

59、片式加速度傳感器電阻應(yīng)變片式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。懸臂結(jié)構(gòu)如圖所示。懸臂梁的一端固定在本體梁的一端固定在本體上，另一端裝有重塊，上，另一端裝有重塊，殼體內(nèi)充滿硅油，通殼體內(nèi)充滿硅油，通過(guò)粘貼在懸臂梁上下過(guò)粘貼在懸臂梁上下兩面的電阻應(yīng)變片兩面的電阻應(yīng)變片間間接接測(cè)得物體的加速度。測(cè)得物體的加速度。這實(shí)際上是一個(gè)由這實(shí)際上是一個(gè)由質(zhì)質(zhì)量量- -彈簧彈簧- -阻尼構(gòu)成的阻尼構(gòu)成的二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)（重塊是質(zhì)（重塊是質(zhì)量塊，懸臂梁為板狀量塊，懸臂梁為板狀彈簧，硅油為阻尼）。彈簧，硅油為阻尼）。5.2.4.2 壓電式加速度傳感器使用時(shí)，傳感器固定在被測(cè)物體上，感受該物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使

60、壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。使用加速度傳感器可以檢測(cè)振動(dòng)，可以對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行診斷（如：齒輪的缺齒、軸承的損傷等。1-重塊；重塊；2-壓電元件；壓電元件；3-接線；接線；4-座座 壓電加速度傳感器分電荷輸出型和電壓輸出型。5.3 常用傳感器的性能指標(biāo)常用傳感器的性能指標(biāo) 5.3 常用傳感器的性能指標(biāo)常用傳感器的性能指標(biāo) 1傳感器處于被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的界面位置檢測(cè)系統(tǒng)的界面位置，是信號(hào)輸入的主要窗口，為檢測(cè)系統(tǒng)提供必需的原始信號(hào)。2中間轉(zhuǎn)換電路中間轉(zhuǎn)換電路將傳感器敏感元件輸出的電參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量或處理的電壓或電流等電量信號(hào)。通常，這種電量信號(hào)