1、第第2章章 机电一体化的单元技术机电一体化的单元技术2.3 2.3 传感检测技术传感检测技术2.3.1 传感器的分类及特性2.3.2 位移检测传感器2.3.1传感器的分类及特性1.1.传感器工作机理传感器工作机理 传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。传感器的开发。守恒定律守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。场的定律场的定
2、律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可称为定律的传感器可称为“结构型传感器结构型传感器”物质定律物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守：表示物质本身内在性质的定律。遵守物质定律的传感器称为物质定律的传感器称为“物性型传感器物性型传感器”统计法则统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。的法则。2.2.传感器的分类传感器的分类按被测量分类按被测量分类 该分类法明确了传感器的用途，便于使用者选择传感器，如位移该分类法明确了传感器的用途，便于使用者选择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器
3、、速度传传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、速度传感器等。感器等。温度传感器压力传感器扭矩传感器角位移传感器位移传感器按工作原理分类按工作原理分类 该分类法清楚地该分类法清楚地 表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用，如电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。应用，如电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。压电式加速度传感器激光位移传感器光纤式位移传感器超声波位移传感器电感式位移传感器按工作机理分类按工作机理分类 物性型：依靠敏感元件本身的物性型：依靠敏感元件本身的物理化学性质的变物理化学性质的变化实现信号
4、转换。化实现信号转换。如压阻式传感器、压电式传感器如压阻式传感器、压电式传感器等。等。结构型结构型：依靠传感器依靠传感器结构参数的变化实现信号转结构参数的变化实现信号转换换。如电容式、电感式传感器等。如电容式、电感式传感器等。按基本效应分类按基本效应分类 物理型：物理型：利用某些变换元件的利用某些变换元件的物理性质或某些功物理性质或某些功能材料的特殊性能能材料的特殊性能制成的传感器。如制成的传感器。如PN温度传感器。温度传感器。化学型：利用电化学反应原理把有机和无机的化化学型：利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。
5、如接触燃烧气敏传感器等。如接触燃烧气敏传感器等。生物型：生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。如酸度计传感器等。感器。如酸度计传感器等。按能量转换关系分类按能量转换关系分类 能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器）能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器）不需要外加电源而将被测量转化为电量输出不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其，但其负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电式传感器等。式传感器等。能量控制型（有源型、被动型传感器）能量控制型（有源型、被动型传感器）需要外加电源才能将被测信号转换
6、为电量需要外加电源才能将被测信号转换为电量，能量控，能量控制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感）制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感）不起换能作用。不起换能作用。按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类 模拟式模拟式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此：传感器输出模拟信号。大多传感器如此 数字式数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感：传感器输出数字信号。如编码器式传感器。器。工程习惯上工程习惯上常根据常根据工作原理和被测量量命名传工作原理和被测量量命名传感器感器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。3.3.传感器数学模型（描述方
7、法）传感器数学模型（描述方法）传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它能能按照一定的规律输出有用信号按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究，因此，需要研究其输出其输出-输入关系及特性。输入关系及特性。最有效的描述方法是传最有效的描述方法是传感器的数学模型。感器的数学模型。由于传感器可以测量由于传感器可以测量时不变信号时不变信号和和时变信号时变信号，所以应该以带随机变量的作为数学非线性微分方程所以应该以带随机变量的作为数学非线性微分方程模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感模型。这样在数学上有困难，所以，实际上把传感器的静态特性和动态特性分开考虑
8、，从而有器的静态特性和动态特性分开考虑，从而有静态模静态模型型和和动态模型动态模型。1.1.静态数学模型静态数学模型 指在静态信号作用下（即输入量对时间指在静态信号作用下（即输入量对时间t t的各阶导的各阶导数等于数等于0 0）得到的数学模型。其静态数学模型为）得到的数学模型。其静态数学模型为非非线线性性项项待待定定常常数数。传传感感器器的的灵灵敏敏度度；传传感感器器零零位位输输出出；输输出出量量；输输入入量量；式式中中nnnaaaayxxaxaxaay1102210 xay133221xaxaxay55331xaxaxay44221xaxaxay(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d
9、)表示输出与输入量之间的关系曲线称为表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线特性曲线2.2.动态数学模型动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变输入量作用时，其输出输入之间的关系，通常称输入量作用时，其输出输入之间的关系，通常称为为响应特性响应特性。有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变化速度等有关，所以将导致化速度等有关，
10、所以将导致严重的动态误差严重的动态误差，这就，这就必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：微分微分方程方程、传递函数传递函数、频率响应函数频率响应函数。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.（1 1）微分方程微分方程（时域内）（时域内）优点优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。响应。通解通解仅与传感器本身特性及初始条件有关仅与传感器本身特性及初始条
11、件有关；特解特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入不仅与传感器的特性有关，而且还与输入量有关。量有关。缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时显得更不方便。感器的特性时显得更不方便。（2 2）传递函数传递函数（复数域内）（复数域内）在数学上，如果运用在数学上，如果运用拉普拉斯变换拉普拉斯变换将时域的数学将时域的数学模型转换成复数域的数学模型，就得到模型转换成复数域的数学模型，就得到传递函数传递函数。上述微分方程在初始条件为零时，输出上述微分方程在初始条件为零时，输出y(t)拉氏拉氏变换变换Y(S)和输入和输入x(t)的拉氏变换的拉氏变换
12、X(S)之比，即为传递之比，即为传递函数函数G(S)。01110111)()()(aSaSaSabSbSbSbSXSYsGnnnnmmmm其中其中 jS 传递函数传递函数G(S)G(S)用于描述系统本身固有的特性，用于描述系统本身固有的特性，而与输入量无关。而与输入量无关。（3 3）频率响应函数频率响应函数（频域内）（频域内）对于传感器或系统，其频率响应函数为：初始条件为对于传感器或系统，其频率响应函数为：初始条件为零时，输出的零时，输出的傅立叶变换傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比，和输入的傅里叶变换之比，即即01110111)()()()()()()()(ajajajabjbjbjbSGjG
13、nnnnmmmmjS 如将如将 G(G(jj)的实部和虚部分开，则有的实部和虚部分开，则有 G(G(jj)=P()+P()+j jQ()Q()其中，其中，P()P()和和 Q()Q()都是都是的实函数，以频率的实函数，以频率为为横坐标，以横坐标，以P()P()和和Q()Q()为纵坐标所绘的图形分别称为纵坐标所绘的图形分别称为系统的为系统的实频特性图与虚频特性图实频特性图与虚频特性图。又若将又若将G(G(jj)写成写成 G(j)=A()eG(j)=A()ej()j()其中其中 )()()()()()()(22 PQarctgQPjGA分别称为分别称为幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性。4.传感
14、器的特性分析传感器的特性分析 传感器的特性主要是指其输出与输入之间的传感器的特性主要是指其输出与输入之间的关系，有静特性和动特性之分。关系，有静特性和动特性之分。传感器的静特性传感器的静特性 静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或或变化极慢时，输出与输入的关系。变化极慢时，输出与输入的关系。衡量传感器静态特性的主要技术指标有衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度线性度、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精确度性、
15、漂移、精确度等。等。（1 1）线性度线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。若在标称（全量程）输出范围若在标称（全量程）输出范围A A内，标定曲线偏离内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为拟合直线的最大偏差为B B，则定义非线性度为，则定义非线性度为 线性度线性度=(B/A)=(B/A)100%100%线性度图线性度图 拟合直线（拟合直线（理论直线法、端点理论直线法、端点平移法、端点线法、最小二乘平移法、端点线法、最小二乘法法）该如何确定，目前国内外）该如何确定，目前国内外尚无统一的标准。较常用的是尚无统一的标准。较常用的是最小二乘法最小二乘法
16、 。（2 2）迟滞迟滞 传感器在正传感器在正(输入量增大输入量增大)反反(输入量减小输入量减小)行行程中输出输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞误程中输出输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞误差一般以正反行程中输出的最大偏差量与满量程差一般以正反行程中输出的最大偏差量与满量程输出之比的百分数表示，即输出之比的百分数表示，即%100FSmHH 迟滞特性迟滞特性迟滞特性一般由实验方法确定。迟滞特性一般由实验方法确定。（3 3）重复性重复性 指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。重复性误差变动时所得的特性曲线不一致的程度。重复性误差
17、常用满量程输出的百分数表示。常用满量程输出的百分数表示。正行程的最大重复性偏正行程的最大重复性偏差差为为R Rmax1max1，反行程的最大重复，反行程的最大重复性偏差为性偏差为R Rmax2max2。重复性误差。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者取这两个最大偏差之中较大者为为R Rmaxmax，与满量程输出之比，与满量程输出之比的百分数表示，即的百分数表示，即%100maxFSRyR （4 4）灵敏度灵敏度 传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变化量之比即为其灵敏度。灵敏度表示传感器对被测化量之比即为其灵敏度。灵敏度表示传感器对被测变化量的反应能力
18、。线性传感器的灵敏度就是拟合变化量的反应能力。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即直线的斜率，即xyk 非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为非线性传感器的灵敏度不是常数，可表示为dxdyk（5 5）分辨力与阈值分辨力与阈值 分辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测是指传感器在规定测量范围内所能检测出出被测输入量的最小变化值被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满。有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，则称为量程输入值之百分数表示，则称为分辨率分辨率。阈值阈值是使传感器的是使传感器的输出端产生可测变化量的最输出端产生可测变化量的最小被测输入量值小被测输入量值，即零点附近的分辨力
19、。，即零点附近的分辨力。有些传感器在零位附近有严重的非线性，形成有些传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓所谓“死区死区”，则将该，则将该“死区死区”的大小作为阈值。的大小作为阈值。（6 6）稳定性稳定性 稳定性稳定性又称长期稳定性，即传感器在长时间内又称长期稳定性，即传感器在长时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。表示。（7 7）漂移漂移 漂移漂移是指在一
20、定时间间隔内，传感器的输出存是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移时间漂移和和温温度漂移。时漂度漂移。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；随时间有缓慢的变化；温漂温漂是指由周围温度变化所是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。引起的零点或灵敏度的变化。（8 8）静态误差静态误差(精确度精确度)静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输静态误
21、差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。是系统误差与随出值与其理论输出值的偏离程度。是系统误差与随机误差综合影响程度的评价指标。机误差综合影响程度的评价指标。nniyn12)(11 静态误差的求取方法如下：把全部校准数据与拟合静态误差的求取方法如下：把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差，即准偏差，即取取22或或33值即为传感器的静态误差。值即为传感器的静态误差。静态误差是一项综合性指标，它基本上包含了静态误差是一项综合性指标，它基本上包含了前述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。所前述的非线
22、性误差、迟滞误差、重复性误差等。所以以也可以把这几个单项误差综合而得，即也可以把这几个单项误差综合而得，即222RHL 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的的响应特性。响应特性。传感器的动态特性取决于传感器本身及传感器的动态特性取决于传感器本身及输入信号的形式输入信号的形式。因此，工程上常采用正弦函数和。因此，工程上常采用正弦函数和单位阶跃函数作为单位阶跃函数作为“标准标准”信号函数，对传感器的信号函数，对传感器的动态特性进行分析，从而确定评价传感器动态特性动态特性进行分析，从而确定评价传感器动态特性的指标。的指标。传感器的动态特性传感器的动态特性（1
23、 1）频率响应特性频率响应特性 传感器的频率响应函数为传感器的频率响应函数为01110111)()()()()()()()(ajajajabjbjbjbSGjGnnnnmmmmjS 对系统输入正弦激励信号对系统输入正弦激励信号x(x)=Asin(2ft)x(x)=Asin(2ft)，在系统，在系统达到稳态后，测量输出和输入的达到稳态后，测量输出和输入的幅值比和相位差。幅值比和相位差。这样可这样可以得到频率以得到频率f f下系统的传输特性。从系统的最低测量频率下系统的传输特性。从系统的最低测量频率fminfmin到系统的最高测量频率到系统的最高测量频率fmaxfmax，按一定的增量方式逐步，按一
24、定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率增加正弦激励信号频率f f，记录各频率对应的幅值比和相位，记录各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线幅频和相频特性曲线。频域指标可以用幅频特性和相频特性描述（2 2）阶跃响应特性阶跃响应特性 对一阶系统来说，对系统输入对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，阶跃信号，测得测得系统的响应信号。取系统输出值达到最终稳态值的系统的响应信号。取系统输出值达到最终稳态值的63%63%所经过的时间作为时间常数。所经过的时间作为时间常数。对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，
25、测得系统的响应信号。从而可以测出系统的动态特性参系统的响应信号。从而可以测出系统的动态特性参数。数。二阶系统的脉冲输入和响应 二阶系统的阶跃输入和响应 两种典型的输入响应：5.传感器的标定与校准传感器的标定与校准传感器的标定传感器的标定 传感器系统设计好后，其输出与输入的关系并传感器系统设计好后，其输出与输入的关系并不知道，只有通过标定才能获得。不知道，只有通过标定才能获得。利用利用标准设备标准设备产生已知的非电量（标准），或产生已知的非电量（标准），或用用基准量基准量来确定传感器电输出与非电量输入关系的来确定传感器电输出与非电量输入关系的过程，称为标定。过程，称为标定。（1 1）标定设备）标
26、定设备 标准信号发生器、输出信号测试仪器。标准信号发生器、输出信号测试仪器。（2）静态标定）静态标定 输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算出传感器出标定曲线、标定方程和标定常数，计算出传感器（系统）的静态特性。（系统）的静态特性。（3 3）动态标定）动态标定 用于确定传感器的动态性能指标。用于确定传感器的动态性能指标。传感器的校准传感器的校准 传感器需要定期检测其基本性能参数，以判定传感器需要定期检测其基本性能参数，以判定其是否可以继续使用。若能继续使用，则应对其变其是否可以继续使用。若能继续使用，则应对其变化的主
27、要指标进行修正。确定传感器的测量精度的化的主要指标进行修正。确定传感器的测量精度的过程，称之为传感器的校准。过程，称之为传感器的校准。机电一体化系统对检测系统传感器的基本要求机电一体化系统对检测系统传感器的基本要求v体积小、重量轻、对整机的适应性好体积小、重量轻、对整机的适应性好v精度和灵敏度高、响应速度快、稳定性好、信噪比精度和灵敏度高、响应速度快、稳定性好、信噪比高高v安全可靠、寿命长安全可靠、寿命长v便于与计算机连接便于与计算机连接v不易受被测对象的影响，也不影响外部环境不易受被测对象的影响，也不影响外部环境v对环境条件适应能力强对环境条件适应能力强v现场处理简单、操作性能好现场处理简单
28、、操作性能好v价格便宜价格便宜6.改善传感器性能的主要技术途径改善传感器性能的主要技术途径 传感器性能指标多方面，企图要求各指标都传感器性能指标多方面，企图要求各指标都很高，不论是设计或是制造都很困难，实际也没很高，不论是设计或是制造都很困难，实际也没有必要。在应用时，可以确保主要性能指标，放有必要。在应用时，可以确保主要性能指标，放宽次要性能指标，以提高传感器的性价比。同时，宽次要性能指标，以提高传感器的性价比。同时，在设计和使用传感器时，还可以采取一些技术措在设计和使用传感器时，还可以采取一些技术措施改善传感器的性能。主要有：施改善传感器的性能。主要有：1.1.差动技术差动技术 设有一传感
29、器，其静态数学模型为设有一传感器，其静态数学模型为用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反，则用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反，则21012 nnyaa xa xa x它的输出为它的输出为二者相减得二者相减得于是，有于是，有 消除了零位输出；消除了零位输出；消除了偶次非线性项，得到对称于原点的相当消除了偶次非线性项，得到对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性；宽的近似线性范围，减小了非线性；灵敏度提高了一倍；灵敏度提高了一倍；抵消了共模误差。抵消了共模误差。以上即为以上即为差动技术，目前广泛应用于电阻式、差动技术，目前广泛应用于电阻式、电感式、电容式传感器中。电感式、电容式传感
30、器中。232012 ()nnyaa xa xaxax3512135 2()yyya xa xa x 2.2.平均技术平均技术 常用的平均技术主要有误差平均效应和数据平常用的平均技术主要有误差平均效应和数据平均处理。均处理。误差平均效应原理误差平均效应原理：利用：利用n传感器单元同时感传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。假设每个单元带来的随机误差为假设每个单元带来的随机误差为0，根据误差理论，根据误差理论，总的误差将为总的误差将为 误差平均效应在栅状传感器（光栅、感应同误差平均效应在栅状传感器（光栅、感应同步器、磁栅、容栅）得到
31、广泛应用。步器、磁栅、容栅）得到广泛应用。数据平均处理数据平均处理：在相同的条件下进行：在相同的条件下进行n次重复次重复测量或测量或n次采样，然后进行数据平均处理，随机误次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小为差也将减小为0n 1n3.稳定性技术稳定性技术 4.屏蔽、隔离与干扰抑制技术屏蔽、隔离与干扰抑制技术5.补偿校正技术补偿校正技术6.集成化与智能化技术集成化与智能化技术7.合理选择传感器合理选择传感器2.3.2 位移检测传感器位移检测传感器线位移检测传感器线位移检测传感器v一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器v二、感应同步器二、感应同步器光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和结构
32、一、光栅的类型和结构 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。栅和圆光栅。光栅用于数控机床作为检测装置，已有光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年几十年的历史，用的历史，用以测量以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。其分辨率等。其分辨率高达纳米级高达纳米级,测量速度高达测量速度高达480m/min,测量行程高达测量行程高达100m.它它是数控机床是数控机床闭环
33、闭环系统用得较多的一种检测装置。系统用得较多的一种检测装置。透射式光栅透射式光栅v玻璃玻璃透射光栅透射光栅 光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单;刻线密度大100条/mm,细分后，分辨率达微米级;易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度.透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定反射式光栅反射式光栅金属金属反射光栅反射光栅 钢尺、钢带 照相腐蚀、钻石刀刻划 热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅扫描头扫描头光
34、栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源标尺光栅（长光栅）标尺光栅（长光栅）指示光栅（短光栅）指示光栅（短光栅）莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡
35、光作用而形成暗带。光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度L L LW/，（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度）夹角，弧度）v2、工作原理、工作原理ddffddBffddW/2WddW/2指示光栅标尺光栅v莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：v1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动过一个条过一个条纹间距纹间距B v2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的
36、间距B与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为v3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。WWB2sin2v 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，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，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。所示。亮度 电压 光栅位移 O 光栅位移 光栅的实际亮度变化光栅的实际亮度变化 光栅的输出波形图光栅的输出波形图U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0辨向电路及波形辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移则在实际
37、应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。同的正弦信号，无法分辨位移的方向。例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反圈，反转转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到错误地得到(10+4)1024 14336个脉冲，个脉冲，而正确值为：而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。提高光栅分辨精度的措施提高光栅分辨精度的措施 1）提高刻线精度和增加刻线密度）提高刻线精度和增加刻线密度 2）倍频）倍频 常用常用四倍频方案四倍频方案 光栅刻线密度为光
38、栅刻线密度为50线线mm，采用，采用4个光电元件和个光电元件和4个隙缝个隙缝，每隔，每隔14光栅节距产生一光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。个脉冲，分辨精度可提高四倍。v 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉将此电压信号放大、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。率等于栅距。光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（2 2个个自由度）自由度）光栅在机床上的安装位置（光
39、栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表v1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器4lv 包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为一般为2mm)的方的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两齿形线圈。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。当个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，节距。
40、滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（0.050.2mm）。）。二、感应同步器二、感应同步器v2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理v 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为为f的感应电动势。的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。尺的相对位置有关。v 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距为，节距为T，则正弦绕组单独，则正弦绕组
41、单独供电时，在定尺上感应电势为供电时，在定尺上感应电势为二、感应同步器二、感应同步器cos360cos2ssKUTxKUUov余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器二、感应同步器sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUUv式中式中：vK定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；v 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）度）vT节距，表示直线感应同步器的周期，标准节距，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式直线感应同步器的节距为2mm。v 利用感应电压
42、的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行，从而进行位置检测位置检测。二、感应同步器二、感应同步器TxTx2360)(ov3.测量方法测量方法v 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出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电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。二、感应同步器二、感应同步器v(1)鉴相式工作法鉴相式工作法v 滑尺的两个励磁绕组分别施加滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同相同频率和相同幅值，但相位相差幅值，但相位相差90o的两个电压的两个电压，设，设二、感应同
43、步器二、感应同步器tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo360二、感应同步器二、感应同步器v(2)鉴幅工作法鉴幅工作法v 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压相同相位，但幅值不等的两个交流电压：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(222角位移检测传感器角位移检测传感器v一、旋转变压器一、旋转变压器v二、光电编码器二、光电编码器v1.结构如图所示结构如图所示v 旋转变压器一般做旋转变压器一般做v成两极电机的形式。
44、成两极电机的形式。v在在定子上有激磁绕组定子上有激磁绕组v和辅助绕组和辅助绕组，它们的，它们的v轴线相互成轴线相互成90。在。在v转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组v正弦输出绕组和余弦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这两个绕组的轴线也互成90，一般，一般将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。）短接。一、旋转变压器一、旋转变压器Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z4v2.原理原理v 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率由定子和转子组成。当以一定频率（频率通
45、常为通常为400Hz、500Hz、1000Hz及及5000Hz等几等几种）的激磁电压加于定子绕组时，种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电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。一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移大角位移的绝对测量的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用；后一种称为线性旋转变压器，适用于于小角位移的相对测量小角位移的相对测量。一、旋转变压器一、旋转变压器v3.测量方式测量方式v当定子绕组中分别
46、通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势得到感应电势U3，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，U3值为激值为激磁电压磁电压U1和和U2的感应电势之和，即的感应电势之和，即一、旋转变压器一、旋转变压器tUUmsin1tUUmcos2)cos()90sin(sin213tkUkUkUUmov 线性旋转变压器线性旋转变压器实际上实际上也是正余弦旋转变压器，也是正余弦旋转变压器，不同的是线性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采用了特定的变压比k和和接线方式，接线方式，
47、如右图。这样如右图。这样使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内（一般为（一般为60），），其输其输出电压和转子转角出电压和转子转角成线成线性关系。性关系。此时输出电压为此时输出电压为一、旋转变压器一、旋转变压器cos1sin13kkUU3DZ2U11DZ43D24DU3Z1Zv编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测的传感器。v编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。v光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。二、光电编码器（脉冲编码器）二、光电编码器（脉冲编码器）光电编码器的特点光电编码器的特点
48、非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。光电编码器外形光电编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）其他光电编码器外形（续）其他光电编码器外形（续）拉线式拉线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。1、增量式脉冲编码器结构及工作原理 转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栅板及辨向用的光栅板及辨向用的A、B狭缝狭缝LE
49、DABC零位标志零位标志ABCv增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理v 鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检两组透明检测窄缝，它们彼此错开测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使节距，以使A、B两个两个光电变换器的输出信号在相位上相差光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作。工作时，时，鉴向盘静止不动鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电
50、压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器器A、B的输出电压相位差为的输出电压相位差为90。经逻辑电路处。经逻辑电路处理就可以理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向测出被测轴的相对转角和转动方向。二、光电编码器二、光电编码器v增量式增量式编码器结构编码器结
