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第3章

傳感與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1概述3.2常見(jiàn)傳感器的原理及應(yīng)用3.3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考題回目錄3.1概述3.1.1檢測(cè)系統(tǒng)的功用、組成及基本要求3.1.2傳感器的分類與選用3.1.3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、方法和步驟

3.1.1.檢測(cè)系統(tǒng)的功用、組成及基本要求檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的一個(gè)重要組成部分,用于實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中,傳感器的作用就相當(dāng)于人的感官,用于檢測(cè)有關(guān)外部環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量(如力、溫度、距離、變形、位置、速度、加速度、功率等)及其變化,并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),然后再通過(guò)相應(yīng)的變換、放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波、運(yùn)算等電路,將有用信號(hào)檢測(cè)出來(lái),反饋給控制裝置或送去顯示。實(shí)現(xiàn)上述功能的傳感器及其相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路,就構(gòu)成了機(jī)電一體化產(chǎn)品的檢測(cè)系統(tǒng)。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中,需要檢測(cè)的量絕大部分是非電量,而計(jì)算機(jī)只能處理電量,因此,檢測(cè)系統(tǒng)一般包括如圖3-1所示兩個(gè)環(huán)節(jié):1.把各種非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這就是傳感器的功能。例如將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電感等電參數(shù)的變化;將振動(dòng)或聲音轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的變化。傳感器又稱為“一次儀表”。2.對(duì)傳感器送出的電信號(hào)進(jìn)行加工,使之成為合乎需要的、便于輸送或顯示和記錄的、可作進(jìn)一步后續(xù)處理的信號(hào)。如將阻抗變換為電壓或電流,再將信號(hào)進(jìn)行一系列處理最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號(hào)。這叫電信號(hào)處理系統(tǒng),通常又稱為“二次儀表”。圖3-1非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式一次儀表二次儀表由于檢測(cè)系統(tǒng)一般是由傳感器和若干變換環(huán)節(jié)組成,為了保證檢測(cè)過(guò)程中能夠忠實(shí)地把所需信息從信號(hào)源通過(guò)其載體信號(hào)傳輸?shù)捷敵龆耍麄€(gè)過(guò)程既不失真也不受干擾,傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)必須滿足以下基本要求:①精度、靈敏度和分辨率高,能滿足機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度和速度的要求;②線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好,工作可靠;③靜、動(dòng)態(tài)特性好,測(cè)量范圍較大;④抗干擾能力強(qiáng)。除此之外,為了適應(yīng)機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點(diǎn)并滿足機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的需要,還對(duì)傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)提出了一些特殊要求,如體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、安裝與維修方便、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等。

3.1.2.傳感器的分類與選用傳感器種類繁多,分類方法也有多種,如按被測(cè)物理量分類,按傳感器工作原理分類,按傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類等等。這里將傳感器按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類,分為二值型、模擬型和數(shù)字型,如圖4-2所示。

二值型傳感器只輸出“l(fā)”和“0”或開(ON)和關(guān)(OFF)兩個(gè)值。如果傳感器的輸入物理量達(dá)到某個(gè)值以上時(shí)其輸出為“l(fā)”(ON狀態(tài)),在該值以下時(shí)輸出為“0”(OFF狀態(tài)),其臨界值就是開、關(guān)的設(shè)定位。這種“l(fā)”和“0”數(shù)字信號(hào)可直接送入微型機(jī)進(jìn)行處理。如:鍵盤、按鈕。圖3-2傳感器按輸出信號(hào)性質(zhì)分類傳感器開關(guān)型(二值型)接觸型(微動(dòng)開關(guān)、接觸開關(guān)等)非接觸型(光電開關(guān)、接近開關(guān)等)模擬型電阻型(電位器、電阻應(yīng)變片等)電壓、電流型(熱電耦、光電電池、壓電元件等)電感、電容型(電感、電容式位移傳感器等)數(shù)字型記數(shù)型(二值+計(jì)數(shù)器等)代碼型(編碼器、磁尺等)

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。傳感器的輸入/輸出關(guān)系可能是線性的,也可能是非線性的。線性輸出信號(hào)可直接采用,而非線性輸出信號(hào)則需進(jìn)行線性化處理。這些線性信號(hào)一般需進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D),將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再送給微型機(jī)處理。如:測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)速度可獲得連續(xù)變化的電壓信號(hào),應(yīng)變片檢測(cè)應(yīng)力可獲得連續(xù)變化的電阻信號(hào)。

數(shù)字型傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類。計(jì)數(shù)型又稱脈沖計(jì)數(shù)型,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)器就可以對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)。如用來(lái)檢測(cè)通過(guò)輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)。代碼型傳感器即絕對(duì)值式編碼器,通常被用來(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、接觸型編碼器等。設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品時(shí),一般根據(jù)被測(cè)物理量的性質(zhì)和檢測(cè)要求來(lái)選用傳感器。通常,選擇傳感器需從以下幾個(gè)方面考慮:1.檢測(cè)要求和條件。測(cè)量目的、被測(cè)物理量選擇、測(cè)量范圍、輸入信號(hào)最大值和頻帶寬度、測(cè)量精度要求、測(cè)量所需時(shí)間要求等。2.傳感器性能。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)校正周期、輸入端保護(hù)等。3.使用條件。安裝條件、工作場(chǎng)地的環(huán)境條件(溫度、濕度、振動(dòng)等)、測(cè)量時(shí)間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。

3.1.3.檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、方法和步驟目前,傳感器技術(shù)已經(jīng)形成了一個(gè)新型科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,即傳感器工程學(xué)。傳感器也形成專業(yè)化生產(chǎn),市場(chǎng)上有各種各樣的傳感器可供選用。因而對(duì)于從事機(jī)電一體化研究、應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō),檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是:根據(jù)使用要求合理選用傳感器,設(shè)計(jì)或選用相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)與處理電路以構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng),并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析與調(diào)試,使之在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的計(jì)測(cè)功能。檢測(cè)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法是實(shí)驗(yàn)分析法,即理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟如下:1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析。主要包括對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品整體功能、性能和應(yīng)用場(chǎng)合的了解,以及產(chǎn)品對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)具體性能要求的分析。2.系統(tǒng)方案選擇。包括傳感器及信號(hào)加工、處理方法的選擇。應(yīng)在大量調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行充分的方案論證,甚至做一些必要的原理性模擬試驗(yàn),以保證所選定的方案是最佳的或較佳的。3.系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計(jì)。4.環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與制造。各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用現(xiàn)有的各種功能電路甚至集成電路芯片,當(dāng)不能完全滿足要求時(shí),可進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)修改或補(bǔ)充設(shè)計(jì)。各環(huán)節(jié)電路制作完成后,應(yīng)進(jìn)行必要的調(diào)試,以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。5.總裝調(diào)試及實(shí)驗(yàn)分析。6.系統(tǒng)運(yùn)行和考核。檢測(cè)系統(tǒng)最終要納入到機(jī)電一體化產(chǎn)品中與其它系統(tǒng)協(xié)調(diào)、統(tǒng)一地運(yùn)行,因此其性能還要在整個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)行中進(jìn)行考核,并考慮與其它系統(tǒng)的匹配關(guān)系進(jìn)行修改和完善。檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是很復(fù)雜的,涉及到較深的傳感器、電路及信息處理方面的理論知識(shí),而且往往要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)才能完成。本章介紹一些機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的傳感器及相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)與處理電路,以及信息的計(jì)算機(jī)采集和預(yù)處理方法。3.2常見(jiàn)傳感器的原理及應(yīng)用3.2.1位移傳感器3.2.2速度檢測(cè)傳感器3.2.3位置傳感器3.2.4壓力傳感器3.2.5溫度傳感器3.2.6聲敏傳感器

3.2.1位移傳感器位移傳感器是一種非常重要的傳感器,它直接影響著系統(tǒng)的控制精度。位移可分為角位移和直線位移兩種。因此位移傳感器也有與其對(duì)應(yīng)的兩種形式,直線位移傳感器和角位移傳感器。直線位移傳感器主要有:電感傳感器、差動(dòng)變壓器傳感器、電容傳感器、感應(yīng)同步器和光柵傳感器等。角位移傳感器主要有:電容傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼盤等。而電感傳感器和電容傳感器主要用于小量程和高精度的測(cè)量系統(tǒng)。一.電感傳感器典型的可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示,它主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵組成。圖3-3可變磁阻式電感傳感器當(dāng)線圈通以激磁電流時(shí),其自感L與磁路的總磁阻Rm有關(guān),即式中:μ0——空氣磁導(dǎo)率(H/m),其值為2π×10-7;A0——空氣隙導(dǎo)磁截面積(m2);δ——空氣隙(m);W——線圈匝數(shù);Rm——總磁阻。上式表明,自感L與空氣隙δ的大小成反比,與空氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)A0固定不變時(shí),改變?chǔ)目梢苑从澄灰频淖兓?,?dāng)然L與δ成非線性關(guān)系。也可以根據(jù)截面積變化引起電感L變化的原理構(gòu)成截面型和磁心型傳感器。如圖3-4所示為差動(dòng)式磁心型傳感器。圖3-4可變磁阻差動(dòng)式傳感器當(dāng)活動(dòng)銜鐵接于中間位置(位移為零)時(shí),兩線圈的自感L相等,輸出為零。當(dāng)銜鐵有位移Δδ時(shí),兩個(gè)線圈的間隙為δ0+Δδ,δ0-Δδ,這表明一個(gè)線圈的自感增加,而另一個(gè)線圈的自感減小。差動(dòng)形式連接可以提高靈敏度和線性度,增強(qiáng)抗干擾能力。為了能把這種變化量用電量反映出來(lái),一般都采用如圖3-5所示的橋式電路。設(shè)Z1=Z2=Z,則有,上移為正,下移為負(fù)。為電阻變化量。圖3-5可變磁阻差動(dòng)式傳感器U0UscZ1Z2UU可以看出:輸出電壓幅值相等,方向相反。由于U0是一個(gè)幅值變化的交流信號(hào),因此需要解調(diào)。如果采用無(wú)相位鑒別的整流器進(jìn)行解調(diào),則輸出電壓與位移的關(guān)系曲線便如圖3-6(a)所示。為克服用這種方法不能辨別方向的缺點(diǎn),一般都需要使用能反映極性的相敏整流法,它的輸出特性曲線如圖(b)所示。圖3-6(a)(b)圖3-7可變磁阻面積型電感傳感器如圖3-7所示為可變磁阻面積型傳感器。二.差動(dòng)變壓傳感器電感傳感器是把位移量的變化轉(zhuǎn)化為電感的變化,而差動(dòng)變壓器傳感器則是把位移量的變化轉(zhuǎn)化為兩個(gè)線圈之間的互感變化。圖3-8表示一個(gè)三段型的差動(dòng)變壓器的傳感器原理圖。線圈分為初級(jí)線圈W和次級(jí)線圈W1及W2,線圈中心插入圓柱形鐵心p。當(dāng)初級(jí)線圈中輸入交流電壓U時(shí),線圈中有交流電流流過(guò),便產(chǎn)生磁通通過(guò)線圈W1,在線圈W1中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì);另一部分磁通則通過(guò)線圈W2,并在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),它們可由下式確定:圖3-8差動(dòng)變壓器式電感傳感器當(dāng)連接成如圖4-9所示橋式電路,且顯然,當(dāng)鐵心在中間位置時(shí),M1=M2,Usc=0;當(dāng)鐵心向上移動(dòng)時(shí),M1>M2,Usc>0;反之,M1<M2,Usc<0。隨鐵心偏離中點(diǎn)的距離增大而增大,同樣也是一個(gè)調(diào)幅正弦信號(hào),可以用與電感傳感器相同的方法來(lái)處理。圖3-9差動(dòng)變壓傳感器的橋式電路三.電容傳感器電容傳感器由兩塊平行的金屬板構(gòu)成。一般通過(guò)改變板間距離、相對(duì)面積或介質(zhì)特性所引起的電容量變化來(lái)反映相應(yīng)的位移量的變化。電容傳感器有很多優(yōu)點(diǎn):所需的作用能量??;能在惡劣的環(huán)境下工作;本身發(fā)熱影響??;動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。電容傳感器的缺點(diǎn)是存在著非線性和泄漏等問(wèn)題。電容傳感器也常做成差動(dòng)形式。電容檢測(cè)電路有電橋型電路、調(diào)頻電路、諧振電路、二極管T形網(wǎng)絡(luò)電路和脈寬調(diào)制電路等幾種。此處不再詳述。四.旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏,對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求,輸出信號(hào)大,抗干擾性好,因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。

(一)旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似,由定子和轉(zhuǎn)子組成,定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中磁通分布符合正弦規(guī)律。在定子上有激磁繞組Sl—S2和輔助繞組K1—K2,兩個(gè)繞組的軸線正交;轉(zhuǎn)子上也有兩個(gè)互相垂直的繞組A1

—A2和B1—B2,如圖3-10所示。圖3-10旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)造原理工作時(shí)需要在定子繞組施加交流激磁電壓(頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種),通過(guò)電磁耦合,在轉(zhuǎn)子繞組上就感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的電壓。轉(zhuǎn)子繞組的引出線與滑環(huán)相連,再經(jīng)電刷引到接線板上與檢測(cè)電路相連。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器相似。不同的是:普通變壓器的輸入、輸出兩個(gè)繞組的位置是固定的,其輸出電壓與輸入電壓之比為一常數(shù),而旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入、輸出繞組分別固定在定子和轉(zhuǎn)子上,所以輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。以兩極旋轉(zhuǎn)變壓器為例(圖3-11)。圖3-11兩極旋轉(zhuǎn)變壓的電氣原理設(shè)施加在定子繞組Sl—S2中的激磁電壓是頻率為ω、隨時(shí)間t變化的交流電壓Us=Umsinωt,則轉(zhuǎn)子繞組B1—B2中的感應(yīng)電勢(shì)為

UB=K·Us·

sinθ=KUmsinωtsinθ

式中,K—變壓比;Um—定子繞組中交變電壓的幅值;θ—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角,當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)θ=0°。由上式可知,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)UB也是頻率為ω、隨時(shí)間t變化的交變電壓信號(hào),其幅值KUmsinθ隨轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置θ按正弦函數(shù)變化。因此,只要測(cè)量出轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)的幅值,便可間接地得到轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的位置,即θ角的大小。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中接以負(fù)載時(shí),其繞組中便有正弦感應(yīng)電流通過(guò),該電流所產(chǎn)生的交變磁通將使定子和轉(zhuǎn)子間氣隙中的合成磁通畸變,從而使轉(zhuǎn)子繞組中輸出電壓也發(fā)生畸變。為了克服上述缺點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用中常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器,如圖3-10所示,其定子和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個(gè)匝數(shù)相等,且相互垂直的繞組構(gòu)成。一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出信號(hào),另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償。這種旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)量方式有鑒相式和鑒幅式之分。(二)測(cè)量方式和檢測(cè)系統(tǒng)1.鑒相測(cè)量方式

鑒相測(cè)量方式是根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)確定被測(cè)轉(zhuǎn)角的大小。在圖3-10中,當(dāng)定子繞組Sl—S2和K1—K2中分別通以幅值和頻率相同、相位差為90°的交變激磁電壓

Us=Umcosωt,Uk=Umsinωt時(shí),便可在轉(zhuǎn)子繞組B1—B2中得到感應(yīng)電勢(shì)UB。根據(jù)線性疊加原理,UB的值為激磁電壓Us和Uk在B1—B2中的感應(yīng)電勢(shì)UBs和UBk之和,即

UB=UBs+UBk

=-KUssinθ+KUkcosθ

=-KUmcosωt

sinθ+KUmsinωt

cosθ

KUmsin(ωt-θ)由上式可知,旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)UB與定子繞組中的激磁電壓同頻率,但相位不同,相位差θ就是被測(cè)角位移的大小。方向?使用鑒相式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)角位置控制系統(tǒng)如圖3-12所示。定子繞組的激磁電壓由基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生,轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓UB經(jīng)濾波整形后送入鑒相器。在鑒相器中,UB的相位與指令信號(hào)的相位進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)△θ,并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào),經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中需要注意:UB是變量θ的周期函數(shù),轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),UB值周期性地變化一次,因此,不但要測(cè)出UB的大小,而且要測(cè)出UB的周期性變化次數(shù),或者將被測(cè)角位移θ限制在180°之內(nèi),即每次測(cè)量過(guò)程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度小于半周。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,已有專用集成電路,如IRDCl730和IRDCl733,可以把旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)角直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸送給微型計(jì)算機(jī)。圖3-12旋轉(zhuǎn)交壓器相位測(cè)量系統(tǒng)

2.鑒幅測(cè)量方式

鑒幅測(cè)量方式是通過(guò)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)角位移檢測(cè)的。這時(shí),定子繞組Sl—S2和K1—K2中分別輸入頻率和相位相同、幅值不同的交變激磁電壓

Us=Umcosα?sinωt,Uk=Umsinα?sinωt

式中,Umcosα

和Umsinα分別為激磁電壓Us和Uk的幅值,

α稱為旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角,可由伺服系統(tǒng)產(chǎn)生。根據(jù)線性疊加原理,轉(zhuǎn)子繞組B1—B2的感應(yīng)電勢(shì)UB為

UB=UBs+UBk

=-KUmcosαsinωt

sinθ+KUmsinαsinωt

cosθ

KUmsin(α

-θ

)sinωt

由上式可以看出,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)UB是以ω為角頻率的交變信號(hào),其幅值為UBm=

KUmsin(α-θ)。若電氣角α已知,則只要測(cè)量出UB的幅值,便可間接地求出被測(cè)角位移θ的大小。特別是當(dāng)感應(yīng)電勢(shì)為零時(shí),α=θ,旋轉(zhuǎn)變壓器電氣角的大小就是被測(cè)角位移的大小,這一點(diǎn)對(duì)鑒幅式測(cè)量具有重要的意義。實(shí)際應(yīng)用中,通常以測(cè)出的值UBm為反饋控制信號(hào),對(duì)α進(jìn)行調(diào)節(jié),使之趨于θ。當(dāng)α變化后,激磁信號(hào)Us和Uk隨之變化,從而使感應(yīng)電勢(shì)的幅值UBm變化。若UBm不為零,那么,它將再次作為反饋信號(hào)對(duì)α進(jìn)行調(diào)節(jié),直至UBm=0。在這一使UBm趨于零的過(guò)程中,α的變化量就是被測(cè)角位移θ的變化量。

α的變化情況可通過(guò)具體的電子線路測(cè)量出來(lái),并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的變化,只要測(cè)出該數(shù)字脈沖的變化量,使可得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ的值。值得注意的是,UBm是變量θ的周期函數(shù),當(dāng)θ大于180°時(shí),將會(huì)造成α對(duì)θ跟隨錯(cuò)誤,例如,當(dāng)180°<θ<360°時(shí),α可能反向跟隨θ角;而θ>360°時(shí),α可能出現(xiàn)跟隨失步。另外,θ值較大時(shí),α跟隨θ角的線性度不好,跟隨誤差大,這將使伺服系統(tǒng)的性能受到影響。因此,用于機(jī)床伺服系統(tǒng)的鑒幅式旋轉(zhuǎn)變壓器的θ值常選得很小,一般不超過(guò)3°。但這并不影響使用,因?yàn)楸M管每次被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)過(guò)的角度θi小,但轉(zhuǎn)過(guò)N次之后,其總的角位移量可以很大。五.感應(yīng)同步器檢測(cè)系統(tǒng)(一)感應(yīng)同步器的構(gòu)造感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量位移的高精度檢測(cè)元件,有直線式和圓盤式兩類,分別用來(lái)檢測(cè)直線位移和角位移。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。標(biāo)準(zhǔn)式的直線感應(yīng)同步器,定尺一般長(zhǎng)為250mm,上面均勻分布節(jié)距W為2mm的繞組;滑尺長(zhǎng)100mm,表面布有兩個(gè)繞組,即正弦繞組和余弦繞組,如圖3-13所示。當(dāng)余弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí),正弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距。圖3-13直線感應(yīng)同步器構(gòu)造圖圓盤式感應(yīng)同步器如圖3-14所示。其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的定尺,定子相當(dāng)于滑尺,而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開1/4節(jié)距。圖3-14圓盤式感應(yīng)同步器構(gòu)造圖(a)定子(b)轉(zhuǎn)子直線感應(yīng)同步器的安裝應(yīng)保證定尺與滑尺平行且有一定的間隙,間隙約為0.25±0.05mm。如果測(cè)量長(zhǎng)度大于250mm,可以采用多塊定尺接長(zhǎng),相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測(cè)長(zhǎng)儀進(jìn)行調(diào)整,使拼接后總長(zhǎng)度的精度保持(或略低于)單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式是:若定尺少于10塊,將各繞組串聯(lián)連接;若定尺多于10塊,先將各繞組分成兩組串聯(lián),然后將此兩組再并聯(lián),以不使定尺繞組阻抗過(guò)高為原則。

(二)感應(yīng)同步器的工作原理現(xiàn)以直線感應(yīng)同步器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。當(dāng)滑尺上的正弦繞組S和定尺上的繞組位置重合時(shí)(A點(diǎn)),耦合磁能量最大,感應(yīng)電勢(shì)也最大;當(dāng)滑尺繼續(xù)移動(dòng)時(shí),感應(yīng)電勢(shì)慢慢減小,當(dāng)移動(dòng)到1/4節(jié)距時(shí)(B點(diǎn)),在感應(yīng)繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)相抵消,總電勢(shì)為零;繼續(xù)移動(dòng)半個(gè)節(jié)距時(shí)(C點(diǎn)),可得到與初始位置極性相反的最大感應(yīng)電勢(shì);在3/4節(jié)距處(D點(diǎn))又變?yōu)榱?;移?dòng)一個(gè)節(jié)距時(shí)(E點(diǎn)),又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài),感應(yīng)電勢(shì)為最大。這樣,感應(yīng)電勢(shì)隨著滑尺相對(duì)定尺的移動(dòng)而周期性變化。同理可以得到定尺繞組與滑尺上的余弦繞組C間的感應(yīng)電勢(shì)周期變化圖像,如圖3-15下部所示。圖3-15感應(yīng)電勢(shì)與兩繞組相對(duì)位置關(guān)系感應(yīng)同步器就是利用這個(gè)感應(yīng)電壓的變化來(lái)進(jìn)行位置檢測(cè)的。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,感應(yīng)同步器的測(cè)量方式可分為鑒相測(cè)量方式和鑒幅測(cè)量方式兩種,前者是通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的相位來(lái)測(cè)量位移,后者是通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的幅值來(lái)測(cè)量位移;其工作情況大致與旋轉(zhuǎn)變壓器大致相似,此處不再詳述。六.光柵檢測(cè)系統(tǒng)目前,在高精度的位移檢測(cè)系統(tǒng)中,大量使用光柵作為檢測(cè)反饋元件。光柵與旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同,它是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。常見(jiàn)的光柵從形狀上可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵兩大類。長(zhǎng)光柵用于檢測(cè)直線位移,圓光柵用于檢測(cè)角位移。光柵的檢測(cè)精度比較高,可達(dá)±1μm。(一)光柵的構(gòu)造

光柵檢測(cè)裝置如圖3-16所示,主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成,光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路。圖3-16光柵檢測(cè)系統(tǒng)通常,標(biāo)尺光柵固定在活動(dòng)部件(如工作臺(tái)或絲杠)上,光柵讀數(shù)頭安裝在固定部件上。標(biāo)尺光柵和指示光柵應(yīng)相互平行并保持0.05mm或0.1mm的間隙。由于制造方法和光學(xué)原理的不同,光柵可分為透射光柵和反射光柵。國(guó)內(nèi)機(jī)床上一般采用線紋密度為100、200線/mm的玻璃透射光柵。光柵讀數(shù)頭是位移信號(hào)的檢測(cè)裝置,是光柵與電子線路轉(zhuǎn)接的部件,即位移-光-電轉(zhuǎn)換器。采用一個(gè)光敏元件所得到的光柵信號(hào)只能計(jì)數(shù),不能辨別運(yùn)動(dòng)的方向。因此,為了確定運(yùn)動(dòng)方向,讀數(shù)頭內(nèi)至少要安裝兩個(gè)光敏元件,一般安裝四個(gè)。(二)光柵的工作原理常見(jiàn)光柵都是根據(jù)物理學(xué)莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。莫爾條紋形成的原因,對(duì)于粗光柵主要是擋光積分效應(yīng),對(duì)于細(xì)光柵則是光線通過(guò)線紋衍射后,產(chǎn)生干涉的結(jié)果。粗光柵形成莫爾條紋的原理如圖3-17所示,圖中黑線代表不透光的刻痕,刻痕間是透光的窄縫。當(dāng)指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的線紋成一角度θ放置時(shí),必然會(huì)造成兩光柵尺上線紋相互交叉。在光源照射下,交叉點(diǎn)近旁黑線重疊,減少了擋光面積,擋光效應(yīng)弱,在這個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)亮帶,光強(qiáng)最大。圖3-17光柵莫爾條紋相反,離交叉點(diǎn)遠(yuǎn)的地方,兩光柵不透明黑線的重疊部分減少,擋光面積增大,擋光效應(yīng)增強(qiáng),由光源發(fā)出的光幾乎全被擋住而出現(xiàn)暗帶,光強(qiáng)為零。這些與光柵線紋幾乎垂直的,相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋,其節(jié)距為W。

莫爾條紋具有如下特性:1.當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí),所形成莫爾條紋問(wèn)的光強(qiáng)近似呈正弦分布。2.放大作用。若用W表示莫爾條紋的節(jié)距,d表示光柵刻線的柵距,θ表示兩光柵尺線紋的夾角,則它們之間的幾何關(guān)系為:W=d/tanθ。當(dāng)θ角很小時(shí),取tanθ=θ,上式可近似寫成:W=d/θ。出此可知,莫爾條紋的節(jié)距為光柵柵距的1/θ。由于θ很小,故莫爾條紋的節(jié)距W比柵距d放大了很多倍。例如d=0.0lmm,θ=0.01rad,則由上式可得到W=1mm。這說(shuō)明:不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),便將光柵的柵距放大了100倍,從而大大簡(jiǎn)化了電子放大線路。這是光柵技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)。3.平均效應(yīng)。莫爾條紋是由若干光柵線紋形成的,因而個(gè)別柵線的間距誤差(或缺陷)就平均化了。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),即兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d時(shí),莫爾條紋使相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W,其方向與光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直。而且,若兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變,莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。采用光敏元件(例如光電池)將透過(guò)光柵尺的莫爾條紋光強(qiáng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),則電壓信號(hào)也是按正弦函數(shù)變化的交變信號(hào)。交變電壓信號(hào)每變化一個(gè)周期,表示工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)光柵柵距,其變化頻率代表了工作臺(tái)的移動(dòng)速度,四路信號(hào)的超前滯后關(guān)系反映了工作臺(tái)的移動(dòng)方向。(三)檢測(cè)系統(tǒng)光柵檢測(cè)系統(tǒng)如圖3-16和圖3-18所示。它是一個(gè)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng),由多路信號(hào)采集細(xì)分電路、放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)和辨向電路組成。圖3-18光柵測(cè)量系統(tǒng)放大環(huán)節(jié)常采用差動(dòng)放大器,它將sinφ和-sinφ信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大,得到sinφ信號(hào);將cosφ和-cosφ信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大,得到cosφ信號(hào)。差動(dòng)放大器在對(duì)信號(hào)放大的同時(shí)還可以去掉直流分量,消除由于光敏元件的熱噪聲、光柵刻度不均勻、電壓被動(dòng)等造成的共模干擾。圖3-19是一路差動(dòng)放大電路原理圖。圖3-19差動(dòng)放大器整形環(huán)節(jié)將正弦波轉(zhuǎn)換成相位相同的矩形被。常用圖3-20所示的過(guò)零比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3-20過(guò)零比較器在莫爾條紋的一個(gè)節(jié)距W范圍內(nèi)等間距地放置n個(gè)光敏元件,則在光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí),各光敏元件將輸出n個(gè)相位差依次為360°/n的光電信號(hào)。在將這n個(gè)近似正弦波的光電信號(hào)整形成方波后,可利用其上升沿或下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)脈沖。于是,光柵尺每相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d,就可獲得n個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)脈沖,從而實(shí)現(xiàn)n細(xì)分。這種利用多個(gè)傳感器對(duì)同一被測(cè)量同時(shí)采集多路相位不同的信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的細(xì)分方法稱作多路信號(hào)采集細(xì)分。通常取n=4,四個(gè)光敏元件輸出相位差依次為π/2的光電信號(hào),分別為sinφ、cosφ、-sinφ、-cosφ,其中φ=2πx/d,x是光柵尺的相對(duì)位移量,d是光柵極距。圖3-21(a)光柵信號(hào)的細(xì)分與辨向原理1圖3-21(b)光柵信號(hào)的細(xì)分與辨向原理2如圖3-21(a)所示,為光柵信號(hào)的四細(xì)分與辨向原理。整形器輸出的矩形被又通過(guò)微分電路變成尖脈沖,以作為計(jì)數(shù)脈沖,而未經(jīng)微分電路的矩形脈沖被用作后面“與”門的開門控制信號(hào)。各信號(hào)經(jīng)過(guò)“與”門后分成兩組分別送入兩個(gè)“或”門,上面的“或”門在標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵正向移動(dòng)的每個(gè)周期內(nèi)輸出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。下面的“或”門在標(biāo)尺光柵反向移動(dòng)的每個(gè)周期內(nèi)也輸出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。上述過(guò)程中信號(hào)的波形如圖3-21(b)所示。通過(guò)對(duì)“或”門輸出的脈沖進(jìn)行加、減計(jì)數(shù),便可獲得相對(duì)位移量及位移方向。通過(guò)四細(xì)分,使檢測(cè)分辨率提高了4倍。對(duì)“或”門輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)可采用二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器,正向脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù),反向脈沖信號(hào)位計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0時(shí),工作臺(tái)處于坐標(biāo)原點(diǎn)。七.編碼器檢測(cè)系統(tǒng)編碼器是一種碼盤式角度-數(shù)字檢測(cè)元件。它有兩種基本類型;一種是增量式編碼器,一種是絕對(duì)值式編碼器。增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn),所以目前采用最多。絕對(duì)值式編碼器能直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息,便于計(jì)算機(jī)處理,但當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí),須作特別處理,而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來(lái),組成多級(jí)檢測(cè)裝置,使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。(一)增量式編碼器

增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列

脈沖,然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù),以此來(lái)表示轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量。增量式編碼器的工作原理如圖3-22所示。它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在圓形的主碼盤(光電盤)周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫,形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤與主碼盤平行,并刻有a、b兩組透明檢測(cè)窄縫,它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距,以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90°。工作時(shí),鑒向盤靜止不動(dòng),主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)在光電變換器A、B上就輸出一個(gè)相位差為90°的近似正弦波,經(jīng)邏輯電路處理后用來(lái)判別轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,工作原理如圖3-23所示。圖3-22增量式編碼器工作原理圖3-23增量式編碼器檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)圓盤正轉(zhuǎn)時(shí),光電輸出波形如圖3-23(b)中左邊圖形所示。a比b滯后90°,經(jīng)過(guò)邏輯電路處理后,輸出脈沖信號(hào)f即為正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)。同理,當(dāng)圓盤反轉(zhuǎn)時(shí),輸出反轉(zhuǎn)脈沖倍號(hào)g,見(jiàn)圖3-23(b)中右邊脈沖序列。把此正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)分別輸入到雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器的正、反向計(jì)數(shù)端進(jìn)行計(jì)數(shù),則可得到轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。為了能得到絕對(duì)轉(zhuǎn)角,應(yīng)在起始位置時(shí)對(duì)可逆計(jì)數(shù)器清零。利用增量式編碼器還可以測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速。方法有兩種,分別是應(yīng)用測(cè)量脈沖的頻率和周期的原理。第一種方法的原理如圖3-24(a)所示。時(shí)鐘脈沖在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)打開選通門,同時(shí)在每次計(jì)數(shù)之前清除計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器在給定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)編碼器所產(chǎn)生的脈沖計(jì)數(shù),然后按下式求出轉(zhuǎn)速:式中t是測(cè)速時(shí)間,即采樣時(shí)間;N1是在t時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖數(shù);N是編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。這種方法的測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速有關(guān),當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí),脈沖頻率變低,測(cè)速誤差變大。圖3-24增量式編碼器測(cè)速方法第二種方法是測(cè)量編碼器脈沖間隔時(shí)間,按下式求出轉(zhuǎn)速:式中N2—脈沖間隔數(shù);N—編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù);T—測(cè)量時(shí)間值。此測(cè)量方法的原理見(jiàn)圖3-24(b)。編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)入控制電路,控制電路輸出一個(gè)選通信號(hào),去打開門電路,使開門時(shí)間正好是一個(gè)或多個(gè)脈沖間隔,在這間隔時(shí)間內(nèi),2MHz的時(shí)鐘脈沖被計(jì)數(shù)。每次計(jì)數(shù)前,控制電路對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位。這種方法的測(cè)量精度比第一種方法高,它的測(cè)量誤差只是土1個(gè)時(shí)鐘脈沖。在測(cè)量高轉(zhuǎn)速時(shí),一般以測(cè)多個(gè)脈沖間隔來(lái)提高精度。(二)絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)值式編碼器是通過(guò)讀取編碼盤上的圖案信息來(lái)表示數(shù)值的。它有三種類型:光電編碼器、磁性編碼器和接觸式編碼器。目前使用最多的是光電編碼器。編碼盤是按一定的編碼形式制成的圓盤。圖3-25所示為二進(jìn)制編碼盤,圖中空白的部分透光,用“0”表示;涂黑的部分不透光,用“1”表示。通常把組成編碼的各圈稱為碼道,每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位,里側(cè)是高價(jià),外側(cè)是低位。若編碼盤有四碼道,則從外向里各碼道依次對(duì)應(yīng)為、、、,16個(gè)扇區(qū)分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的0000、0001、0010、…、1111。按照?qǐng)A盤上形成二進(jìn)位的每一碼道配置光電變換器(圖中黑點(diǎn)所示位置),隨著圓盤從后側(cè)用光源照射,則光電變換器可讀取代表圓盤位置的二進(jìn)制數(shù),它可以直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是圖案轉(zhuǎn)移點(diǎn)不明確,將在使用中產(chǎn)生較多的誤差。經(jīng)改進(jìn)后的格雷編碼盤(Gray-code)如圖3-26所示,其特點(diǎn)是,它在由一個(gè)數(shù)碼依次變到相鄰的一個(gè)數(shù)碼時(shí),僅有一位改變,因此它不會(huì)因數(shù)碼改變產(chǎn)生過(guò)渡性干擾,工作穩(wěn)定可靠。光電編碼器檢測(cè)角位移時(shí)分辨率為,n是二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。單個(gè)光電編碼盤目前可做到18位,組合碼盤可達(dá)22位,精度較高。圖3-25二進(jìn)制編碼盤圖3-26格雷編碼盤八.激光干涉檢測(cè)系統(tǒng)激光干涉位移檢測(cè)是利用光的相位調(diào)制原理和光的干涉效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)的。如圖3-27所示,它是由光源、干涉系統(tǒng)、干涉信號(hào)接受系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成。干涉系統(tǒng)一般都是采用邁克爾遜干涉原理,通過(guò)反射鏡M2的移動(dòng)形成的反射光和固定反射鏡反射的反射光形成的兩束具有相位差的頻率相同的激光束進(jìn)行干涉,形成干涉條紋,干涉條紋的明暗變化次數(shù)直接反應(yīng)了M2的移動(dòng)。為了判斷M2的運(yùn)動(dòng)方向,只是一路干涉信號(hào)是不行的,至少要兩個(gè)相差90°的信號(hào)才能判斷,這一點(diǎn)和光電增量碼盤的方向判別原理相似。圖3-27激光干涉檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖3-28所示,通過(guò)將固定反射鏡Ml傾斜一定角度,干涉信號(hào)形成一組一定距離的明暗相間的干涉條紋,在此干涉場(chǎng)上放置兩個(gè)光電探測(cè)器PDl和PD2,并使PDl和PD2的間隔為條紋間距的1/4。這樣,當(dāng)動(dòng)鏡M2移動(dòng)而引起干涉條紋變化時(shí),就可得到兩路相差90°的干涉信號(hào)。這兩組相差90°的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)如圖3-29所示的方法進(jìn)行放大、整形、判向、倍頻細(xì)分處理后進(jìn)行計(jì)數(shù)處理,得到檢測(cè)的位移值。圖3-28圖3-29

3.2.2速度檢測(cè)傳感器速度分直線速度和角速度。速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測(cè)控制中,因此角速度傳感器用得較多。一.測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型發(fā)電機(jī),它的作用是把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號(hào),廣泛用于速度和位置檢測(cè)系統(tǒng)中。

在理想狀態(tài)下,測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓可以用下式表示:Uθ=Kn=KK’dθ/dt式中,KK’-比例常數(shù)(即輸出特性的斜率);n及θ—轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度及轉(zhuǎn)角。可見(jiàn),測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有兩種用途;(1)測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比,因而可以通過(guò)測(cè)量輸出電壓來(lái)得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。(2)如果以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ參數(shù)變量,則測(cè)速發(fā)電機(jī)可作為機(jī)電微分、積分器。測(cè)速發(fā)電機(jī)分為交流和直流兩大類,而交流測(cè)速發(fā)電機(jī)又有同步、異步之分。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的是交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和直流測(cè)速發(fā)電機(jī),下面分別加以介紹。1.交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)(圖3-30)的結(jié)構(gòu)和空心杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)相似,在定子上安放兩組在空間相互成90°角的繞組,其中一個(gè)為勵(lì)磁繞組,接于單相交流電源,另一個(gè)為輸出繞組,接入測(cè)量?jī)x器作為負(fù)載;轉(zhuǎn)子則為杯形結(jié)構(gòu),可看成一個(gè)導(dǎo)條數(shù)非常多的鼠籠轉(zhuǎn)子。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,有以下關(guān)系:測(cè)量出U2的大小就可以得到轉(zhuǎn)速n。圖3-30交流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理2.直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)一般都做成永磁式,它的工作原理如圖3-31所示。在恒定磁場(chǎng)下,當(dāng)電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí),電樞上的導(dǎo)體切割磁力線,從而就在電刷間產(chǎn)生空載感應(yīng)電勢(shì),它的值由下式確定:式中,Ce—電勢(shì)常數(shù),—磁通,n—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。從上式可以看出,空載輸出電壓U=E0。它與轉(zhuǎn)速n成正比。當(dāng)存在負(fù)載電阻Rl和電樞回路總電阻Ra時(shí),則有圖3-31直流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理由上式可以看出,當(dāng)、Ra、Rl不變時(shí),測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U與轉(zhuǎn)速n成正比。當(dāng)然,這里講的只是一種理想情況,實(shí)際上還有一些因素會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,如周圍環(huán)境溫度、磁場(chǎng)畸變、電阻的變化等。為了減少上述影響,直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的磁路應(yīng)選得足夠飽和,同時(shí)還應(yīng)將負(fù)載電流限制在較小的范圍內(nèi)。二.用回轉(zhuǎn)編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速

請(qǐng)參考回轉(zhuǎn)編碼器測(cè)角位移章節(jié)P67。

3.2.3位置傳感器位置傳感器一般用來(lái)檢測(cè)被測(cè)物是否已到達(dá)某一位置,它不需要產(chǎn)生連續(xù)變化的模擬量,只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。這種傳感器常被用在機(jī)床上作為刀具、工件或工作臺(tái)的到位檢測(cè)或行程限制,也常被應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人上。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。一.接觸式位移傳感器這類傳感器用微動(dòng)開關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便可構(gòu)成,它分以下兩種:(1)由微動(dòng)開關(guān)制成的位置傳感器。它用于檢測(cè)物體位置,有如圖3-32所示的幾種構(gòu)造和分布形式。(2)二維矩陣式配置的位置傳感器,如圖3-33所示。它一般用于機(jī)器人手掌內(nèi)側(cè)。在手掌內(nèi)側(cè)常安裝有多個(gè)二值觸覺(jué)傳感器,用以檢測(cè)自身與某一物體的接觸位置,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3-32微動(dòng)式開關(guān)位置傳感器圖3-33二維矩陣式位置傳感器二.接近式位置傳感器接近式位置傳感器分以下幾種:①電磁式;②光電式;③靜電容式;④氣壓式;⑤超聲波式。這幾種傳感器的基本工作原理如圖3-34所示。這五種當(dāng)中使用得最多的是電磁式傳感器,它的工作原理如下:當(dāng)一個(gè)永久磁鐵或一個(gè)通有高頻電流的線圈接近一個(gè)鐵磁體時(shí),它們的磁力線分布將發(fā)生變化,因此,可以用另一組線圈檢測(cè)這種變化。當(dāng)鐵磁體靠近或遠(yuǎn)離磁場(chǎng)時(shí),它所引起的磁通量變化將在線圈中感應(yīng)山一個(gè)電流脈沖,其幅值正比于磁通的變化。圖3-34圖3-35給出了線圈兩端的電壓隨鐵磁體進(jìn)入磁場(chǎng)的速度而變化的曲線,其電壓極性取決于物體進(jìn)入磁場(chǎng)還是離開磁場(chǎng)。因此,對(duì)此電壓進(jìn)行積分便可得出一個(gè)二值信號(hào)。當(dāng)積分值小于一特定的閥值時(shí),積分器輸出低電平;反之,則輸出高電平,此時(shí)表示已接近某一物體。圖3-35顯然,電磁感應(yīng)式傳感器只能檢測(cè)電磁材料,對(duì)其他非電磁材料則無(wú)能為力。而電容傳感器卻能克服以上缺點(diǎn),它幾乎能檢測(cè)所有的固體和液體材料?,F(xiàn)在使用得較多的還有光電斷續(xù)器式位置傳感器,它體積小、可靠性高、檢測(cè)位置精度高、響應(yīng)速度快、易與TTL及CMOS電路兼容等,它分透光型和反射型兩種。在透光型光電傳感器中,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)。這種傳感器的接口電路如圖3-36(a)所示。圖3-36(b)則為反射型。圖3-36(b)(a)

3.2.4壓力傳感器在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中,壓力也常常是需要檢測(cè)的一個(gè)物理量。壓力傳感器分壓阻式、應(yīng)變式和壓電式三種。

壓阻式壓力傳感器是一種利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨其所受壓力的變化而變化的特性制成的傳感器。

應(yīng)變式壓力傳感器是利用壓力的作用使電阻或應(yīng)變片發(fā)生形變,致使它們的電阻發(fā)生變化的特性制成的,通過(guò)檢測(cè)電阻的變化便可檢測(cè)出壓力的變化。

壓電式壓力傳感器是利用電介質(zhì)在受壓力作用時(shí)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,并在表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)來(lái)測(cè)量壓力的一種傳感器。一.壓阻式壓力傳感器

當(dāng)以N型硅為基底采用擴(kuò)散技術(shù)在硅片表面特定區(qū)域形成P型擴(kuò)散電阻時(shí),則A、B兩點(diǎn)間的電阻變化率與其所受應(yīng)力的大小成正比,其比值稱為壓阻系數(shù),結(jié)構(gòu)圖如圖3-37所示。這種壓力傳感器的檢測(cè)電路為一惠斯登電橋,如圖3-38所示。外加直流電壓U,當(dāng)Rs的壓阻系數(shù)為ΔR/R時(shí),Rc的壓阻系數(shù)為-ΔR/R,則輸出為從上式可以看出,電橋輸出與ΔR/R成正比,也就是與壓力成正比,同時(shí)也與激勵(lì)電壓U成正比。因此U的大小及其穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量精度有很大影響。這種傳感器的測(cè)量精度還在很大程度上受環(huán)境溫度的影響,因此在要求較高的地方必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償,其方法是在電橋的兩個(gè)臂上各并接一個(gè)電阻。圖3-37圖3-38二.應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變片的電阻變化量正比與其綜合變形量。應(yīng)用應(yīng)變片時(shí),通常都接成四片應(yīng)變片組成的電橋,這樣可以消除溫度變化所帶來(lái)的影響和增加靈敏度。如圖3-39所示,在一個(gè)懸臂的兩邊分別貼上應(yīng)變片R1、R2、R3和R4,其測(cè)量電路則如圖3-40所示。由于力F的作用,使得R1、R4的阻值增加,而R2、R3的阻值減小。由電子學(xué)知識(shí)可得圖3-39圖3-40三.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器是一種利用石英晶體、壓電陶瓷等材料的電效應(yīng)來(lái)測(cè)量壓力的有源雙向機(jī)電傳感器。壓電式傳感器是通過(guò)壓電元件產(chǎn)生的電荷量大小來(lái)反映壓力大小的。因此,它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。同時(shí),當(dāng)正、負(fù)電荷集聚于壓電晶體的兩個(gè)表面時(shí),它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器。為了對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行采集,并對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理,它必須帶負(fù)載。為了消除干擾的影響,一般都要對(duì)壓電晶體的輸出進(jìn)行處理。圖3-41為一套較為完整的具有放大作用的壓電晶體的輸出電壓處理電路。圖3-41

3.2.5溫度傳感器

3.2.6聲敏傳感器3.3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1模擬信號(hào)的檢測(cè)3.3.2數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)3.3.3檢測(cè)信號(hào)的采集與預(yù)處理

3.3.1模擬信號(hào)的檢測(cè)一.模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成模擬式傳感器是目前應(yīng)用最多的傳感器,其輸出是與被測(cè)物理量相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電信號(hào)。典型的模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)如圖3-50所示。圖3-50模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的典型組成在圖3-50中,振蕩器用于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,并為解調(diào)提供參考信號(hào);量程切換電路的作用是避免放大飽和并滿足不同測(cè)量范圍的需要;解調(diào)器用于將已調(diào)制信號(hào)恢復(fù)成原有形式;濾波器可將無(wú)用的干擾信號(hào)濾除,并取出代表被測(cè)物理量的有效信號(hào);運(yùn)算電路可對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理,以正確獲得所需的物理量,其功能也可在對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后由數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn);計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理后,可獲得相應(yīng)的信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),或?qū)⒂嘘P(guān)信息送去顯示或打印輸出。在具體機(jī)電一體化產(chǎn)品的檢測(cè)系統(tǒng)中,也可能沒(méi)有上圖中的某些部分或增加一些其它部分。二.基本轉(zhuǎn)換電路

被測(cè)物理量經(jīng)傳感器變換后,往往成為電阻、電容、電感等電參數(shù)的變化,或電荷、電壓、電流等電量的變化。當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)是電參數(shù)形式時(shí),需采用基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電量形式,然后再送入后續(xù)檢測(cè)電路。常用的基本轉(zhuǎn)換電路有分壓電路(圖3-51)、差動(dòng)電路(圖3-52)和非差動(dòng)橋式電路(圖3-53)等。圖3-51常用分壓電路圖3-52常用差動(dòng)電路圖3-53非差動(dòng)橋式電路三.信號(hào)放大電路信號(hào)放大電路,亦稱放大器,用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出的微弱信號(hào)不失真地加以放大,以便于進(jìn)一步加工與處理。常用的放大器有高輸入阻抗放大器、高共模抑制比放大器等。圖3-54信號(hào)放大器(a)同相輸入放大器(b)高共模抑制比差動(dòng)放大器UiR1R2RfUo-+Ui2R1R2RfUo-+Ui1R3四.信號(hào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)方法被廣泛應(yīng)用于通信中,以便給不同的信號(hào)賦予不同的特征,將它們相互區(qū)別開來(lái)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中也常采用這種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),以防止干擾信號(hào)對(duì)檢測(cè)精度的影響。例如,采用特定頻率的交流電源對(duì)電感傳感器供電,或?qū)?nèi)應(yīng)變片、熱敏電阻等組成的橋路供電,其目的都是為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大后,還需通過(guò)解調(diào)(或稱檢波)的方法將其還原成原始信號(hào),以獲得被測(cè)物理量及其變化的信息。常用的信號(hào)調(diào)制方法有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻等。五.濾波器濾波器是一種具有選頻功能的裝置,在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛。其具體功用是:①濾除在信號(hào)放大和傳輸過(guò)程中引入的噪聲和干擾。②濾除在信號(hào)調(diào)制過(guò)程中的載波等無(wú)用信號(hào)。②將不同頻率的有用信號(hào)分開。④對(duì)系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。濾波器種類繁多,相應(yīng)地也有多種分類方法。按照所處理信號(hào)形式的不同,可將濾波器分為模擬式濾波器和數(shù)字式濾波器,其中模擬濾波器又有機(jī)械式和電氣式兩類;按照所采用元器件的不同,又可分為無(wú)源濾波器和有源濾波器;按照所選通的信號(hào)頻率范圍的不同,還可分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種;此外還可根據(jù)濾波器傳遞函數(shù)的階次將其分為一階、二階、高階濾波器。圖3-55各種濾波器的幅頻特性六.運(yùn)算電路運(yùn)算電路是能對(duì)信號(hào)運(yùn)算處理的電路,根據(jù)信號(hào)形式的不同可分為模擬和數(shù)字運(yùn)算電路兩種。由于計(jì)算機(jī)的普及和許多眾所周知的優(yōu)點(diǎn),數(shù)字運(yùn)算電路的應(yīng)用越來(lái)越廣。但模擬運(yùn)算電路具有直接、簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快等特點(diǎn),對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的運(yùn)算,仍常采用模擬運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的有各種基于運(yùn)算放大器的加、減、乘、除、積分、微分運(yùn)算電路。

3.3.2數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)一.絕對(duì)碼檢測(cè)電路傳感器輸出的編碼與被測(cè)量一一對(duì)應(yīng),稱為絕對(duì)碼。絕對(duì)碼檢測(cè)系統(tǒng)如圖3-56所示。每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)光電元件讀出.經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和放大整形后,得到與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的編碼。糾錯(cuò)電路糾正由于各個(gè)碼道刻劃誤差而可能造成的粗誤差。采用循環(huán)碼(格雷碼)傳感器時(shí)則先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼,再譯碼輸出。二.增量碼檢測(cè)電路光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等傳感器輸出增量圖3-56絕對(duì)碼數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)圖3-57增量碼數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)碼信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)的典型組成如圖3-57所示。傳感器的輸出經(jīng)放大、整形后形成數(shù)字脈沖信號(hào)。為了提高儀器的分辨率,常常采用細(xì)分的方法,使傳感器的輸出變化1/n周期時(shí)計(jì)一個(gè)數(shù),n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分電路還常同時(shí)完成整形作用。在某些情況下,例如利用激光干涉測(cè)長(zhǎng),工作臺(tái)每移動(dòng)半波長(zhǎng)λ/2,信號(hào)變化一個(gè)周期,λ為一個(gè)不便讀出的量,為便于讀出,需要進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。辨向電路用于辨別工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向,以正確進(jìn)行加法或減法計(jì)數(shù)。需要采樣時(shí),手動(dòng)或由指令傳感器發(fā)出瞄準(zhǔn)采樣信號(hào),將所計(jì)數(shù)值送入鎖存器,直接或經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后,驅(qū)動(dòng)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。常用的細(xì)分與辨向電路有如下幾種:(1)多路信號(hào)采集細(xì)分與辨向。光柵檢測(cè)系統(tǒng)就是采用這種電路。(2)電阻鏈移相細(xì)分與辨向。(3)鎖相倍頻紉分與辨向。(4)脈沖填充細(xì)分與辨向。詳細(xì)內(nèi)容,請(qǐng)參考課本P113~122。

3.3.3檢測(cè)信號(hào)的采集與預(yù)處理在機(jī)電一體化產(chǎn)品中,控制和信息處理功能多數(shù)采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),因此檢測(cè)信號(hào)一般都要被采集到計(jì)算機(jī)中作進(jìn)一步處理,以便獲得所需的信息。信號(hào)的采集是按一定方式或通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐穼?shí)現(xiàn)的。信號(hào)被采入計(jì)算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,其目的是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾,并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。一.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入1.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式主要有四種,如圖3-58所示。(a)是最簡(jiǎn)單的一種方式。這種方式僅適用于只有一路檢測(cè)信號(hào)的場(chǎng)合。圖(b)所示多路檢測(cè)信號(hào)共用一個(gè)

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