第三章检测环节

1、第三章第三章 检测环节检测环节第三章 检测环节 1 1、回顾机电一体花系统的组成？、回顾机电一体花系统的组成？ 2、回顾机电一体花系统的传感器检测部分作用？回顾机电一体花系统的传感器检测部分作用？机械本体部分机械本体部分动力部分动力部分执行机构执行机构执行机构执行机构控制处理装置控制处理装置检测部分检测部分检测部分检测部分接口接口接口接口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） 定义定义第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 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

2、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

3、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。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。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械与机械

4、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 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。 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计机电一体化系统设计（4 4）传感器的分类）传感器的分类第三章第三章 机电

5、一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 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 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

6、电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 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3.1 3.1 位置检测环节的构成和接口位置检测环节的构成和接口第三章第三章 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

7、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 光电型光电型 增量型编码器增量型编码器 圆光栅圆光栅磁电型

8、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3.1.13.1.1感应同步器感应同步器第三章第三章 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感应同步器结构：感应同步器结构： 包括定尺和滑尺，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

9、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）。）。机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术感应同步器的工作原理：感应同步器的工作原理： 在

10、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2cos360cosssxUKUKUTo机电一体化系统设计机电一体化系统设

11、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

12、度）TT节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直节距，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

13、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(sincoscossintKUtKUtKUmmm 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：tmUUssins

14、intmUUcsincostKUUUUmsin)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。第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 圆盘式感应同步器如图圆盘式感应同步器如图3-143-14所示。其转子相当于所示。其转子相当于直线感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，而且定子直线感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开绕组中的两个绕组也错开1 1

15、4 4节距。节距。图3-14 圆盘式感应同步器构造图（a） 定子（b） 转子第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 3.1.2 3.1.2 旋转变压器检测系统旋转变压器检测系统 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角转角变换为变换为电压电压信号的传感器。由于它结构简单、动作灵敏，对环境信号的传感器。由于它结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰性好，因此被广泛应用无特殊要求，输出信号大，抗干扰性好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。于机电一体化产品中。 (一一) 旋转变压器的构造和工作原理旋转变压器的构造和工作原理

16、 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成，定子和转子之间的气隙中磁通分布符由定子和转子组成，定子和转子之间的气隙中磁通分布符合正弦规律。在定子上有激磁绕组合正弦规律。在定子上有激磁绕组SlSlS2S2和辅助绕组和辅助绕组K1K1 K2K2，两个绕组的轴线正交；转子上也有两个互相垂，两个绕组的轴线正交；转子上也有两个互相垂直的绕组直的绕组A1 A1 A2A2和和B1B1B2B2 ，如图，如图3-103-10所示。所示。第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 图图3-10 3-10 旋转变压器构造原理旋

17、转变压器构造原理第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 图图3-11 3-11 两极旋转变压的电气原理两极旋转变压的电气原理第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 设施加在定子绕组设施加在定子绕组SlSlS2S2中的激磁电压是频率为中的激磁电压是频率为、随、随时间时间t t变化的交流电压变化的交流电压UsUsUm sintUm sint ，则转子绕组，则转子绕组B1B1B2B2中的感应电势为中的感应电势为 UBUB KUs sinKUs sin = =K Um sint sinK Um sint sin 式中，式中，K K变压比；变压

18、比； UmUm定子绕组中交变电压的幅值；定子绕组中交变电压的幅值； 转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时0 0。 由上式可知，转子绕组中的感应电势由上式可知，转子绕组中的感应电势UBUB也是频率也是频率为为、随时间、随时间t t变化的交变电压信号，其幅值变化的交变电压信号，其幅值K Um sinK Um sin随随转子和定子的相对位置转子和定子的相对位置按正弦函数变化。因此，只要测量按正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对定子的位置，即定子的位置，即角的大小。角的大

19、小。第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 当转子绕组中接以负载时，其绕组中便有正弦感当转子绕组中接以负载时，其绕组中便有正弦感应电流通过，该电流所产生的交变磁通将使定子和转应电流通过，该电流所产生的交变磁通将使定子和转子间气隙中的合成磁通畸变，从而使转子绕组中输出子间气隙中的合成磁通畸变，从而使转子绕组中输出电压也发生畸变。为了克服上述缺点，实际应用中常电压也发生畸变。为了克服上述缺点，实际应用中常采用四极绕组式旋转变压器，如图采用四极绕组式旋转变压器，如图3-103-10所示，其定子所示，其定子和转子绕组均由两个匝数相等，且相互垂直的绕组构和转子绕组均由两个匝

20、数相等，且相互垂直的绕组构成。成。一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿高阻抗作为补偿。这种旋转变压器的测量方式有。这种旋转变压器的测量方式有鉴相鉴相式式和和鉴幅式鉴幅式之分。之分。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光栅光栅是由很多是由很多等节距等节距的的透光透光的的缝隙缝隙或或不透光的刻不透光的刻线均匀、相间排列线均匀、相间排列而成的光电器件。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

21、栅栅距。W机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术按用途分按用途分物理光栅物理光栅计量光栅计量光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱利用光的衍射现象，主要用于光谱分析、光波长测量。分析、光波长测量。利用莫尔条纹现象，主要用于长度、利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。的测量。计量光栅计量光栅长光栅长光栅圆光栅圆光栅用于长度测量用于长度测量用于角度测用于角度测量量按光的走向按光的走向透射式光栅透射式光栅反射式光栅反射式光栅按栅线的形式按栅线的形式黑白光栅黑白光栅（幅值光栅）（幅值光

22、栅）闪耀光栅闪耀光栅（相位光栅）（相位光栅）径向光栅径向光栅切向光栅切向光栅环形光栅环形光栅机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术长光栅长光栅 - - 直线位移直线位移圆光栅圆光栅 - - 角位移角位移 构成：构成： 主光栅主光栅 - - 标尺光栅，定光栅标尺光栅，定光栅 指示光栅指示光栅 - - 动光栅动光栅长度长度 - - 测量范围；测量范围；刻线密度刻线密度 - - 测量精度测量精度 ( 10( 10、2525、5050、100100、125125线线/mm )/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

23、统设计第三章第三章 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电一体化系统设计第三章第三章 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

24、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

25、一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 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机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 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

26、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）光电编码器）光电编码器第三章第三章 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）绝对式光电编码器第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 五五. 编码器检测系统编码器检测系统 编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它

27、有两种基本类型；一种是两种基本类型；一种是增量式编码器增量式编码器，一种是，一种是绝对值绝对值式编码器式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对值式编度易于保证等优点，所以目前采用最多。绝对值式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给转数大于一转时，须作特别处理，算机处理，但当进给转数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。组

28、成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。 机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 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。转角和转动方向。 1）增量式光电编码器）增量式光电编码器第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 图3-22 增量式编码器工作原理第第3

29、章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 图3-23 增量式编码器检测系统第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 当圆盘正转时，光电输出波形如图当圆盘正转时，光电输出波形如图3-23(b)3-23(b)中左边中左边图形所示。图形所示。a a比比b b滞后滞后9090，经过逻辑电路处理后，输，经过逻辑电路处理后，输出脉冲信号出脉冲信号f f 即为正转脉冲信号。同理，当圆盘反转即为正转脉冲信号。同理，当圆盘反转时，输出反转脉冲倍号时，输出反转脉冲倍号g g，见图，见图3-23(b)3-23(b)中右边脉冲序中右边脉冲序列。把此正转和反转脉冲信号分

30、别输入到双时钟可逆列。把此正转和反转脉冲信号分别输入到双时钟可逆计数器的正、反向计数端进行计数，则可得到转轴的计数器的正、反向计数端进行计数，则可得到转轴的旋转角度。为了能得到绝对转角，应在起始位置时对旋转角度。为了能得到绝对转角，应在起始位置时对可逆计数器清零。可逆计数器清零。 利用增量式编码器还可以利用增量式编码器还可以测量轴的转速测量轴的转速。方法有。方法有两种，分别是应用测量脉冲的两种，分别是应用测量脉冲的频率频率和和周期周期的原理。的原理。第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 第一种方法的原理如图第一种方法的原理如图3-24(a)3-24(a)所示。时

31、钟脉冲在所示。时钟脉冲在规定的时间内打开选通门，同时在每次计数之前清除规定的时间内打开选通门，同时在每次计数之前清除计数器。计数器在给定的时间范围内对编码器所产生计数器。计数器在给定的时间范围内对编码器所产生的脉冲计数，然后按下式求出转速：的脉冲计数，然后按下式求出转速：min/601rtNNn 式中式中t t是测速时间，即采样时间；是测速时间，即采样时间；N1N1是在是在t t时间内测得时间内测得的脉冲数；的脉冲数；N N是编码器每转脉冲数。这种方法的测量是编码器每转脉冲数。这种方法的测量精度与被测转速有关，当转速低时，脉冲频率变低，精度与被测转速有关，当转速低时，脉冲频率变低，测速误差变大

32、。测速误差变大。第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 第二种方法是测量编码器脉冲间隔时间，按下式第二种方法是测量编码器脉冲间隔时间，按下式求出转速：求出转速：min/602rTNNn 式中式中N N2 2脉冲间隔数；脉冲间隔数；N N编码器每转脉冲数；编码器每转脉冲数；T T测测量时间值。量时间值。 机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术2）绝对式光电编码器）绝对式光电编码器1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101第第3

33、章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案信息绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案信息来表示数值的来表示数值的。它有三种类型：光电编码器、磁性编。它有三种类型：光电编码器、磁性编码器和接触式编码器。目前使用最多的是码器和接触式编码器。目前使用最多的是光电编码器光电编码器。 编码盘是按一定的编码形式制成的圆盘。图编码盘是按一定的编码形式制成的圆盘。图3-253-25所示为二进制编码盘，所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，用图中空白的部分透光，用“0”0”表示；涂黑的部分不透光，用表示；涂黑的部分不透光，用“1”1”表示表示。通常把

34、组成。通常把组成编码的各圈称为码道，每一个码道表示二进制的一位，编码的各圈称为码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高价，外侧是低位里侧是高价，外侧是低位。若编码盘有四码道，则从。若编码盘有四码道，则从外向里各码道依次对应为外向里各码道依次对应为 、 、 、 ，1616个扇区个扇区分别对应二进制的分别对应二进制的00000000、00010001、00100010、11111111。按。按照圆盘照圆盘02122232第第3章章 机电一体化传感与检测系统设计机电一体化传感与检测系统设计 上形成二进位的每一码道配置光电变换器上形成二进位的每一码道配置光电变换器( (图中黑点所示图中黑点所示位置位

35、置) )，随着圆盘从后侧用光源照射，则光电变换器可读，随着圆盘从后侧用光源照射，则光电变换器可读取代表圆盘位置的二进制数，它可以直接输入计算机进取代表圆盘位置的二进制数，它可以直接输入计算机进行处理。行处理。 二进制编码器的主要缺点是图案转移点不明确，将二进制编码器的主要缺点是图案转移点不明确，将在使用中产生较多的误差。经改进后的格雷编码盘在使用中产生较多的误差。经改进后的格雷编码盘(Gray-code)(Gray-code)如图如图3-263-26所示，其特点是，所示，其特点是，它在由一个数码它在由一个数码依次变到相邻的一个数码时，仅有一位改变，因此它不依次变到相邻的一个数码时，仅有一位改变

36、，因此它不会因数码改变产生过渡性干扰，工作稳定可靠会因数码改变产生过渡性干扰，工作稳定可靠。 光电编码器检测角位移时分辨率为光电编码器检测角位移时分辨率为 ，n n是二进制数码的位数。单个光电编码盘目前可做到是二进制数码的位数。单个光电编码盘目前可做到1818位，位，组合码盘可达组合码盘可达2222位，精度较高。位，精度较高。n2/360机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 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

37、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机电一体化系统设计机电一体化系统设计第三章第三章 机电一体化系统检测技术机电一体化系统检测技术 利用利用编码器测编码

38、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 3.2速度检测传感器 速度分直线速度和角速度。速度传感器一般用于速度分直线速度和角速度。速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测控制中，因此角速度传数控系统伺服单元的速度检测控制中，因此角速度传感器用得较多。感器用得较多。 一. 测速发电机 测速发电机是一种微型发电机，它的作用是把机测速发电机是一种微型发电机，它的作用是把机械转速变换为电压信号，广泛用于速度和

39、位置检测系械转速变换为电压信号，广泛用于速度和位置检测系统中。统中。 理想状态下，测速发电机的输出电压可以用下理想状态下，测速发电机的输出电压可以用下式表示：式表示： U UKnKnKK d/dtKK d/dt 式中，式中，KKKK比例常数比例常数( (即输出特性的斜率即输出特性的斜率) )；n n及及转子的旋转速度及转角。转子的旋转速度及转角。 可见，测速发电机主要有两种用途；可见，测速发电机主要有两种用途； (1) (1)测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以通过测量输出电压来得到转子的转速。通过测量输出电压来得到转子的转速。 (2) (2)如

40、果以转子的转角如果以转子的转角参数变量，则测速发电机可参数变量，则测速发电机可作为机电微分、积分器。作为机电微分、积分器。 测速发电机分为交流和直流两大类，而交流测速发测速发电机分为交流和直流两大类，而交流测速发电机又有同步、异步之分。在机电一体化系统中常用的是交流电机又有同步、异步之分。在机电一体化系统中常用的是交流异步测速发电机和直流测速发电机，下面分别加以介绍。异步测速发电机和直流测速发电机，下面分别加以介绍。 1交流异步测速发电机 交流异步测速发电机(图3-30)的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，在定子上安放两组在空间相互成90角的绕组，其中一个为励磁绕组，接于单相交流电源，另一个为

41、输出绕组，接入测量仪器作为负载；转子则为杯形结构，可看成一个导条数非常多的鼠笼转子。 根据电磁感应原理，有以下关系：nUnU112 测量出U2的大小就可以得到转速 n。图3-30 交流测速发电机工作原理 2直流测速发电机 直流测速发电机一般都做成永磁式，它的工作原理如图3-31所示。在恒定磁场 下，当电枢以转速 n旋转时，电枢上的导体切割磁力线，从而就在电刷间产生空载感应电势 ，它的值由下式确定：00EnCEe00 式中，Ce电势常数， 磁通，n转子的转速。 从上式可以看出，空载输出电压UE0。它与转速n成正比。当存在负载电阻Rl和电枢回路总电阻Ra时，则有0图3-31 直流测速发电机工作原理

42、 由上式可以看出，当 、Ra、Rl不变时，测速发电机的输出电压U与转速n成正比。当然，这里讲的只是一种理想情况，实际上还有一些因素会影响测量结果，如周围环境温度、磁场畸变、电阻的变化等。为了减少上述影响，直流测速发电机的磁路应选得足够饱和，同时还应将负载电流限制在较小的范围内。aaRRUEIREU100nRRCRREUaea1010110机电一体化系统设计机电一体化系统设计霍尔传感器霍尔传感器第三章第三章 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