自动控制元件-6测量元件(含作业)

自动控制元件

宋宇第6章测量元件概述概念测量元件:检测出一种量并转换成容易处理的另一种量。功能：检测和转换。处理：放大、加减、积分、微分、滤波、存储和传送。容易处理的量：主要指的是电信号。传感器：传出感觉到的量。

6.1测量元件的组成、作用和分类一、组成：敏感元件：灵敏地感受被测量并转换成另一物理量。转换元件：把物理量转换成电路参数量。转换电路：将电路参数量转换成电量。气体压力传感器敏感元件——膜盒，把气压转换成位移。转换元件——可变电感3，把位移量转换成电感。转换电路，将电感转换成电压。6.1测量元件的组成、作用和分类变送器:输出标准信号的传感器。将一种量变换成标准信号（另一种量）并把它送出去。常用的标准信号：直流电流4～20mA。二、作用主反馈元件，反馈补偿元件。对主反馈测量元件的精度要求最高，它的误差将全部加到输出量上。6.1测量元件的组成、作用和分类三、分类根据测量元件的输入量即被测量的性质进行分类。例如测量角位移的元件，测量角速度的元件，测量线位移的元件，测量温度的热敏元件等等。便于用户选择测量元件。根据测量元件的工作原理，遵循的规律和所应用的效应进行分类。例如，和电机工作原理相同的测量元件属于控制电机，包括旋转变压器、感应同步器、测速发电机等等。此外，有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、变压器式传感器、热电式传感器等。6.2测量元件的特性理想特性：输入和输出一一对应(1对1映射)。静特性：输入量和输出量都为常量，或变化极慢时，输出和输入之间的关系。数学关系式中无变量对时间的微分。动特性：输入量和输出量都随时间变化时的关系。数学关系式中有变量对时间的微分。6.2测量元件的特性一、静特性1．变换函数：描述静特性的数学方程。大多数测量元件2．灵敏度和线性度灵敏度：输出量的微小增量与输入量微小增量的比值，变换函数的一阶导数或静特性曲线的斜率。非线性的静特性，不同的点有不同的灵敏度。线性的静特性，灵敏度不变。6.2测量元件的特性非线性误差或线性度：静特性曲线偏离某种拟合直线或规定直线的程度。3．滞环测量元件正反行程中输入输出曲线不重合的现象称为滞环特性或迟滞，它由上升分支和下降分支组成。对应同一输入量，两个分支所对应的输出不同。滞环误差的计算同上。6.2测量元件的特性4．重复性误差输入按同一方向作全量程连续多次变化时的误差。5．静态误差测量元件的输出值与理论值的偏离误差。测试数据与理论输出值的标准偏差取3σ作为测量元件的静态误差。6.2测量元件的特性6．测量元件的其他静态性能参数

零位电压——测量元件输出的最小电压，又称零位信号，剩余电压。零位电压越小越好。

分辨率与阈值——测量元件能检测到的最小的输入增量就是分辨率，又称分辨力。在测量元件输入零点附近的分辨率称为阈值。分辨率不大于误差。

测量范围——测量元件能够满足规定精度的输入量的范围。6.2测量元件的特性二、动态特性测量元件的输入量由一个数值变到另一个数值的过程中呈现的特性就是动特性。数学式中含有变量对时间的导数。用传递函数或频率特性来表示。一阶测量元件（惯性环节）

T为时间常数，T

越小，响应速度越快。二阶测量元件

零阶测量元件：传递函数是常数K。控制系统中，测量元件都可看成是零阶测量元件—比例环节。从时域角度看，测量元件的动态特性应具有足够快的响应速度和适当的阻尼比。从频域角度看，测量元件应当具有足够宽的频带宽度。第7章光电编码器光电编码器：即光电码盘，测量机械系统角位移、角速度的数字编码器，是机电测控系统中最为常用的传感器，如直流伺服电机的反馈测量系统。特点：将机械角位移转化为脉冲或数字输出、测量分辨率高、工作可靠。分类：1）增量式编码器：利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移；2）绝对式编码器：直接输出出与角位置相对应的数字码。7.1光电编码器一、结构由光学玻璃制成的大圆盘上刻有均匀分布的辐射状透光窄缝，分布的周期L称为节距。两组检测窄缝和圆盘上的相同，窄缝的位置相隔1/4节距，两个输出信号在相位上相差90°。两组检测窄缝不动，大圆盘与被测轴相连。7.1光电编码器二、工作原理当圆盘转动时，光线透过圆盘窄缝和检测窄缝照到光电转换器A和B上。通过的光线强度随转角作周期性的变化，所以光电转换器输出的电流信号随转角作周期变化。光电转换器A和B这两路信号经逻辑电路处理、计数后就能得到转角和转速，并可以辨别转动方向。7.1光电编码器为了判别转动方向，信号b是不可缺少的，这是用两个检测窄缝的原因。微分：（上升沿捕获装置）信号由低向高跳变时输出一个脉冲。正转时输出正转脉冲,反转时输出反转脉冲。每输出1个脉冲，表示转过了一个节距。7.1光电编码器将正、反转脉冲分别送入可逆计数器的加减计数端就能正确计算出脉冲数，再乘以码盘分辨率，就得到码盘相对初始位置的角度——角位移的增量。计算轴的转角要有基准。增量码盘事先规定一个基准零点，称为零位。相对这个零位的转角位置称为绝对位置。当码盘转到零位时，输出一个参考脉冲，称为零位脉冲。增量码盘有3个输出端，分别称为A、B和Z。A、B两相的信号相位相差90°，并被处理成相位差是90°的方波。Z相送出的脉冲就是零位脉冲。7.1光电编码器三、分辨率一个脉冲对应的转角表示码盘的分辨率和静态误差。所以分辨率为

码盘的分辨率首先取决于码盘转一周所产生的脉冲数。脉冲数与圆盘刻的窄缝数成正比。码盘直径越大，窄缝越多，码盘的分辨率和精度越高。7.1光电编码器四、倍频码盘转一个节距，只输出1个脉冲。对上述电路进行改进，可得到2倍、4倍、8倍……的脉冲个数，相应的一个脉冲代表的角位移就变为原来的1/2、1/4、1/8……从而明显提高了分辨率。具有这种功能的电路称为倍频电路或电子细分电路。7.1光电编码器4倍频电路逻辑图，方波的跳变正好处于光电信号的0°，90°，180°，270°4个位置。因而一个周期可得到4个脉冲使增量码盘的测量精度进一步提高。AB倍频前倍频后未倍频：

A上升沿同时B高电平；2倍频：

A上升沿同时B高电平；

A下降沿同时B低电平；4倍频：

A上升沿同时B高电平；A下降沿同时B低电平；

B上升沿同时A低电平；B下降沿同时A高电平；7.1光电编码器五、增量码盘的优缺点优点精度高（可用倍频方法进一步提高精度）。体积较小。缺点当前位置断电丢失，系统开机后先要先寻零，对于多圈旋转情况，码盘寻零点不能保证机电系统回零。在脉冲传输过程中，若由于干扰而丢失脉冲或窜入脉冲时将会产生误差，此误差不会自行消除，从而引入累积误差。7.2绝对值码盘一、结构码盘、光源和光电敏感元件。码盘上由一系列同心圆组成光学码道，每个码道上按一定规律分布着透明和不透明区。每道刻线依次以2线、4线、8线、16线…编排二、原理:光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区被窄缝后面的光敏元件接收，输出为“1”；若被不透明区遮挡，光敏元件输出为“0”。各个码道的输出编码组合就表示码盘的转角位置。

7.2绝对值码盘三、编码１.二进制编码盘，每一个码道代表二进制的一位，最外层的码道为二进制的最低位，因为最低位的码道要求分割的明暗段数最多，而最外层周长最大，容易分割。用N表示码盘的码道数目，即二进制位数，则角度分辨率为目前高精度绝对值码盘一般为19位。7.2绝对值码盘２.循环（格雷）码的码盘

相邻两个代码间只有一位数变化。二进制数有一个最小位数的增量时，只有一位改变状态，误差不超过最小的“1”个单位。但是转换成自然二进制码需要一个附加的逻辑处理转换装置。7.2绝对值码盘格雷码：又叫循环码或反射码，属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。二进制码->格雷码（编码）：从最右边一位起，依次将每一位与左边一位异或(XOR)，作为对应格雷码该位的值，最左边一位不变格雷码-〉二进制码（解码）：从左边第二位起，将每位与左边一位格雷码值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）.

7.2绝对值码盘四、多圈绝对编码器单圈绝对式编码器：以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。多圈绝对式编码器：量旋转超过360度范围编码器。运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。7.3测速方法以光电增量码盘为代表的角位移传感器的输出信号是方波脉冲信号，脉冲的个数与角位移成正比。由此类脉冲信号求速度有下述三种方法。一、M法测速由规定的检测时间内传感器的脉冲数计算速度。设传感器每转产生的脉冲数为P，在检测时间段（s）内测得的脉冲数为，Tg时间内转动m1/P转，则转速n为

r/min7.3测速方法当脉冲数增加1时，转速的变化就是M法的分辨率，记为Q（r/min），

提高P和

，可提高分辨率。若以分辨率Q作为转速测量值的误差Δn，则误差Δn与转速n无关，但相对误差Δn/n与转速成反比。高速时相对误差小。M法适用于高速测量情况。7.3测速方法二、T法测速由传感器两个脉冲相隔的时间T来确定转速。用频率为的时钟脉冲向计数器发送脉冲。用传感器两个相邻脉冲控制计数的起始和终止。设计数器在T时间内读到的时钟脉冲个数是，则

(s)，T时间内转动1/P转，故转速为

r/min

7.3测速方法当时钟脉冲的计数改变1时，对应的转速的变化就是分辨率Q（r/min），有n越小，Q越小，转速越低，分辨率越高。T法在低速时有较高的分辨率和精度，适用于低速测量情况。7.3测速方法3.M/T法检测

为规定的检测时间。之后传感器的第1个脉冲时，时钟脉冲终止计数。实际检测时间T由时钟脉冲数确定。为检测时间T内传感器脉冲个数，没有误差。可知，由、可求出转速n。

无误差，

误差为1，分辨率Q为

r/min作业（10分）1、绝对式光电编码器和增量式光电编码器有何区别？各自的优缺点？2、2048线增量式光电编码器，其角度分辨率？10位绝对光电编码器，其角度分辨率？3、对于脉冲信号输出型位移传