第二章 位置和速度传感器

《伺服运动控制系统》许O）bushxuh@伺服运动控制系统控制器执行器实际输出期望输出传感器高精度的伺服运动控制系统：负反馈的闭环控制系统第二章位置和速度传感器传感器类型速度传感器位移传感器加速度传感器力传感器旋转变压器；感应同步器；光电编码器；光栅尺；磁尺；速度传感检测门捷列夫：检测是认识自然的手段，有检测才有科学。西门子：检测就是去认识。开尔文：凡存在之物，必以一定的量存在。信息论：检测是获取信息的过程。组成闭环控制系统的关键部分；决定了整个控制系统的控制精度。测量就是用专门的技术工具靠实验和计算找到被测量的值（大小和正负），测量的目的是为了在限定时间内尽可能正确地收集被测对象的未知信息，以便掌握被测对象的参数和对其运动、变化过程的控制。检测系统组成：被测系统传感器信号调理数据显示和记录观察者敏感元件被观测对象变换信号处理传输测量电路显示装置第一过程第二过程术语敏感元件：感受被测参数；变化转换另一种物理量传感器：感受被测参数；变化转换另一种易于传输物理量变送器：一种特殊的传感器，使用同一的动力源，输出为标准信号。被测参数：待测参数：直接测量：间接测量：通过测量与待测参数有函数关系的其它量，经数学处理得到待测参数的量值。矩形面积的测量？检测系统

静态特性：当输入系统的被测物理量为不随时间变化的恒定信号时，系统的输入与输出之间呈现的关系。线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、精度。测量系统的静态特性基本要求：1。当输入系统的被测物理量为零，系统的输出为零；2。输入与输出成唯一的对应关系。检测仪表的基本性能测量范围和量程：量程＝测量上限值－测量下限值输入输出特性：

灵敏度：表征系统对输入量变化的响应能力。（灵敏度）ΔxΔy（输出变化量）（输入变化量）分辨率：表征系统有效辨别输入量最小变化的能力。死区回差线性度△max正行程反行程输出值输入值△max量程×100%△max输出值输入值△max量程×100%输入值输出值漂移：仪表的输入未变化其输出发生的变化稳定性：重复性和再现性：同一量、多次测量可靠性：出故障的概率误差绝对误差：仪表输出值与真值（约定真值）间的差值△x＝x－x0相对误差：绝对误差与约定真值比的百分数，

δ＝△x/量程×100%仪表基本误差：标准条件下，全量程范围内的各输出误差中绝对值最大的为仪表基本误差。精度或精准度：指示值和被测量真值的符合程度。各不确定度之和。满刻度相对误差大小来衡量准确度等级：用仪表满刻度相对误差略去百分号…，0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，…，准确度与准确度等级ThrottleAdjustmentSystems

动态特性：系统对随时间变化的输入量的响应特性。时域特性时间，s0123450t位移，mmy98%，响应时间10%~90%，上升时间超调量衰减度~~检测系统频率特性：频带：检测系统增益保持在值内的频率范围检测系统检测系统的滞后？k/(Ts+1)1e-гs一阶系统的稳定性？时滞特性0гx1(t)x2(t)L(x2(t))L(x1(t))=X1(t)X1(t))e－гsx2(t)＝x1(t－г)时滞环节的输出信号x2(t)比其输入信号x1(t)滞后一定时间г，GH（s）＝e－гst根轨迹闭环系统的特征方程：1+G（s）·

GH（s）＝01+〔k/(Ts+1)〕e－гs＝00jωσ+jπ-jπ时滞系统的主根轨迹，г＝1（s）时即使是一阶系统，由于时滞的存在，也可能使得系统变得不稳定；普通一阶系统。开环增益取得再高也不会不稳定，但有时滞环节后，增益的取值受限了。时滞系统k/(Ts+1)1e-гs测量元件、控制器、执行机构等环节在传递信号过程中都会产生时滞现象。稳定性分析作业：带时滞环节的系统稳定性分析传感器和敏感元件是两个不同的概念。传感器技术传感器也是一种换能元件，它把被测的量转换成一种具有规定准确度其他量或同种量的其他值，因此，把传感器称为换言之能器涵义更为广泛。

敏感元件是指直接感受被测物理量并对其进行转换的元件或单元。而传感器则是敏感元件及其相关的辅助元件和电路组成的整个装置，其中敏感元件是传感器的核心部件。传感器也泛指将一个测物理量按照一定的物理规律转换为另一物理量的装置。传感器也泛指将一个测物理量按照一定的物理规律转换为另一物理量的装置。传感器的分类

常用的传感器的分类有按被测物理量进行的分类，如测量力的力传感器，测量速度的速度传感器。也可按传感器的工作原理或传感过程中信号转换的原理分类，这可分为结构型和物性型。传感器的分类

结构型传感器由敏感元件和变换器组成，敏感元件又叫弹性元件，如：梁、膜片、柱、简、环等可将力、重量、压力、位移、扭矩、加速度等多种被测信号转换为中间变量（即非直接输出量）。变换器将弹性敏感元件输出的中间变量转换成电参量的变化作为输出量。所谓结构型传感器是指根据传感器的结构变化来实现信号的传感器。物性传感器是根据传感器敏感元件材料本身物理特性的变化而实现信号的转换。如压电加速度计是利用了传感器中石英晶体的压电效应，光敏电阻是利用材料在受光照作用下改变电阻的效应等。它没有中间转换结构，与结构型对应而言，它只有变换器。传感器的分类

对于电量可直接检测，而对于非电量的检测实际上是非电量的电测，是将非电量转换成电量再加以测量。按待测量来分类，大致可分为物理量、化学量和生物量三大类。

传感器的分类

ThrottleAdjustmentSystems类别检测量及检测对象物理量机械量几何量长度、位移、应变、厚度、角度、角位移运动学量速度、角速度、加速度、角加速度、振动、频率、时间力学量力、力矩、应力、质量、荷重流体量压力、真空度、液位、粘度、流速、流量温度温度、热量、比热电量电流、电压、电场、电荷、电功率、电阻、电感、电容、电磁波磁场磁通、磁场强度、磁感应强度光光度、照度、色、紫外光、红外光、可见光、光位移湿度湿度、露点、水分放射性射线X、化学量气体、流体、固体分析、pH值、浓度生物量酶、微生物、免疫抗原、抗体光电导效应基础效应

在光辐射作用下，材料的导电性发生变化，这种变化与光辐射强度呈稳定的对应关系，这种现象就是光电导效应。光电导效应IphvU霍耳效应在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。

（a）霍尔效应和霍尔元件这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压，其大小与激励电流、磁场强度、材料有关。ThrottleAdjustmentSystems当具有压电效应的材料受到沿一定方向的外力作用而变形时，在其某两个表面上将产生极性相反的电荷。常见的压力材料有石英晶体（又称水晶）、铌酸锂（LiNbO3）、镓酸锂（LiGaO3），锗酸铋（Bi12GeO20）等单晶和经极化处理的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅压电陶瓷（PZT），还有高分子压电薄膜聚偏二氟乙烯（PVDF），压电半导体（ZnO、CdS）等。压电效应利用电压所产生的电场控制半导体表面电流的效应的称为半导体表面场效应。它是绝缘栅场效应晶体管（如MOS场效应管）基本的工作原理。如果这种控制作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质而变化，则可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体场效应化学传感器。半导体表面场效应磁致伸缩效应

磁致伸缩材料是一种铁、镍合金材料，被外界磁场磁化时，其体积或者长度发生变化，这种现象被称为磁致伸缩效应。这一现象是磁致伸缩材料的内部磁畴按照外界磁场磁化方向排列的对外的宏观显示。电致伸缩效应

？1.半导体敏感材料半导体材料可以将多种非电量转换为电量，无论是光、声、热、磁、气、湿等都可以利用相应的半导体材料进行传感，特别是硅半导体材料，工艺十分成熟，很容易将传感器微型化、集成化、多功能和智能化。新型敏感材料2.光导纤维光导纤维由三层构成，其中央有个细芯称为纤芯，直径只有几十微米，纤芯的外面有一层薄薄的包层，光纤最外层为保护层，其折射率大于包层，包层的折射率远小于纤芯这样的构造可以保证入射到光纤内的光波以全反射的方式集中在纤芯内传输。光在纤芯与包层的交界面上，无数次反射呈锯齿形状路线向前传播，最后从光纤芯另一端传出。新型敏感材料新型敏感材料3.高分子材料有机高分子的分子骨格几乎都是由强化学键的键构成的，高分子集合体固体的特征是非晶结构，高分子材料在电气特性上主要表现为绝缘性。不过高分子材料也可以作为敏感材料，主要可以用作压电、热释电、光电材料等。如：电导性高分子薄膜、压电式热释电材料（PVDF）。新型敏感材料4.石英晶体化学成分为SiO2，石英晶体俗称水晶，理想形状为六角锥体，是电绝缘的离子型晶体电解质材料，具有压电效应、光的双折射效应等。新加工工艺1.薄膜加工工艺薄膜成膜的主要方法是蒸发、溅射以及化学气相淀积。蒸发和溅射都需要在真空中进行。薄膜成膜的主要设备是真空镀膜机，真空镀膜机的钟罩为薄膜成膜提供真空环境。(1)蒸发：真空泵把淀积室（钟罩）内的气压抽至在1.33×10-2Pa以下，然后采用电阻加热、电子轰击等办法加热蒸发源材料，迫使蒸发材料表面的原子或分子离开材料表面，并淀积在基片上。蒸发材料可以是金属、非金属或热稳定性良好的化合物。(2)溅射：溅射是材料表面受到具有一定能量的离子的轰击而发射的现象，其基本原理是利用电场作用将惰性气体电离，而正离子将向阴极方向高速运动，撞击阴极表面，把自己的能量传递给处于阴极的溅射材料的原子或分子逸出而淀积到基片上，形成所需要的薄膜。新加工工艺(3)化学气相淀积(CVD)：使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成）形成固态物质淀积在衬底上的方法，叫作化学气相淀积，简称CVD技术。化学气相淀积的基本结构主要包括：反应气体输入部分、反应激活能源供给部分和气体排出部分。新加工工艺(4)分子束外延：所谓外延是指以某点为中心向外生长，分子束外延（MBE）是一种利用分子射束在单晶衬底上生长单晶层的外延方法。它已成为研制GaAs集成电路和集成光路不可缺少的技术，为表面物理、表面化学的基础研究和研究新型传感器提供了最佳环境和工艺条件。新加工工艺新加工工艺2.光学曝光微加工工艺在光学曝光加工中，一般需要具有一定图形的掩模板（简称掩模），掩模上的图形区和非图形区对光线的吸收和透射性不同，将光线照射在具有特定电路图形的掩模上，就会将掩模上的电路图形转印到硅片的抗腐蚀剂上，然后通过显影、刻蚀和淀积金属等工艺，即可获得集成电路的图形布线。新加工工艺3.激光微细加工激光微细加工具有直接写入、低温处理等独特的优点，在微电子、光电子、集成光学、光电集成电路等领域都能发挥广泛的作用。激光微细加工方法主要有：激光辅助气相淀积、激光辅助固相淀积、激光辅助液相淀积、激光辅助化学掺杂、激光退火。4.光纤制造技术石英玻璃光纤的制造工艺主要包括预制双层超纯石英玻璃光纤棒、拉丝制成光纤、涂覆。新型传感器件1.光电位置传感器件（PSD）光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。PIN型PSD的断面结构示意图Ｐ层Ｉ层Ｎ层①②③新型传感器件2.电荷耦合器件（CCD）当光透过片子顶面或背面照到光敏元时，光敏元中便会因光子的轰击而产生电子—空穴对，即光生电荷。入射光越强则光生电荷越多，无光照的光敏元则无光生电荷。通过转移栅进行电荷的转移，根据输出的先后则可以辨别出电荷包是从哪位光敏元来的，而且根据输出的电荷量的多少，可知该光敏元的受光强弱。输出电荷经放大器放大后，变成一个个脉冲信号，电荷多，脉冲幅度大，电荷少，幅度小，这样便完成了光电模拟转换，实现了图像信号到电信号的转变。新型传感器件3.光纤传感器光纤位移传感器是利用光纤传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。光从光源耦合到输入光纤射向被测物体，被测物体将入射光反射回另一根光纤（输出光纤），光敏检测器产生与接受到的光强成正比的电信号，被测物体与光纤探头的距离同接受到的光强成对应关系，由此可以检测出被测物体的位移量。新型传感器件4.集成传感器 集成传感器是将敏感元件、信号调理电路、补偿电路、控制电路或电源等制作在同一芯片上，使传感器具有很高的性能。硅电容式集成传感器集成温敏传感器集成磁敏传感器

新型传感器件机器人传感器机器人传感器是一种能把机器人目标物的特征和参数转换为电量输出的装置。内部、外部视觉、触觉、接近觉、听觉、嗅觉、味觉？？检测元件旋转变压器

旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系。

旋转变压器

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检出装置

u1(t)=Umsinω0tu2(t)=Umcosω0t

ubr(t)=k[u1(t)cosθ+u2(t)sinθ]=kUmsin(ω0t+θ)旋转变压器由定子、转子组成。定子的两个绕组相互垂直。特性K为定子绕组和转子绕组的有效匝数比。转子绕组中产生的感应电压的幅值Um不变，相位与转角θ相同。激励信号的角频率ω0一般远高于工频。正/余弦旋转变压器（XZ）、线性旋转变压器（XX）、比例旋转变压器（XL）特性激励电压30V以下激励信号频率：400Hz、（1、2、4）kHz摩擦力矩小10bit：0~1024（r/s）；12bit：0~260(r/s)；

14bit：0~65(r/s)；16bit：0~16.25(r/s)常用可编程正弦波振荡器AD2S99和旋转变压器/数字转换器AD2S80A组合使用。光栅栅距：0.002~0.005mm的物理光栅；栅距：0.004~0.025mm的计量光栅；直线式透射光栅、莫尔条纹式光栅计量光栅：透射、反射长光栅、圆光栅组成光栅尺反射式光栅透射式光栅圆光栅摩尔条纹式光栅光栅是运用光的衍射效应来测量直线位移或角位移的光学传感器。波绕过障碍物继续传播，也称绕射。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。光的衍射摩尔条纹当θ很小时，莫尔条纹的节距W为：W=ω/θ这表明莫尔条纹的节距是光栅栅距的1／θ倍。

条纹间距光栅尺

辨向光路设置电位器桥细分光栅尺信号处理电路设计电路原理图电路制作实物演示用分立元件设计并制作完整的光栅信号处理电路，实现直线光栅输出信号的辨向、细分、计数功能。作业：光电码盘（a）二进制编码盘(b)循环编码盘光电编码器光电编码器是一种旋转式位置传感器，在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。增量式光电编码器

辨向、计数、分辨率光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α为：α=360°/n分辨率=1/n例如：码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°QDZ4096型的一圈输出212个脉冲。所谓的脉冲辨向和计数。脉冲的辨向和计数既可用软件实现也可用硬件实现。增量式光电编码器A、B组脉冲相差90°A为前向脉冲，B为后向脉冲。三相中的另一相C0相为盘上的单独一个窄缝一周只产生一个脉冲为原点零位脉冲，用于基准点定位。使用PLC采集数据可选高速计数模块，使用工控机采集数据时，用高速计数板卡，使用单片机采集数据，建议带光耦的输入端口。一般采用TTL电平。易于小型化，响应快，结构简单，掉电数据丢失，有误差累积现象。ZG系列：ZG60、ZG100；LEC系列（LED灯）绝对式编码器绝对式编码器记忆物体的绝对位置、角度、圈数。径向有若干同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形区相间组成。接触式、光电式、电磁式不要计数器，直接输出数字码。码道越多，分辨率越高。可多转绝对式编码器常用GSB14-B、JX65-14、JX110-16型号绝对式编码器循环码盘（或称格雷码盘）光源格雷码编码轴的位置二进制码循环码轴的位置二进制码循环码000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000格雷码格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，也不能直接转换成物理信号，要经过一次码变换，变成自然二进制码,再由上位机读取。解码的方法是用‘0’和采集来的4位格雷码的最高位（第4位）异或，结果保留到4位，再将异或的值和下一位（第3位）相异或，结果保留到3位，再将相异或的值和下一位（第2位）异或，结果保留到2位，依次异或，直到最低位，依次异或转换后的值（二进制数）就是格雷码转换后自然码的值.霍尔传感器－速度测量霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。型号Vcc/V线性范围/mT

工作温度/℃灵敏度S/mV/mT

静态输出电压Vo/Vmintyp

maxmintyp

maxUGN35018～12±100－20～＋853.57.0－UGN35034.5～6±90－20～＋857.513.530.05

霍尔元件

它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成。使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分