机电一体化传感器检测系统设计

1、第5章 机电一体化传感器检测(jin c)系统设计 传感检测技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，其功能直接影响到系统自动化的程度,其处理结果是系统控制指令的主要(zhyo)依据。能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。5.1 传感器检测系统设计概述 1共八十六页5.1.1 传感检测技术(jsh)及特点1. 分类（转换原理）：电磁检测（电阻(dinz)式

2、、电感式、热电式、压电式、振频式、磁电式等）光学检测（激光式、红外式、光栅式、光编码器式等）超声波检测微波检测同位素检测电化学检测2共八十六页5.1.2传感器的组成(z chn)通常传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。 （1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换(binhun)装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。3共八十六

3、页传感器的静态特性是在静态标准条件下,利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近(jijn)线性,与理论直线有偏差,如图所示。5.1.3 传感器的性能指标传感器的线性度示意图 传感器的输入信号不随时间(shjin)变化或变化非常缓慢yFS21Dmax0 xFS1.实际曲线2.理想曲线yx4共八十六页（3-1） （1） 线性度线性度可用下式计算：式中：L线性度(非线性误差)；max最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。 （2） 灵敏度 传感器在静态(jngt

4、i)标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即 (3-2) 对于(duy)线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。5共八十六页(3-3) （3）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线(qxin)的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：Hm输出值在正、反行程间的最大差值。迟滞特性一般由实验(shyn)方法确定,如图所示。图迟滞特性 6共八十六页（4） 重复特性。 传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程(lingchng)连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图所示。重复特性误

5、差用满量程(lingchng)输出的百分数表示,即式中: Rm最大重复性误差。 重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图所示。(3-4) 重复(chngf)特性7共八十六页（5）分辨力:传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为(chn wi)阈值。（6）漂移：由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。（7）精度：精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度，包括传感器的测量精度和重复精度。 2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过

6、时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。8共八十六页 5.1.3 信号传输与处理电路传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1） 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是(hi shi)数字信号,是电压还是(hi shi)电流。（2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。（3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。（4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。9共八十六页 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性(txng)进行刻度，或者说通过试验建立传感

7、器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定分静态标定和动态标定:1.传感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2. 传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。5.1.4 传感器的标定(bio dn)10共八十六页5.1.5 标度(bio d)变换标度变换把它转换成和输入参数具有相同的量纲。各种不同的传感器都有不同的量纲和数值，被测信号(xnho)转换成数字量后仅仅与其输入的参数值相对应，但其量纲和大小并不与输入的被测参数相同，因此

8、必须进行标度变换线性参数的标度变换 非线性参数的标度变换 11共八十六页 线性参数的标度(bio d)变换 Y参数测量值Ym参数量程最大值Y0参数量程最小值Nmym对应的A/D转换后的数字(shz)量N0量程起点y0所对应的A/D转换后的数字量X测量值y所对应的A/D转换值 12共八十六页例：温度传感器量程范围是200800C，在某一时刻(shk)微处理机采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时温度值是多少？ y0200C，ym800C，Nx=CDH=(205)D，Nm=FFH=(255)D满量程值 13共八十六页 非线性参数的标度(bio d)变换有些(yuxi)传感器输出的数据与实际被检

9、测的参数之间不是线性关系，而是由传感器和测量方法所决定的某种函数关系，如果这些函数关系可由解析式来表示，就可直接用解析式进行标度变换。在此情况下的标度变换方法和标度变换公式的形式与线性参数的标度变换相同 14共八十六页 多项式变换(binhun)法 许多传感器输出(shch)的数据与实际参数之间不仅是非线性关系，而且无法用一个简单公式表达，或难以直接计算，这时可采用多项式插值法进行标度变换 先决定多项式的次数N，然后选取N+1个测量点数据，测出这些实际参数值yi与传感器输出经A/D转换后的数值xi（i=0N），代入多项式 15共八十六页5.1.6 数字滤波1. 数字滤波优点(yudin)： 不

10、需要增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前加一段数字滤波软件即可； 因没有硬件设备，传感器精度可以提高，不存在阻抗匹配问题； 数字滤波可以多个通道共用，而模拟滤波器则每个通道都要有一个独立的滤波器； 可以多频率很低的信号进行滤波，而模拟滤波器受电容器容量限制，频率不宜太低； 使用灵活方便，可根据需要选择(xunz)不同的滤波方法和滤波参数。2. 数字滤波缺点：数字滤波占用计算时间，速度比硬件（模拟滤波）的慢。16共八十六页3. 数字滤波方法(fngf)算术平均滤波(lb)法、滑动平均滤波(lb)法和加权平均滤波(lb)法算术平均滤波法适用于对一般有随机干扰的信号滤波，特别适合于

11、信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况 17共八十六页 滑动平均(pngjn)滤波法 滑动(hudng)平均滤波法只需要进行一次测量就能得到平均值。滑动(hudng)平均滤波法采用队列作为测量数据存储器，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放在队尾，而扔掉原来队首的一个数据，这样，在队列中始终有N个“新”数据，在计算平均值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可得到新的算术平均值。这样，每进行一次测量，就可以算出一个新的算术平均值 18共八十六页 加权平均(pngjn)滤波法将各采样值取不同的比例，然后再相加，这称为加减(ji jin)平均滤波法，可以提高滤波效果 Ci=

12、1 19共八十六页5.1.7 测量(cling)系统非线性特性的线性化 1.非线性化类型指数型曲线(qxin)、有理代数型曲线(qxin) （1） 指数曲线型非线性特性（热敏电阻）（2） 有理代数函数型非线性特性（热电偶）0500度时，可近似表示为：20共八十六页2. 非线性特性的补偿(bchng)原理 开环式非线性补偿(bchng)原理校正环节 闭环式非线性补偿原理21共八十六页 增益控制式非线性补偿(bchng)原理增益(zngy)控制式非线性补偿原理框图 增益控制式非线性补偿功能框图 22共八十六页5.1.8 测量系统的温度(wnd)误差补偿检测系统温度误差软件补偿(bchng)原理框图

13、 23共八十六页5.1.9 传感器检测系统设计(shj)基本要求及步骤1.基本要求：精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好特殊要求：如体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境(hunjng)性能好等24共八十六页2. 传感器检测系统设计主要方法(fngf)实验分析法 3.设计步骤 ： 设计任务分析 系统方案选择 系统构成框图设计 环节设计与制造 总装调试及实验分析 系统运行、考核检测(jin c)、修改和完善 25共八十六页5.2.1 传感器的分类(fn li)1. 按能量变换(binhun)的功能分：2. 按输出的信号分：物理传感器化学传感器 计

14、数型（二次型+计数型） 电压，电流型（热电偶,Cds电池） 电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关， 行程开关) 传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）26共八十六页开关型：开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。 模拟型： 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量(dinling)。如电位器、电容式位移传感器、电阻应变片输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。线性的可以直接使用，非线性的需经过

15、线性化处理，模拟量经A/D转换后输入微机。 27共八十六页数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲数字型，其工作原理如图a-1所示。它可以是任何一种脉冲发生器，所发出(fch)的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测运行机构的位移量，这时运行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅。代码型传感器又称编码器，其工作原理如图a-2所示；它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值，例如图中输入量的值为K1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。

16、代码的“1”为高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。常用来检测执行元件的位置或速度，如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。28共八十六页 3. 按工作(gngzu)原理不同分物理型传感器：利用一些材料物理特性(txng)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）4.按其作用可分为：（1）内部信息传感器：检测机电一体化系统内部状态，按被测物理量又可分为检测位置、速度、加速度、力、转矩、温度以及异常变化的传感器。（2）外部信息传感器：检测作业对象和外部环境状态，包括压觉/滑觉传感器、视觉/听觉传

17、感器及电涡流传感器、无线电接收机等。29共八十六页 数字式检测(jin c)系统光栅、磁栅、光电编码器、激光干涉仪等传感器输出(shch)增量码信号，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：传感器放大器整形电路细分电路变换电路计数器计算机显示执行机构辨向电路 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信号不便于读出和处理时，需进行脉冲当量变换电路。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

18、强、易于长距离传输、易于计算机控制、 应用广泛）30共八十六页5. 模拟式和数字式传感器检测(jin c)系统 模拟式检测(jin c)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：传感器量程变换放大器解调器滤波器运算电路A/D计算机 显示、执行机构 振荡器 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。31共八十六页32共八十六页5.2.2 光栅(gungshn)位移传感器在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件

19、。光栅不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁(jc)电压，而是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。常见的光栅从形状上可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅的检测精度较高，可达 以上。 33共八十六页一、光栅(gungshn)的构造 光栅(gungshn)传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅，也称标尺光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。34共八十六页光栅是利用光的透射、衍射现象(xinxing)制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅（主光栅）和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部

20、件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。 35共八十六页光栅副：指示(zhsh)光栅主光栅 (标尺光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2 (注：a为刻线宽度，即透光的明线，b为刻线间的缝隙(fngx)宽度，即不透光的暗线)。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度相同。36共八十六页37共八十六页38共八十六页光栅(gungshn)传感器光源

21、钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗(n ho)和热耗散。 39共八十六页光电元件(yunjin) 包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源(gungyun)时，需要选用敏感波长与光源(gungyun)相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输

22、出以防干扰的影响。40共八十六页二、工作(gngzu)原理 当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间(xingjin)出现的亮、暗带就是莫尔条纹。41共八十六页莫尔条纹(tio wn)（Moire

23、） 条纹(tio wn)宽度： W-栅距， a-线宽， b-缝宽W=a+b ，a=b=W/2 均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动42共八十六页莫尔条纹形成(xngchng)的原理横向(hn xin)莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定 43共八十六页3 莫尔条纹(tio wn)技术的特点方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距(jin j)方向对应放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度可调性：夹角 条纹间距B 灵活准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度 44

24、共八十六页3 莫尔条纹(tio wn)技术的特点调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别(chbi)。莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向

25、改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。 45共八十六页 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(jn s)正弦变化的电信号，如图所示。 其电压(diny)为： u0输出信号中的直流分量；um输出正弦信号的幅值； x两光栅间的瞬时相对位移。即通过用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出。输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数。 46共八十六页将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路(dinl)和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。测量分辨率等于栅距。

26、当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。47共八十六页细分技术(jsh)提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下，用内插法把莫尔条纹间距进行“细分”，提高计数(j sh)脉冲的频率(故又称倍频)。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。 细分方法有机械细分和电子细分两类。48共八十六页感应同步器是利用电磁感应原理把两个(lin )平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线位移和角位移。由于它成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量

27、，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。5.2.3 感应同步器49共八十六页1.感应同步器结构(jigu)二、感应同步器sincos节距2（2mm）节距（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺50共八十六页51共八十六页 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T(一般为2mm)的方齿形线圈。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1/4节距（电相位差90）。滑尺和定尺相对平行安装(nzhung)，其间保持一定间隙（

28、0.050.2mm）。二、感应同步器直线型感应同步器定尺、滑尺的结构(jigu)52共八十六页在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为210kHz）的交变(jio bin)电流时，定尺绕组感应出频率为f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。设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为2.感应同步器的工作(gngzu)原理53共八十六页余弦绕组单独供电所产生(chnshng)的感应电势为 二、感应同步器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式中 ： K-定尺与滑尺之间的耦合

29、系数；-定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）T节距，表示(biosh)直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。54共八十六页 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及(yj)对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。3. 测量方法55共八十六页(1)鉴相式工作法 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(xin ch)90o的两个电压，设二、感应同步器则 从上式可以看出，只要(zhyo)测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x： 56共八十六页二、感应同步器2.鉴幅工作法 在滑尺的

30、两个励磁绕组上分别施加相同频率(pnl)和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：由上式知，感应电势(dinsh)U2的幅值随（）作正弦变化，当 = 时，U2=0。随着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量U2的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。57共八十六页4. 感应同步器的应用(yngyng)直线式感应同步器常常会遇到有关接长的问题。例如，当感应同步器用于检测机床工作台的位移时，由于(yuy)行程较长，一块感应同步器常难以满足检测长度的要求，需要将两块或多块感应同步器的定尺拼接起来，即感应同步器接长。感应同步器的定尺和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上（如工作台和床身），当工

31、作台移动时，滑尺在定尺移动。滑尺和定尺要用防护罩罩住，以防止铁屑、油污和切割液等东西落到器件上，从而影响正常工作。由于感应同步器的检测精度比较高，故对安装有一定的要求，如在安装时要保证定尺安装面与机床导轨面的平行度要求，如这两个面不平行，将引起定、滑尺之间的间隙变化，从而影响检测灵敏度和检测精度。 58共八十六页磁栅是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行检测的装置。它一般分为磁性标尺、拾磁磁头以及检测电路三部分。在磁性标尺上，有用录磁磁头录制的具有一定波长的方波或正弦波信号。检测时，拾磁磁头读取磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号，并将其转化为电信号，根据此电信号，实现对位移的检测。磁栅按其结构特

32、点可分为直线式和角位移式，分别用于长度和角度的检测。磁栅具有精度高、复制简单以及安装调整方便等优点，而且在油污、灰尘较多的工作(gngzu)环境使用时，仍具有较高的稳定性。磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上。3.2.3 磁栅位移(wiy)传感器59共八十六页1.磁栅式位移(wiy)传感器的结构 三、磁栅位移(wiy)传感器1磁性膜 2基体 3磁尺 4磁头 5铁芯 6励磁绕组 7拾磁绕组60共八十六页磁性标尺 磁尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它(qt)合金材料的基体上，涂敷、化学沉积或电镀上一层1020m厚的硬磁性材料（如Ni-Co-P或Fe-Co合金），并在它的表面上录制相等

33、节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层12m的耐磨塑料保护层。 按磁性标尺基体的形状，磁栅可分为实体式磁栅、带状磁栅、线状磁栅和回转形磁栅。前三种磁栅用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。各种磁尺结构形状见图所示。 三、磁栅位移(wiy)传感器各种磁尺结构示意图（a）实体式磁尺（b）带状磁尺（c）线状磁尺（d）回转形磁尺 61共八十六页拾磁磁头 拾磁磁头是进行磁电转换的器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。磁栅的拾磁磁头与一般录音机上使用的单间隙速度响应式磁头不同，它不仅(bjn)能在磁头与磁

34、性标尺之间有一定相对速度时拾取信号，而且也能在它们相对静止时拾取信号。这种磁头叫做磁通响应式磁头，其结构如图所示，它的一个明显的特点就是在它的磁路中设有“可饱和铁心”，并在铁心的可饱和段上绕有两个可产生不同磁通方向的激磁绕组和。 三、磁栅位移(wiy)传感器磁通响应式磁头 62共八十六页2. 拾磁原理： 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近(kojn)磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：三、磁栅位移(wiy)传感器U0输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。 式中： 在实际应用中，需要

35、采用双磁头结构来辨别移动的方向63共八十六页3.测量方式(1)鉴幅测量方式(振幅式工作方式 ) 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号 两组磁头相对(xingdu)于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。 三、磁栅位移(wiy)传感器64共八十六页2.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出(shch)电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为三、磁栅位移(wiy)传感器则合成输出电压U的幅值恒定，而

36、相位随磁头与磁尺的相对位置变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。 65共八十六页5.2.4 角位移检测(jin c)传感器一、旋转变压器 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。二、光电编码器 光电编码器是一种码盘式角度数字检测元件。它有两种基本类型(lixng)：一种是增量式编码器，一种是绝对式编码器。 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。 绝对式编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，但当进给数大于一转时

37、，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，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。 66共八十六页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。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(dinc-gnyng)式及光电式等。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。光电编码器67共八十六页1、增量(zn lin)式光电编码器结构图3-2 增量(zn lin)式光电编码器68共八十六页1.增量(zn lin)式编码器结构二、光电编码器69共八十六页70共八十六页2.增量(zn lin)式编码器工

38、作原理鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，鉴向盘静止不动，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，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上二、光电编码器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，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90。经逻辑电路处理(chl)就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。利用增量式编码器还可

39、测量轴的转速。方法有两种，分别应用测量脉冲的频率和周期的原理。71共八十六页3. 绝对(judu)式光电编码器绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。绝对式编码器能够直接给出对应于每个转角位置的二进制数码， 便于计算机处理。图 绝对式光电编码器结构示意 1光源(gungyun)；2透镜；3编码盘；4狭缝；5光电元件72共八十六页4. 绝对(judu)式编码器原理绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接(zhji)转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是

40、在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码。 (a) 4位二进制绝对式编码器的编码盘 (b) 4位格雷码盘示意图 图3-4 绝对式光电编码器的编码盘73共八十六页 黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360范围内可编数码数为24=16个。 工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同(b tn)位置，光电

41、元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。4. 绝对(judu)式编码器原理但由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，会产生读数误差。例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种，如读成1111、1011、1101、0001等，产生了无法估计的很大的数值误差，这种误差称非单值性误差。74共八十六页(1).循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中

42、，所产生(chnshng)的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。 5. 绝对(judu)式编码器非单值性误差的消除75共八十六页这种码盘是在四位二进制循环码盘的最外圈再增加一圈信号位。该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数(dsh)，这样就不会产生非单值性误差。 (2).带判位光电装置(zhungzh)的二进制循环码盘5. 绝对式编码器非单值性误差的消除76共八十六页5.4 机电(jdin)一体化新的传感装置（1） CCD图像(t xin)传感器（2） 光纤传感器（3） 声表面波（SAW）传感器（4） 微波传感器77共八十六页（1） CC