第六章 检测系统技术.doc

本文由沈江宏yes贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第六章 检测系统技术 6.1 检测技术概述 一,作用及其组成 是机电一体化系统的一个重要组成部分,将机电一体化系统自身的,作 业对象的,作业环境的工作状态参数进行检测,并将检测到的状态参数 从物理变化量变为电信号,提供给信息处理及控制系统,以有效的控制 机电一体化系统执行机构的动作. 机电一体化一体化系统检测系统实质: 非电量 电量 显示 检测系统组成原理如下图: 6.1 检测技术概述 显示器 非电量 传感器 电量 信号处 U0(I0 ,f) 理电路 数据处 理装置 执行 机构 传感器的作用:用于检测各种物理量(如位移,速度,角度,力,力矩 传感器的作用:用于检测各种物理量(如位移,速度,角度,力,力矩 压力,温度等),并转化为电量信号(如电压,电流,电容,电感)输 出; 信号处理电路的作用:将传感器输出的电量变成具有一定功率的电压, 信号处理电路的作用:将传感器输出的电量变成具有一定功率的电压, 电流或频率信号,以推动后级的显示电路,数据处理电路等; 数据处理装置:用来对测量结果处理,计算,分析,数据处理信号通常 数据处理装置:用来对测量结果处理,计算,分析,数据处理信号通常 送到执行机构或显示器中去,以控制被控对象及显示处理的各种数据. 6.1 传感器的功能及分类 检测技术概述 二,检测系统的传感器 传感器(sensor sensor)也叫变换器(transducer transducer),换能器,探测器,其输出 sensor transducer 的信号有不同的形式:电压,电流,频率,脉冲 电压,电流,频率,脉冲等,以满足信息的传输 ,处理,记录,显示,控制等要求. 敏感作用(被测对象 信号拾取) 两个功能: 变换作用(被测非电量 电量输出) 分类 按 输 出 信 号 性 质 分 6.1 传感器的功能及分类 按工作原理不同分 检测技术概述 物理型传感器:利用一些材料物理特性变化(如集成传感器),有潜力 结构型传感器:利用弹性片,金属片,电容电感等结构元件(如一 般的电阻,电容,电感传感器) 传感器的选用 传感器千差万别,测量同一种测定量,可以采用不同工作原理的传感器, 注意以下几个方面: 测量条件 测量的目的;测定量的选定;测量的范围;输入信号的带宽;要求的精 度;测量所需时间等 传感器的性能 6.1 检测技术概述 精度;响应速度;稳定性;模拟还是数字信号;输出量及电平;被测对 象特征的影响;校准周期;过载输入保护等 传感器的使用条件 放置的场所;环境(温度,湿度,振动);测量的时间(寿命周期); 传输距离;与设备连接方式;供电电源;价格 三,模拟式和数字式传感器检测系统 模拟式检测系统 电阻,电容,电感,压电,磁电,热电式等传感器输出模拟信号,其检 测系统如图示: 6.1 检测技术概述 振荡器 传感器 运算电路 量程变换 放大器 解调器 显示, 显示, 执行机构 滤波器 A/D 计算机 振荡器用于对传感器信号调制,以提高输出信号的抗干扰能力; 并对解调 提供参考信号,解调是使信号恢复原有形式. 有的传感器可不进行调制与解调,直接阻抗匹配,放大,滤波等. 数字式检测系统 光栅,磁栅,光电编码器,激光干涉仪等传感器输出增量码信号,信号 增量码信号, 增量码信号 变化的周期与被测位移成正比的信号,其检测系统如图示: 6.1 整 形 电 路 检测技术概述 细 分 电 路 变 换 电 路 计 数 器 计 算 机 显示 执行 机构 传 感 器 放 大 器 辨向电路 传感器输出多为正弦波信号,经放大,整形后变成数字脉冲信号, 进入计数器,计算机,为提高分辨率,采取细分电路; 辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数; 脉冲信号所对应的被测来年感不便于读出和处理时,需进行脉冲当 量变换电路. 三,模拟式和数字式检测系统比较 6.1 检测技术概述 模拟式系统:精度低,易受干扰影响,不便于长距离传输,有A/D转换, 成本高 数字式系统:分辨率高,抗干扰强,易于长距离传输,易于计算机控制, 应用广泛) 6.2 位移和速度检测装置 在机电一体化系统中位移和速度检测装置使用非常广泛,下面主要 介绍这两类检测传感器 一,光电编码器 工作原理 光电码盘随被测轴一 起转动,在光源的照 射下,透过光电码盘 和光拦板形成忽明忽 暗的光信号,光敏元 件把此光信号转换成 电信号a,b,z,通 过信号处理装置的整 形,放大等处理后输 出如图所示的6项A, B,Z 和取反信号. 光电脉冲编码器的结构 6.2 位移和速度检测装置 输出信号的作用及其处理 A,B 两相的作用: 两相的作用: 细分处理,角位移,转速,转向 Z 相的作用 周向定位基准,圈数 , ,Z 的作用 利用 A , 等差分输入消除远 距离传输的共模干扰 常用的脉冲编码器每转输出的脉 冲数有: 冲数有: p/r, p/r, p/r, 2000 p/r,2500 p/r,3000 p/r, 高分辨率的脉冲编码器 20000 p/r, p/r, p/r. p/r,25000 p/r,30000 p/r. 6.2 二,光栅 位移和速度检测装置 光栅检测装置基本结构示意图 1光源, 2透镜, 3指示光栅, 4光电元件, 5驱动电路,6标 尺光栅 光栅检测装置的结构 6.2 光栅分类 位移和速度检测装置 长光栅 玻璃光栅 按制造光栅材料 金属光栅 按检测位移性质 圆光栅 透射光栅 反射光栅 按光源照射方法 透射光栅 优点:1)光源垂直入射,信号幅值比较大,信噪比好,光电转换器(光栅读数头) 的结构简单;2)光栅每毫米的线纹数多,减轻了电子线路的负担 . 缺点:玻璃易破裂,热胀系数与机床金属部件不一致,影响测量精度. 透射光栅尺的长度一般都在12m,常见的线纹密度为每毫米4,10,25,50,100, 200,250线. 反射光栅 优点:光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致,可用钢带做成长达数米的长光栅. 安装面积小,调整方便,适应于大位移测量场所. 缺点:为了使反射后的莫尔条纹反差较大,每毫米内线纹不宜过多,常用线纹数为 4,10,25,40,50. 6.2 位移和速度检测装置 光栅原理(莫尔条纹) 光栅原理(莫尔条纹) 光栅尺横向莫尔条纹及其参数 莫尔条纹节距W 与光栅节距和倾角之间的关系: 莫尔条纹节距W 与光栅节距和倾角之间的关系: W = / sin 2 W 由于很小, 由于很小,因此 光栅横向移动一个节距 莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W 光栅横向移动一个节距 ,莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W, 用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移. 用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移. 6.2 位移和速度检测装置 莫尔条纹的特点: 莫尔条纹的特点: 放大作用; 放大作用; 使栅距的节距误差平均化; 使栅距的节距误差平均化; 根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向 细莫尔条纹干涉原理 是由光线通过线纹衍射后产生的 干涉结果 ,平面的光波照射到 板上,通过衍射分成1, , 扫描 板上,通过衍射分成 ,0, -1光波,它们在相位栅标尺上被 光波, 光波 衍射,光强的大部分反射在1, 衍射,光强的大部分反射在 , 衍射级次中. 和-1衍射级次中.这些光波在扫 衍射级次中 描掩膜光栅上再次相遇, 描掩膜光栅上再次相遇,重新衍 射和干涉,此时,主要生成2个 射和干涉,此时,主要生成 个 序列波, 序列波,它们以不同的角度离开 扫描掩膜. 扫描掩膜.光电元件将这些光强 转变成电信号. 转变成电信号. 6.2 三,旋转变压器 位移和速度检测装置 旋转变压器结构示意图 转子轴, 外壳, 分解器定子 分解器定子, 分解器定子绕组, 1转子轴, 2外壳,3分解器定子, 4分解器定子绕组, 转子轴 分解器定子绕组 变压器一次线圈, 变压器转子, 分解器转子绕组, 5变压器一次线圈, 6变压器转子,7分解器转子绕组, 变压器一次线圈 变压器转子 分解器转子绕组 分解器转子, 变压器二次线圈, 8分解器转子,9变压器二次线圈, 10定子线轴 分解器转子 变压器二次线圈 定子线轴 6.2 旋转变压器原理 位移和速度检测装置 分解器绕组的结构保证了定子与转子之间的气隙磁通呈正, 分解器绕组的结构保证了定子与转子之间的气隙磁通呈正,余弦规 律分布.防止气隙磁通畸变加上相互垂直的绕组,因此, 律分布.防止气隙磁通畸变加上相互垂直的绕组,因此,当转子旋 转时, 呈正弦规律变化. 转时,转子绕组内产生感应电势随转子偏转角机呈正弦规律变化. U 即: = kU s sin 机 或 U = kU c cos 机 其中, 为定子正弦,余弦绕组上的激磁电压, 为变压比. 其中,Us ,Uc 为定子正弦,余弦绕组上的激磁电压,k为变压比. 6.2 位移和速度检测装置 旋转变压器的应用 鉴相方式 在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等, 在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等,频率相同的 正弦, 正弦,余弦激磁电压 U s = U m sin t, U c = U m cos t 转子旋转后, 转子旋转后,两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得 总感应电压为: 总感应电压为: U = kU s sin 机 + kU c cos 机 = kU m cos(t 机) 因此,只要检测出转子输出电压的相位角,就知道了转子的转角 因此,只要检测出转子输出电压的相位角,就知道了转子的转角机 . 鉴幅方式 给定子的两个绕组分别通上频率, 给定子的两个绕组分别通上频率,相位相同但幅值不同的激磁电 压 U s = U m sin 电 sin t , U c = U m cos电 sin t 则在转子绕组上得到感应电压为 U = kU s sin 机 + kU c cos 机 = kU m cos( 电 机) t sin 不断修改激磁调幅电压幅值的电气角 使之跟踪 的变化, 不断修改激磁调幅电压幅值的电气角 电,使之跟踪 机的变化,并测量 感应电压幅值即可求得机械角位移 感应电压幅值即可求得机械角位移 机 . 6.2 1.激光的特点 位移和速度检测装置 四,激光测量系统 激光的谱线宽度很窄,比普通光源提高了几万倍, 高单色性 激光的谱线宽度很窄,比普通光源提高了几万倍, 是最好的单色光 是最好的单色光源. 激光是向特定方向发射的,它的发散角很小, 高平行度 激光是向特定方向发射的,它的发散角很小,已达 到几分,甚至可小到1 到几分,甚至可小到1秒. 高亮度 激光的光能高度集中,亮度特别高,一台红宝石激 激光的光能高度集中,亮度特别高, 光束的亮度比太阳表面亮度亮 200 亿倍 . 高相干性 相干性是相干光波在叠加区产生稳定的干涉条纹 所表现的性质,可用时间相干性和空间相干性来描述. 相干性来描述 所表现的性质,可用时间相干性和空间相干性来描述.时间相 干性是指光源在不同时刻发出的光束的相干性, 干性是指光源在不同时刻发出的光束的相干性,激光的相干长 度可达几十公里, 比普通光源提高了几十万倍.空间相干性是 度可达几十公里, 比普通光源提高了几十万倍 指同一时间内由光源不同部位发出的光波的相干性, 指同一时间内由光源不同部位发出的光波的相干性,激光在任何 传播方向上都具有良好的空间相干性. 传播方向上都具有良好的空间相干性. 6.2 位移和速度检测装置 2.激光干涉仪原理 2.激光干涉仪原理 (1)迈克尔逊干涉仪结构 v M1 迈克尔逊干涉仪 由四个光学元件(两块平板玻璃P 和两块平面反射镜M 由四个光学元件(两块平板玻璃P1 P2和两块平面反射镜M1 M2)和一个 精密的移动机构组成. 精密的移动机构组成. 6.2 位移和速度检测装置 (2)迈克尔逊干涉仪的测量原理 由光源S来的光,被半反射膜分成二束走向不同的光. 由光源S来的光,被半反射膜分成二束走向不同的光.根据平面镜 成像的性质,光线S 之间的光路可以用它在M 成像的性质,光线S2 在M M2之间的光路可以用它在M中的虚像 M2 来代 构成一虚平板 替.这样,M2位于参考镜M1的附近.M1和M2构成一虚平板,中间为 这样, 位于参考镜M 的附近. 空气介质,虚平板的厚度为h, 空气介质,虚平板的厚度为h, 在观察系统中看到的干涉图样就是由虚 平板所产生的干涉现象.两相干光束之间的光程差为2h, 2h=K, 平板所产生的干涉现象.两相干光束之间的光程差为2h,当2h=K,即 2h h=1/2时 观察屏P上的光的强度最大,呈亮条纹. h=(2K+1) h=1/2时,观察屏P上的光的强度最大,呈亮条纹.当h=(2K+1)/4 时,观察屏P上的光强度为零,出现暗条纹. 观察屏P上的光强度为零,出现暗条纹. 在迈克尔逊干涉仪中, 是固定的, 在迈克尔逊干涉仪中,M2是固定的,而M1则是由精密丝杠带动可以 平移.改变M之间的距离h 也即改变S 的光程差. 平移.改变M1和M2之间的距离h,也即改变S1和S2的光程差.当光程差发 生变化时,观察屏上的干涉条纹将明暗交替变化. 每平移/2距离, 生变化时,观察屏上的干涉条纹将明暗交替变化.M1每平移/2距离, /2距离 干涉条纹则移动一个条纹间隔,明亮变化一次.因此,只要对条纹计数, 干涉条纹则移动一个条纹间隔,明亮变化一次.因此,只要对条纹计数, 便可以测得M 的距离. 便可以测得M1的距离. 6.2 位移和速度检测装置 (3)迈克尔逊干涉仪的改进 图示迈克尔逊干涉仪使用的光源是白光, 图示迈克尔逊干涉仪使用的光源是白光 ,而激光干涉仪采用激光 作光源.这样,干涉一般不需要补偿板P 另外, 作光源 . 这样 , 干涉一般不需要补偿板 P2 , 另外 , 采用光电元件 计数,光电元件将光强的变化转换为电压的变化.设动镜M 计数 , 光电元件将光强的变化转换为电压的变化 . 设动镜 M1 的起 光强既非最强,亦非最弱, 始位置出现暗条纹, 位移X 始位置出现暗条纹,M1位移X后,光强既非最强,亦非最弱,则表 既不是/ 的整数倍,也不是/ 的整数倍. /2 /4 明X既不是/2的整数倍,也不是/4的整数倍.经光电元件转换 出的电压U 可写为: 出的电压UX可写为: UX=UMsin2X/(/2) 此式描述一正弦波,将此正弦波整形为方波, 此式描述一正弦波,将此正弦波整形为方波,送入计数器即可读 出条纹的明亮变化次数k 出条纹的明亮变化次数k. 6.2 位移和速度检测装置 3. 双频激光干涉仪 双频激光干涉仪 是同一激光器发 出的光分成频率 不同的两束光产 生干涉. 生干涉.得到的 是按频率变化的 交流调频信号, 交流调频信号, 信噪比高, 信噪比高,可实 现高分辨率测量. 现高分辨率测量. 单频激光仪得到 单频激光仪得到 的是直流调幅信 号,有直流漂移 的干扰问题. 的干扰问题.因 此双频激光测量 受环境干扰( 受环境干扰(气 温度,湿度) 压,温度,湿度) 影响要比单频激 光测量时小得多, 光测量时小得多, 测量精度高. 测量精度高. 双频激光干涉仪的工作原理 6.2 位移和速度检测装置 五