chapt5 机电一体化系统检测技术

1、机电一体化系统设计机电一体化系统设计杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院第五章第五章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 机电一体化系统设计机电一体化系统设计2 位移传感器位移传感器3 速度加速度传感器速度加速度传感器4 力、扭矩传感器力、扭矩传感器第五章第五章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术6 传感器前级信号处理与接口技术传感器前级信号处理与接口技术7 数字滤波数字滤波8 传感器的正确选择与使用传感器的正确选择与使用1 传感器基本概念传感器基本概念5 其他传感器其他传感器机电一体化系统设计机电一体化系统设计1、传感器基本概念、传感器基本概念（1 1

2、） 定义定义 传感器传感器是借助检测元件将一种形式的信号转换成是借助检测元件将一种形式的信号转换成另一种形式的信号的装置。另一种形式的信号的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而，从狭义上讲，传感器是把被测的因而，从狭义上讲，传感器是把被测的物理量物理量转换为电信号转换为电信号的装置。的装置。机电一体化系统设计机电一体化系统设计传感元件传感元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号 （如电阻、电感、电容等）形式。（如电阻、电感、电容等）形式。（2 2） 相关概念相关概念敏感元件敏感元件：是一种能够将被

3、测量转换成易于测量的物理：是一种能够将被测量转换成易于测量的物理 量的预变换装置。如弹性敏感元件将力转换量的预变换装置。如弹性敏感元件将力转换 为位移或应变输出。为位移或应变输出。基本转换电路基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量：将电信号量转换成便于测量的电量, , 如电压、电流、频率等。如电压、电流、频率等。机电一体化系统设计机电一体化系统设计（3 3） 传感器的作用和地位传感器的作用和地位传感器的出现是科学技术发展的必然。传感器的出现是科学技术发展的必然。历史时代：历史时代：手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化生产方式：生产方式：人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机

4、械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置机电一体化系统设计机电一体化系统设计 人与机器的机能对应关系：人与机器的机能对应关系：机电一体化系统设计机电一体化系统设计加加速速度度传传感感器器在在汽汽车车中中的的应应用用 在轿车上，作为碰撞传感器。在轿车上，作为碰撞传感器。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊机电一体化系统设计机电一体化系统设计高分子压电电缆的应用演示 测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。内部的档案数据，判定汽车的车型。 高高分分子子压压电电电电缆缆的的应应用用演演示示机电一体化系统设

5、计机电一体化系统设计（4 4）传感器的分类）传感器的分类 按按被测物理量被测物理量分为：分为： 位移传感器位移传感器 速度传感器速度传感器 加速度传感加速度传感 力传感器力传感器 温度传感器温度传感器 。机电一体化系统设计机电一体化系统设计温度传感器温度传感器压力传感器压力传感器扭矩传感器扭矩传感器角位移传感器角位移传感器位移传感器位移传感器机电一体化系统设计机电一体化系统设计 按按传感器工作的物理原理传感器工作的物理原理分为：分为： 电阻式电阻式 电感式电感式 电容式电容式 光电式光电式 。机电一体化系统设计机电一体化系统设计压电式加速度传感器压电式加速度传感器激光位移传感器激光位移传感器光

6、纤式位移传感器光纤式位移传感器超声波位移传感器传感器超声波位移传感器传感器电感式位移传感器电感式位移传感器机电一体化系统设计机电一体化系统设计 按按传感器组成结构传感器组成结构分为：分为： 直接变换型直接变换型 差动型差动型 平衡型平衡型机电一体化系统设计机电一体化系统设计直接变换型结构直接变换型结构（几（几个串联环节组成的开个串联环节组成的开环系统）环系统） 差动型差动型（并（并联系统）联系统）平衡型平衡型（反馈（反馈系统）系统）312123SSSSSSyy12S -S02Syyx01231234S SS S1 SS S Syx机电一体化系统设计机电一体化系统设计（5 5）传感器的特性）传感

7、器的特性 1 1）静态响应特性）静态响应特性 当被测量的数值处在当被测量的数值处在稳定状态稳定状态时，传感器的时，传感器的输出输出输入特性输入特性。 包括包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复特性、分：线性度、灵敏度、迟滞、重复特性、分辨力、漂移、精度、测量范围。辨力、漂移、精度、测量范围。机电一体化系统设计机电一体化系统设计线性度线性度yFS21max0 xFS1实际曲线2理想曲线yx%100maxFSLyL L线性度线性度( (非线性误差非线性误差) )； maxmax最大非线性绝对误差；最大非线性绝对误差；y yFSFS 输出满度值输出满度值机电一体化系统设计机电一体化系统设计 灵敏度灵敏度

8、传感器在静态传感器在静态标准条件下标准条件下, ,输出输出变化对输入变化的变化对输入变化的比值称为灵敏度比值称为灵敏度, ,用用S S0 0表示。表示。xyS输入量的变化量输出量的变化量0注意：注意：对于线性传感器来说对于线性传感器来说, ,它的灵敏度它的灵敏度S S0 0是个常数是个常数。机电一体化系统设计机电一体化系统设计迟滞迟滞%10021%100FSmHFSmHyHyH或 传感器在正传感器在正( (输入输入量增大量增大) )、反、反( (输入量输入量减小减小) )行程中输出行程中输出/ /输输入特性曲线的不重合入特性曲线的不重合程度称为迟滞程度称为迟滞, ,迟滞误迟滞误差一般以满量程输

9、出差一般以满量程输出y yFSFS的百分数表示：的百分数表示：H Hm m输出值在正、反行程间的最大差值输出值在正、反行程间的最大差值。yFSHm0 xFSyx机电一体化系统设计机电一体化系统设计 传感器在同一条传感器在同一条件下件下, ,被测输入量按同被测输入量按同一方向作全量程连续一方向作全量程连续多次重复测量时多次重复测量时, ,所得所得的输出的输出/ /输入曲线不一输入曲线不一致的程度致的程度, ,称为重复特称为重复特性性, , 重复特性误差用重复特性误差用满量程输出的百分数满量程输出的百分数表示。表示。%100FSmRyR重复特性重复特性R Rm m最大重复性误差。最大重复性误差。y

10、FS0 xFSxRm1yRm2机电一体化系统设计机电一体化系统设计测量范围测量范围分辨力分辨力漂移漂移精度精度传感器能检测到的最小输入增量。传感器能检测到的最小输入增量。 由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下, ,传传感器的输出发生的变化称为漂移。感器的输出发生的变化称为漂移。精度表示测量结果和被测的精度表示测量结果和被测的“真值真值”的靠近程度。的靠近程度。能够测量的最小与最大值之间的范围。能够测量的最小与最大值之间的范围。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 2 2）动态响应特性）动态响应特性 动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利动态特性反映了

11、被测量快速变化的性能，可以利用系统的用系统的传递函数传递函数、频率响应频率响应来描述。来描述。机电一体化系统设计机电一体化系统设计调整时间调整时间峰值时间峰值时间最大超调量最大超调量振荡次数振荡次数延迟时间延迟时间上升时间上升时间a）时域指标）时域指标机电一体化系统设计机电一体化系统设计b）频域指标）频域指标可以用幅可以用幅频特性和频特性和相频特性相频特性描述描述机电一体化系统设计机电一体化系统设计二阶系统的脉冲输入和响应二阶系统的脉冲输入和响应 二阶系统的阶跃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：两种典型的输入响应：机电一体化系统设计机电一体化系统设计稳定性稳定性( (零漂

12、零漂) )传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 传感器输入输出作用图传感器输入输出作用图输出输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特衡量传感器特性的主要技术性的主要技术指标指标机电一体化系统设计机电一体化系统设计2 、位移传感器、位移传感器角位移传感器角位移传感器主要有：主要有： 电容传感器电容传感器 旋转

13、变压器传感器旋转变压器传感器 光电编码盘光电编码盘 。直线位移传感器直线位移传感器主要有：主要有： 电感传感器电感传感器 差动变压器传感器差动变压器传感器 电容传感器电容传感器 感应同步器感应同步器 光栅传感器光栅传感器 。机电一体化系统设计机电一体化系统设计直线型直线型 光电型光电型 位位移移检检测测传传感感器器光电编码器光电编码器 光栅光栅 刻度尺（投射型和反射型）刻度尺（投射型和反射型） 电压型电压型差动变压器；电容型差动变压器；电容型容栅等容栅等 磁电型磁电型磁尺磁尺电磁感应型电磁感应型直线感应同步器直线感应同步器非接触型非接触型激光、超声波测距等激光、超声波测距等回转型回转型 光电型

14、光电型 增量型编码器增量型编码器 圆光栅圆光栅磁电型磁电型磁尺；电容型磁尺；电容型容栅等容栅等电磁感应型电磁感应型电阻型电阻型电位计电位计绝对型编码器绝对型编码器 旋转变压器旋转变压器 回转感应同步器回转感应同步器 机电一体化系统设计机电一体化系统设计（1 1）电感式传感器）电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，将电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转换为电感量的变化。被测物理量转换为电感量的变化。 1）自感型电感式传感器）自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2）互感型电感传感器）互感型电感传感器 机电一体化系统设计机电一体化系统设计1）自感型电感式传感器

15、）自感型电感式传感器 1 1线圈；线圈；2 2铁心；铁心；3 3活动衔铁；活动衔铁；4 4测杆；测杆；5 5被测件触头被测件触头 a) a)可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器W W线圈匝数；线圈匝数； R Rm m总磁阻。总磁阻。mRWL2当线圈通以激磁电流时当线圈通以激磁电流时, ,其自感其自感L L与磁路的总磁阻与磁路的总磁阻RmRm有关有关机电一体化系统设计机电一体化系统设计002AAlRm如果空气隙如果空气隙较小较小, ,而且不考虑磁路的损失而且不考虑磁路的损失, ,则总磁阻为则总磁阻为L L铁心导磁长度（铁心导磁长度（m m）；）； 铁心导磁率（铁心导磁率（H H/ /m m）

16、；）； A A铁心导磁截面积（铁心导磁截面积（m m2 2）, ,A A=a=ab;b;空气隙空气隙(m), (m), = = 0 0+ +; ; 0 0空气磁导率（空气磁导率（H Hm m）, ,0 0=2=21010-7-7 ; ;A A0 0空气隙导磁截面积（空气隙导磁截面积（m m2 2）。）。 铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比很小铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比很小, ,计算时计算时铁心的磁阻可忽略不计铁心的磁阻可忽略不计, ,故故002AR2002AWL 代 入代 入 , , 得得 机电一体化系统设计机电一体化系统设计b)b)电涡流式电磁传感器电涡流式电磁传感器变换原理变换原理： 金属导体

17、在交流磁场中的涡电流效应。金属导体在交流磁场中的涡电流效应。 金属板置于一只线圈的附近金属板置于一只线圈的附近, ,它们之间相互的它们之间相互的间距为间距为。机电一体化系统设计机电一体化系统设计高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 高频高频(1 MHz)(1 MHz)激激励电流励电流i0i0产生的高产生的高频磁场作用于金属频磁场作用于金属板的表面板的表面, ,由于集肤由于集肤效应效应, ,在金属板表面在金属板表面将形成涡电流。将形成涡电流。 机电一体化系统设计机电一体化系统设计低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 （a a） 原理图；原理图； （b b） 曲线图曲线图 机电一体化系统设

18、计机电一体化系统设计2）互感型电感式传感器）互感型电感式传感器 （a a）、（）、（b b）工作原理）工作原理; ; （c c）输出特性）输出特性 当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势感应电动势e1e1和和e2e2。传感器的输出电压为两者之差，即。传感器的输出电压为两者之差，即ey=e2-e1ey=e2-e1。机电一体化系统设计机电一体化系统设计（2 2）电容式传感器）电容式传感器 电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容电容量的变化，再通过配套的测量电路

19、，将电容的变化转换为电信号输出。的变化转换为电信号输出。 式中： 0真空的介电常数； s 极板的遮盖面积；极板间相对介电系数； 两平行极板间的距离。0sC 机电一体化系统设计机电一体化系统设计1）极距变化型电容式传感器）极距变化型电容式传感器 如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：02sdCd 02sdCCKd 机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）面积变化型电容式传感器）面积变化型电容式传感器 动板与定板之间相

20、互覆盖的面积引起电容量变化。动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为a a、极板半径为、极板半径为r r时，覆盖面时，覆盖面积为：积为：电容量为：电容量为：其灵敏度为：其灵敏度为：22arS 202arC202rdCKda常数机电一体化系统设计机电一体化系统设计（3 3）数字光栅传感器）数字光栅传感器光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。20线-150线/mm25线-50线/mmWW透射式反射式为光栅常数，也称光栅栅距。W机电一体化系统设计机电一体化系统设计按用途分物理光栅计量光栅利用光的衍射现象，主要用于

21、光谱分析、光波长测量。利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。计量光栅长光栅圆光栅用于长度测量用于角度测量按光的走向透射式光栅反射式光栅按栅线的形式黑白光栅（幅值光栅）闪耀光栅（相位光栅）径向光栅切向光栅环形光栅机电一体化系统设计机电一体化系统设计长光栅 - 直线位移圆光栅 - 角位移 构成： 主光栅 - 标尺光栅，定光栅 指示光栅 - 动光栅长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )光栅传感器的结构光栅传感器的结构机电一体化系统设计机电一体化系统设计光源透镜主光栅指示光栅光电元件光栅副光 路机电一体化系统设计机

22、电一体化系统设计ddffddBffddW/2WddW/2指示光栅标尺光栅 工作原理：工作原理：把两块栅距把两块栅距W W相等的光栅平行安装，且相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹莫尔条纹，它们，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。 机电一体化系统设计机电一体化系统设计莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点：1.1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每

23、移动过一个栅距过一个栅距W W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B B； 2.2.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。莫尔条纹的间距B B与与两光栅条纹夹角之间关系为两光栅条纹夹角之间关系为3.3.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。 2sin2WWB机电一体化系统设计机电一体化系统设计 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化通过光电元件，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，如图所示。转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。 U0UW/2oUm2W3W/2Wx02sinmxUUUW机电一体

24、化系统设计机电一体化系统设计 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微将此电压信号放大、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。于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。03 67 21 85 49 01 0 81 2 6146142机电一体化系统设计机电一体化系统设计（4 4）感应同步器）感应同步器感应同步器结构感应同步器结构4l机电一体化系统设计机电一体化系统设计感应同步器结构：感应同步器结构： 包括定尺和滑尺，

25、用制造印刷线路板的腐蚀包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距方法在定尺和滑尺上制成节距T(T(一般为一般为2mm)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1/41/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，节距。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（0.05-0.2mm0.05-0.2mm）。）。机电一体化系统设

26、计机电一体化系统设计感应同步器的工作原理：感应同步器的工作原理： 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 f（一般为（一般为2 210kHz10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。相对位置有关。 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为UsUs，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为UcUc，移动距离为，移动距离为x x，节距为，节距为T T，则正弦绕组单独供，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为电时，在定尺上感应电势为2co

27、s360cosssxUKUKUTo机电一体化系统设计机电一体化系统设计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 由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可由于感应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进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为2sin360sinccxUKUKUTo222cossinscUUUKUKU机电一体化系统设计机电一体化系统设计式中式中 ： KK定尺与滑尺之间的耦合系数；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）定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）TT节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直

28、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线感应同步器的节距为2mm2mm。 利用感应电压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 X，从而，从而进行位置检测。进行位置检测。2()360 xxTTo机电一体化系统设计机电一体化系统设计感应同步器的测量方法：感应同步器的测量方法：机电一体化系统设计机电一体化系统设计1)1)鉴相式鉴相式 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差值，但相位相差90o90o的两个电压，设的两个电压，设tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKU

29、tKUtKUmmm 从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移滑尺的相对位移x x： 360oxT机电一体化系统设计机电一体化系统设计2)2)鉴幅式鉴幅式 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加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 由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测弦变化。因此，可以通过测量感

30、应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。得定尺和滑尺之间的相对位移。机电一体化系统设计机电一体化系统设计（5 5）光电编码器）光电编码器主要有如下两大类：主要有如下两大类： 1）增量式光电编码器）增量式光电编码器 2）绝对式光电编码器）绝对式光电编码器机电一体化系统设计机电一体化系统设计 主码盘每转过一主码盘每转过一个刻线周期，光电变个刻线周期，光电变换器将输出一个近似换器将输出一个近似的正弦波电压，且光的正弦波电压，且光电变换器电变换器A A、B B的输出的输出电压相位差为电压相位差为9090。经逻辑电路处理就可经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对以测出被测轴的相对转角和转动方向。转角

31、和转动方向。 1）增量式光电编码器）增量式光电编码器机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）绝对式光电编码器）绝对式光电编码器1 1 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 00 1 1 10 1 0 01 0 1 01 0 0 11 0 0 01 0 1 11 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 0 01 1 1 01 1 0 1机电一体化系统设计机电一体化系统设计1 0 0 10 1 1 11 1 1 10 1 0 00 1 0 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 0 1 01 0 1 10 0 0 10 1 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 10

32、0 0 01 0 0 0 任意相邻的两个代任意相邻的两个代码间只有一位代码有变码间只有一位代码有变化，即化，即“0”0”变为变为“1”1”或或“1”1”变为变为“0”0”。在。在两数变换过程中，所产两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超生的读数误差最多不超过过“1”1”。机电一体化系统设计机电一体化系统设计0 1 0 01 1 0 11 1 1 111101 0 1 01 1 0 01 0 1 00 1 1 10 1 1 00 0 1 00 0 1 11 0 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 00 0 0 1 码盘最外圈上码盘最外圈上的信号位的位置正的信号位的位置正好与状态交线错

33、开好与状态交线错开，只有当信号位处，只有当信号位处的光电元件有信号的光电元件有信号时才读数，这样就时才读数，这样就不会产生非单值性不会产生非单值性误差。误差。机电一体化系统设计机电一体化系统设计4个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 机电一体化系统设计机电一体化系统设计11绝对式编码器绝对式编码器22电动机电动机33转轴转轴44转盘转盘 55工件工件66刀具刀具 机电一体化系统设计机电一体化系统设计旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角

34、编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接机电一体化系统设计机电一体化系统设计机电一体化系统设计机电一体化系统设计 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量机电一体化系统设计机电一体化系统设计3 、速度、加速度传感器、速度、加速度传感器主要类型有：主要类型有：1 1）直流测速发电机）直流测速发电机2 2）光电式速度传感器）光电式速度传感器3 3）差动变压器式速度传感器）差动变压器式速度传感器4 4）加速度传感器）加速度传感器机电

35、一体化系统设计机电一体化系统设计 测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。下图所示为永磁式测速发电机原理电路图。下图所示为永磁式测速发电机原理电路图。永磁式测速机的原理图永磁式测速机的原理图MI0U0RL直流测速机的输出特性直流测速机的输出特性理想值实测值RLRL1RL2RL RL1 RL2nU/V1 1）直流测速发电机）直流测速发电机机电一体化系统设计机电一体化系统设计 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它

36、直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。装了测速发电机。 恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。比的直流电势。机电一体化系统设计机电一体化系统设计2 2）光电式转速传感器）光电式转速传感器光电式转速传感器的结构原理图光电式转速传感器的结构原理图光源12341透镜；2带缝隙圆盘；3指示缝隙盘；4光电元件 一种角位移传感器一种角位移传感器, ,由装在被测轴由装在被测轴( (或与被测

37、轴相或与被测轴相连接的输入轴连接的输入轴) )上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成。指示缝隙盘组成。 机电一体化系统设计机电一体化系统设计根据测量单位时间内的脉冲数根据测量单位时间内的脉冲数N,N,则可测出转速为则可测出转速为ZtNn60 一般取一般取Zt=60Zt=6010m(m10m(m0,1,2,)0,1,2,)。利用两。利用两组缝隙间距组缝隙间距W W相同相同, ,位置相差（位置相差（i i2+12+14 4 ）W W（i i0,1,2,0,1,2,） 的指示缝隙和两个光电器件的指示缝隙和两个光电器件, ,就可就可辨别出圆盘的旋转方向。辨别出圆

38、盘的旋转方向。 Z Z圆盘上的缝隙数；圆盘上的缝隙数； n n转速转速(r(rmin)min)； t t测量时间测量时间(s)(s)。机电一体化系统设计机电一体化系统设计3 3）加速度传感器）加速度传感器 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应应变片式变片式和和压电式压电式等。等。 机电一体化系

39、统设计机电一体化系统设计a a）应变片式加速度传感器）应变片式加速度传感器 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。用。这一系统的固有频率可以做得很

40、低。应变片m悬臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液体的壳体机电一体化系统设计机电一体化系统设计引 出 线3质 量 块1 壳 体压 电 晶 片m4 2 b b）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器 压电加速度传感压电加速度传感器结构原理如右图器结构原理如右图所示。使用时，传所示。使用时，传感器固定在被测物感器固定在被测物体上，感受该物体体上，感受该物体的振动，惯性质量的振动，惯性质量块产生惯性力，使块产生惯性力，使压电元件产生变形压电元件产生变形。压电元件产生的。压电元件产生的变形和由此产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正电荷与加速度成正比。比。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 压电加

41、速度传感器可以做得很小，重量压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。度高、应用较为广泛。机电一体化系统设计机电一体化系统设计4 、力、扭矩传感器、力、扭矩传感器主要类型有：主要类型有：1 1）柱式弹性元件）柱式弹性元件2 2）悬臂梁式弹性元件）悬臂梁式弹性元件机电一体化系统设计机电一体化系统设计1 1）柱式弹性元件）柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元

42、件结构简单、承载能力大，主要用于中示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉( (压压) )力传感器。力传感器。p(a)BR2R1R3R4R5R6R8R7ADCUUs(b)R6R8R2R4R1R5R3R7p(c)机电一体化系统设计机电一体化系统设计2. 2. 悬臂梁式弹性元件悬臂梁式弹性元件1RR2R4(R )(R )R13bR43lhAR1PD3RR2CB 其特点是结其特点是结构简单、加工方构简单、加工方便、应变片粘贴便、应变片粘贴容易、灵敏度较容易、灵敏度较高。主要用于小高。主要用于小载荷、高精度的载荷、高精度的拉、

43、压力传感器拉、压力传感器中。可测量中。可测量0.010.01牛顿到几千牛顿牛顿到几千牛顿的拉、压力。的拉、压力。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力端有一被测力P P，则应变与，则应变与P P力的关系为：力的关系为：26PLbh E机电一体化系统设计机电一体化系统设计5 、其他传感器、其他传感器集成温度传感器集成温度传感器高分子材料湿度传感器高分子材料湿度传感器超声波传感器超声波传感器霍尔传感器霍尔传感器。机电一体化系统设计机电一体化系统

44、设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果 当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。象便是霍尔效应。机电一体化系统设计机电一体化系统设计 霍尔式传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换霍尔式传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换器，其转换元件是霍尔元件，一般由锗（器，其转换元件是霍尔元件，一般由锗（GeGe）、锑）、锑化

45、铟（化铟（InSbInSb）、砷化铟（）、砷化铟（InAsInAs）等半导体材料制成）等半导体材料制成。( (半导体的霍尔效应比金属半导体的霍尔效应比金属强得多强得多) )机电一体化系统设计机电一体化系统设计 右图表示用霍尔元右图表示用霍尔元件测量位移的实例。将件测量位移的实例。将霍尔元件置于两个相邻霍尔元件置于两个相邻而方向相反的磁场内，而方向相反的磁场内，由于每点磁感应强度值由于每点磁感应强度值不同，当元件沿方向移不同，当元件沿方向移动时，可由霍尔电势的动时，可由霍尔电势的变化反映出位移量变化反映出位移量x x大大小。小。机电一体化系统设计机电一体化系统设计6、传感器前级信号处理与接口技术

46、、传感器前级信号处理与接口技术测量放大器原理图测量放大器原理图A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo120UUUAU)1 (21WfffURRRRRA1）前级信号处理）前级信号处理机电一体化系统设计机电一体化系统设计程控增益放大器程控增益放大器RRAvf1RRAvf2程控增益放大器原理图程控增益放大器原理图R3R2R1S3S2S1UoRUiR机电一体化系统设计机电一体化系统设计284284型隔离放大器的电路结构图型隔离放大器的电路结构图调 制 器解 调 器436125电 源振 荡 缓 冲 放 大 器滤 波 器121179108输 入 端增 益 端320 k1 k保 护

47、 端 UISO UISO公 共 端调 制 驱 动输 入 滤 波 公 共端双 极 型 前 置 放 大 器DC TO 1kHz解 调 驱 动前 置 隔 离输 出 端微 调 端 US电 源 端100 kHz振 荡 输 入 端 15 V 15 V100 kR2隔离放大器隔离放大器 机电一体化系统设计机电一体化系统设计2）接口技术）接口技术传传感感器器信信号号的的采采样样/保保持持采样采样/ /保持原理保持原理开关控制SRUiCUoLF398LF398的原理图的原理图30 k1DV2DV14 U(15 V) U(15 V)5输出300 k6保持电容A2A3A12偏置3输入8控制逻辑IN()控制逻辑参考电压IN()S7机电一体化系统设计机电一体化系统设计AD7506AD7506的外引脚图和原理图的外引脚图和原理图UDDNCNCS16S15S14S13S1212345678COMS电平转换器解码器，驱动器ENA2A1A0UDD(15V)USS(15V)GNDOUTS1S16S11S10S9GNDNCA3910111213142827262524232221OUTUSSS8S7S6S5S4S3201918171615S2S1ENA0A1A2A3多通