传感器及检测技术8

1、8.2 8.2 数字式位移检测方法数字式位移检测方法 数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。术相结合的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。8.2.1 8.2.1 数字式位移传感器的优点数字式位移传感器的优点 测量精密度高、准确度高；测量精密度高、准确度高； 抗干扰能力强，稳定可靠；抗干扰能力强，稳定可靠； 数字信号易于远传；数字信号易于远传； 测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。 可与微处理器直接相连，易于实现测量的自动化和数字化。可与微处理器直接

2、相连，易于实现测量的自动化和数字化。8.2.2 8.2.2 光栅数字式线位移检测方法光栅数字式线位移检测方法一、有关光学的基本原理一、有关光学的基本原理 光栅的构造光栅的构造 透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多明暗相间、宽度相等、间距相等的透光线，称为栅线，设栅线宽明暗相间、宽度相等、间距相等的透光线，称为栅线，设栅线宽为为a a，线间缝宽为，线间缝宽为b b，a+b=Wa+b=W称为栅距。通常称为栅距。通常a=b=W/2a=b=W/2。使用时，长。使用时，长光栅装在运动部件上，称为标尺光栅；短光栅装在固定部件上，光栅装在运

3、动部件上，称为标尺光栅；短光栅装在固定部件上，称为指示光栅。称为指示光栅。 两排光栅相位相差两排光栅相位相差1/41/4周周期，通过期，通过S S1 1、S S2 2输出信号输出信号的相位关系，可以判断的相位关系，可以判断G1G1的移动方向。的移动方向。 莫尔条纹原理莫尔条纹原理均匀刻线均匀刻线标尺标尺光栅光栅指示指示光栅光栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动W W：光栅的刻线宽度（栅距：等于亮条纹宽度：光栅的刻线宽度（栅距：等于亮条纹宽度+ +暗条纹宽度）暗条纹宽度）L L：莫尔条纹宽度：莫尔条纹宽度W W：光栅的刻线宽度（栅距：等于亮条纹宽度：光栅的刻线宽度（栅距：等

4、于亮条纹宽度+ +暗条纹宽度）暗条纹宽度）BHBH：莫尔条纹宽度：莫尔条纹宽度 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 方向性：莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直。（光栅方向性：莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直。（光栅水平移动，莫尔条纹垂直移动）水平移动，莫尔条纹垂直移动） 同步性：莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅移动同步性：莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅移动一个栅距一个栅距W W 莫尔条纹移动一个条纹宽度莫尔条纹移动一个条纹宽度L L。 放大性：夹角放大性：夹角很小很小 光学放大光学放大 提高分辨率和灵敏度提高分辨率和灵敏度莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距L L与两光栅条纹夹角之间关系为：

5、与两光栅条纹夹角之间关系为：/ (,sin)2sin( /2)WLW由于 很小 所以 可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距L L 灵活灵活 准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/ /局部误局部误差差 提高精度提高精度 二、利用光栅测量线位移的原理二、利用光栅测量线位移的原理 光栅传感器输出信号波形光栅传感器输出信号波形0sin(/22/)mUUUx W 为光电元件输出为光电元件输出 的电压信号的电压信号; ; 为输出信号中的为输出信号中的 平均直流分量平均直流分量; ; 为输出信号中正为输出信号中正 弦交流分量的幅值。弦交流分量的幅值。U0UmU三

6、、辨向原理及辨向电路三、辨向原理及辨向电路 指示光栅片向前或向后移动时，莫尔条纹都是作明暗交替的指示光栅片向前或向后移动时，莫尔条纹都是作明暗交替的变化变化, , 从而无法判别光栅移动的方向从而无法判别光栅移动的方向, , 也不能正确测量出有往复也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因此必须在测量电路中加入辨向电路。移动时位移的大小。因此必须在测量电路中加入辨向电路。 在相距在相距1/41/4莫尔条纹宽度处，安放两个光电元件，它们的输莫尔条纹宽度处，安放两个光电元件，它们的输出信号将产生出信号将产生9090度的相位差。度的相位差。 辨向电路设计方法辨向电路设计方法1 1 当光栅沿正方向移动时

7、当光栅沿正方向移动时, UOS, UOS经微分电路后产生的脉冲正好经微分电路后产生的脉冲正好发生在发生在UOCUOC的的“1”1”电平时电平时, , 从而经从而经Z1Z1输出一个计数脉冲输出一个计数脉冲; ; 而而U1U1经反相并微分后产生的脉冲则与经反相并微分后产生的脉冲则与U2U2的的“0”0”电平相遇电平相遇, , 与门与门Z2Z2被被阻塞阻塞, , 无脉冲输出。无脉冲输出。 在光栅沿反方向移动时在光栅沿反方向移动时, UOS, UOS的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在UOCUOC为为“0”0”电平时电平时, , 与门与门Z1Z1无脉冲输出无脉冲输出; ; 而而UOSUOS的反相微分脉冲则

8、发生在的反相微分脉冲则发生在UOCUOC的的“1”1”电平时电平时, , 与门与门Z2Z2输出一个计数脉冲。输出一个计数脉冲。 辨向电路设计方法二：辨向电路设计方法二： 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。 为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。冲来减小脉冲当量的方法。 细分方法有机械细分和电子细分两类。细分方法有机械细

9、分和电子细分两类。四、细分技术四、细分技术8.2.3 8.2.3 数字式角位移检测方法数字式角位移检测方法 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。可靠性被广泛用于各种位移的测量。一、接触式码盘一、接触式码盘 1 1、二进制码盘、二进制码盘 涂红部分为导电区，输出为涂红部分为导电区，输出为“1”1”，空白部分为不导电区，输出，空白部分为不导电区，输出为为“0”0”。所有导电部分连在

10、一起，接高电位。图示码盘共有四圈。所有导电部分连在一起，接高电位。图示码盘共有四圈码道，在每圈码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地。码道，在每圈码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地。360 /2nQ 当码盘与被测物转轴一起转动当码盘与被测物转轴一起转动时，电刷上出现的电位对应一定的时，电刷上出现的电位对应一定的数码。若有数码。若有n n条码道，则角度分辨条码道，则角度分辨率为：率为： 4 4个电刷个电刷 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 二进制码盘的缺点：二进制码盘的缺点： 当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会

11、产生读数误当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生读数误差（误码），这种误差称为非单值性误差。差（误码），这种误差称为非单值性误差。2 2、格雷码盘、格雷码盘 任意相邻的两个代码间任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由只有一位代码有变化，即由“0”0”变为变为“1”1”或或“1”1”变变为为“0”0”。 因此，读数误差最多不因此，读数误差最多不超过超过“1”1”，只可能读成相，只可能读成相邻两个数中的一个数邻两个数中的一个数有有效消除非单值性误差。效消除非单值性误差。 码盘最外圈上的信号码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光错开，只有信号位

12、处的光电元件有信号才能读数，电元件有信号才能读数，这样就不会产生非单值性这样就不会产生非单值性误差。误差。二、光电码盘二、光电码盘二、光电码盘二、光电码盘1 1、绝对式光电码盘、绝对式光电码盘分辨率取决于码道数。分辨率取决于码道数。优点：精度高、绝对码输出、断电无影响优点：精度高、绝对码输出、断电无影响缺点：测量范围小，结构复杂缺点：测量范围小，结构复杂2 2、增量式光电码盘、增量式光电码盘 在圆盘上等角距地开有能透光的两圈缝隙，内缝隙在圆盘上等角距地开有能透光的两圈缝隙，内缝隙A A和和外缝隙外缝隙B B相错半条缝，最外圈开有一个透光狭缝表示码盘零相错半条缝，最外圈开有一个透光狭缝表示码盘零

13、位。两透光缝相差为位。两透光缝相差为9090电气角。电气角。 优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。缺点：优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。缺点：电源出现故障时，数据丢失。电源出现故障时，数据丢失。分辨率取决于狭缝条纹数。分辨率取决于狭缝条纹数。优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。缺点：电优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。缺点：电源出现故障时，数据丢失。源出现故障时，数据丢失。R1=510R1=510， R2=20KR2=20K，VCC=5VVCC=5V。实验。实验中采用中采用2.5mm2.5mm宽度光缝通过宽度光缝通过传感器。南平旭光电子传感器。南平旭光电子。 南平

14、旭光电子生产的反射式单光束红外光电传感器南平旭光电子生产的反射式单光束红外光电传感器ST198ST198。编码器的应用编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，还可用于数字测速、接测量直线位移外，还可用于数字测速、工位编码、工位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。 M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合） 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，在个脉冲，在T 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速个脉冲产生，则转速（r/min)为为 ：n = 60m1/（NT） m1例题例题T 有一增量式光电编码器，其参数为有一

15、增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 在在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，则个脉冲，则转速（转速（r/min)为为 ： n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m1T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，用已知个脉冲，用已知频率频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速，则转速(r/min)为为 n = 60fc / （Nm2 ） T法测

16、速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率，时钟频率fc为为1MHz ，则转速（，则转速（r/min)为为 ：M/T法测速（高速、低速场合均可使用）法测速（高速、低速场合均可使用） M/T法与法与M法稍有不同：法稍有不同： 闸门时间发生器受角编码器输出脉冲上升沿闸门时间发生器受角编码器输出脉冲上升沿的

17、触发，在经历设定的时间后，闸门高电平信号的触发，在经历设定的时间后，闸门高电平信号随被测脉冲上升沿而同步结束。随被测脉冲上升沿而同步结束。M/T法测速（高速、低速场合均可使用）法测速（高速、低速场合均可使用） 分别用两个计数器，对角编码器的输出脉分别用两个计数器，对角编码器的输出脉冲个数冲个数m1和标准时钟脉冲个数和标准时钟脉冲个数m3同时进行计数，同时进行计数，从而计算得到从而计算得到ts，tsm3 T0m3/f0 。与。与M法相法相似，角编码器的输出脉冲频率似，角编码器的输出脉冲频率f为为则角编码器的转速则角编码器的转速n为为301s1mfmtmf3016060mfmNNfn安装套安装套编

18、码器的安装方式编码器的安装方式 1. 1.编码器编码器的套式安装的套式安装安装轴安装轴2.2.编码器的轴式安装编码器的轴式安装编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用11绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器设该增量式光电编码器的参数为的参数为1024 1024 p p/ /r r，大、小大、小皮带轮的传动比为皮带轮的传动比为5 5，若希望若希望当加工好元件当加工好元件3 3后紧接着加工后紧接着加工元件元件4 4，则电动机转动了多少，则电动机转动了多少分之几圈？应等待角编码器分之几圈？应等待角编码器给出多少脉冲数时

19、，给出多少脉冲数时，电动机电动机停转？停转？ 编码器在数控编码器在数控加工中心的刀库选刀加工中心的刀库选刀控制中控制中的应用的应用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 用不同的刀具加用不同的刀具加工复杂的工件工复杂的工件编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 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角编码器

20、在机器人控制中的应用角编码器在机器人控制中的应用伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机编码器编码器伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机编码器编码器编码器编码器编码器编码器8.4 8.4 力的检测方法力的检测方法Force detecting meathods 弹性体受力的作用时将发生弹性变形，检测弹性体变弹性体受力的作用时将发生弹性变形，检测弹性体变形可求得力的大小。力矩是通过测量弹性体的扭转变形而求形可求得力的大小。力矩是通过测量弹性体的扭转变形而求得的。因此，得的。因此，位移测量的检测方式是检测力和力矩的基础位移测量的检测方式是检测力和力矩的基础。这里要介绍几种检测弹性变形的传感元件。这里要介绍几种

21、检测弹性变形的传感元件。 常用的检测弹性元件变形的传感器常用的检测弹性元件变形的传感器:v金属应变元件金属应变元件v半导体应变元件半导体应变元件v压电元件压电元件v压敏导电橡胶压敏导电橡胶v原理原理：金属电阻丝的电阻：金属电阻丝的电阻R R取决于金属材料的电阻率取决于金属材料的电阻率、长度长度l l和截面积和截面积S S，有如下关系：，有如下关系： 在拉伸力作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致在拉伸力作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致电阻变化。其电阻的变化量相对于初始值可以表示为：电阻变化。其电阻的变化量相对于初始值可以表示为：拉伸拉伸l l与截面直径与截面直径D D之间的关系为

22、：之间的关系为：式中式中为材料的泊松比。为材料的泊松比。 llRRllDD)21( v应变灵敏度应变灵敏度K K：表示单位应变的阻值变化表示单位应变的阻值变化 金属电阻丝由于弹性形变的电阻率变化很小，可以金属电阻丝由于弹性形变的电阻率变化很小，可以忽略；它的泊松比大约为忽略；它的泊松比大约为0.30.3。因此。因此K K大约为大约为2 2左右。左右。 kRR 即：即： )21( llRR为为轴轴向向应应变变ll 如图，一种是把金属丝贴在塑料薄膜基片上，在电阻丝上外如图，一种是把金属丝贴在塑料薄膜基片上，在电阻丝上外加覆盖层；一种是在基板上加工箔片式薄膜电阻（采用光刻技加覆盖层；一种是在基板上加

23、工箔片式薄膜电阻（采用光刻技术，均匀，阻值一致性好，传递应变性能好，常用）。其粘贴术，均匀，阻值一致性好，传递应变性能好，常用）。其粘贴方式随测量目的的不同而不同。图方式随测量目的的不同而不同。图818是压力和扭矩的粘贴是压力和扭矩的粘贴方式。方式。v电阻应变片的结构及粘贴方式如图电阻应变片的结构及粘贴方式如图817、818所示所示: 两个应变片分两个应变片分别承受拉伸力和别承受拉伸力和压缩力，一般使压缩力，一般使用两组，接入测用两组，接入测量电桥，可提高量电桥，可提高灵敏度和稳定性。灵敏度和稳定性。检测扭矩时与轴检测扭矩时与轴线成线成4545角的各角的各点上受力最大。点上受力最大。v工作原理

24、工作原理：基于：基于半导体的压阻效应半导体的压阻效应单晶半导体材料在沿某单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化。一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化。v特点特点：单位应变的电阻率变化（即灵敏度）很大，电阻率变化单位应变的电阻率变化（即灵敏度）很大，电阻率变化与应变量的关系如下：与应变量的关系如下： E E为材料的弹性模数，表示应变与作用力的关系；为材料的弹性模数，表示应变与作用力的关系；称称为半导体应变片的压阻系数。为半导体应变片的压阻系数。体积小，一般用于测压力。体积小，一般用于测压力。稳定性差，需温度补偿电路，大应变时，非线性。稳定性差，需温度补偿电路，大应变时，

25、非线性。金属应变片受压缩力时阻值变小；而半导体应变片可能增大金属应变片受压缩力时阻值变小；而半导体应变片可能增大（N N型阻值随压力的变化率为负，型阻值随压力的变化率为负，P P型为正，因为决定半导体阻型为正，因为决定半导体阻值的电子和空穴的数量及移动量在力的作用下可正可负）值的电子和空穴的数量及移动量在力的作用下可正可负）v定义：某些物质如石英、陶瓷等在受外力作用时不仅几何尺定义：某些物质如石英、陶瓷等在受外力作用时不仅几何尺寸发生变化而且内部分子极化，使材料表面带电荷的现象。寸发生变化而且内部分子极化，使材料表面带电荷的现象。v特点特点：表面电荷很快被材料内部的自由电荷或环境中的杂散：表面

26、电荷很快被材料内部的自由电荷或环境中的杂散电荷中和掉，呈电中性。故不能测恒压力，可响应动态压力，电荷中和掉，呈电中性。故不能测恒压力，可响应动态压力，还可用于加速度与振动的测试。环境温度的变化和压电材料本还可用于加速度与振动的测试。环境温度的变化和压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变身的时效，都会引起压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化，故需经常校准。化，故需经常校准。v逆压电效应逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，即机械变形。因此可对其施加交流电做振动源，如高频变化，即机械变形。因此可对其施加交流电

27、做振动源，如高频振动台和扬声器等。振动台和扬声器等。 在橡胶材料里掺入炭粉，在橡胶材料里掺入炭粉，当炭粉浓度达到某一极限以当炭粉浓度达到某一极限以上时，炭粉的颗粒部分发生上时，炭粉的颗粒部分发生接触，会呈现一定的电阻率。接触，会呈现一定的电阻率。当其变形时，阻抗值将随变当其变形时，阻抗值将随变形的强弱而变化，给其配上形的强弱而变化，给其配上X X、Y Y两个地址电极，并集成两个地址电极，并集成上上FETFET（场效应晶体管）或（场效应晶体管）或二极管等开关元件，就可获二极管等开关元件，就可获取作用力的二维分布。用作取作用力的二维分布。用作触摸式面板的开关阵列。触摸式面板的开关阵列。 能够检测位

28、移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动能够检测位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动检测。以检测。以弹簧质量系惯性检测法弹簧质量系惯性检测法为基础，为基础，类型类型包括应变片转包括应变片转换法、压电转换法、动电转换法、涡电流非接触法、可变电换法、压电转换法、动电转换法、涡电流非接触法、可变电容法、差动变压器法等。容法、差动变压器法等。8.5 8.5 加速度与振动测量加速度与振动测量Acceleration and viberaton detecting 由牛顿方程可知，加速度和力是通过质量联系在一由牛顿方程可知，加速度和力是通过质量联系在一起的。如图起的。如图8-218-21所示，可以将

29、弹簧质量系统作为传感所示，可以将弹簧质量系统作为传感器来感受振动，将传感器固定在被测件上。器来感受振动，将传感器固定在被测件上。一、加速度检测原理一、加速度检测原理 设检测系统外壳与质量设检测系统外壳与质量m m之间的相对位移为之间的相对位移为y y，支点位移为，支点位移为z=Asintz=Asint，那么质量，那么质量m m的绝对位移的绝对位移x x为：为：tAdtyddtxdtAyzyx sinsin22222 质量质量m m的受力方程（不考的受力方程（不考虑重力），即运动方程：虑重力），即运动方程：k k为弹簧系数；为弹簧系数；r r为阻尼系数。为阻尼系数。振动系统的运动方程式为：振动系

30、统的运动方程式为： 此式说明支点位移为此式说明支点位移为 的质量的质量m m的振动系统等价于的振动系统等价于支点静止，受外力为支点静止，受外力为mA2sint mA2sint 的加速度系统。的加速度系统。振动系统运动方程的解为：振动系统运动方程的解为：其中：其中：0 0为弹簧质量系统的固有角振动频率，为弹簧质量系统的固有角振动频率，为支点的角振动频率。为支点的角振动频率。由由可求支点的位移变化、速度及加速度。可求支点的位移变化、速度及加速度。(1)(1)支点位移检测：支点位移检测：因此：因此：可见，当固有角振动频率可见，当固有角振动频率0 0 比支点的角频率比支点的角频率小时，即小时，即0 的情况的情况。代入解中，得：。代入解中，得：即要使即要使y y0 0=A=A，见下式：，见下式： 相对位移相对位移y y的振幅与支点位移的振幅的振幅与支点位移的振幅A A大小相等、方向相大小相等、方向相反，这种振动检测称为反，这种振动检测称为位移检测位移检测（vibrometer）。通常。通常要求要求大质量和低弹性的弹簧（大质量和低弹性的弹簧（ 0 ， ），），此时绝对位此时绝对位移移x x等于零，即检测时质量基本静止不动。等于零，即检测时质量基本静止不动。mk 0 相对位移相对位移y y的幅值与支点加速度的幅值与支点加速度AA2 2的振幅成比例变化，这的振幅