第三章测量模块

第三章测量模块测量模块：传感器+信号调理+测量系统

作用：信号采集处理，把机械模块的状态和性能参数转为电信号，并作信号转换和信号处理，提供给检测和控制。常用传感器（被测量）：位移、速度、加速度、力（转矩）、压力第一节机械量传感器分类一传感器：将被测变量变换为其他形式的信号的装置。通常是将非电量转化为与之友确定对应关系的电量输出的器件或装置。被测量：位移，速度，加速度，力，力矩，压力。输出：力，位移，电压，电阻等。二调理电路:将传感器输出的信号放大，滤波，使其与控制器或显示装置或A/D转换器相适应。传感器的分类

P71表3-11，按被测量分类：力、速度、温度2，按工作原理（信号转换原理）分类：结构型：传感器的结构变化实现信号转换，电容传感器物性型：敏感元件材料本身物理特性的变化实现信号转换压力式加速度计3，按能量转换关系分类能量转换型（无源）：能量控制型（有源）：四传感器的发展第二节性能指标—输入输出关系特性工作特性、静态特性、动态特性一、工作特性性能、质量、环境

1.测量特性（性能）量程：被测量的上下限定义阈值：能产生输出变化的被测量的最小变化量分辨率：被测量连续变化时，输出以离散阶梯形式变化，阶梯的大小定义为分辨率。灵敏度：输出变化量与对应的输入变化量的比值。2.工作特性（质量）可靠性：在给定的时间周期内，能在给定条件下（环境限制，超量程范围，输出漂移量）工作的可能性。漂移：在给定的时间内，产生的不希望的变化。零漂:输入为零时的漂移。灵敏度漂移:灵敏度变化。3.环境影响:

零位温漂:在给定的温度范围内的零漂。灵敏度温漂:在给定的温度范围内的灵敏度变化。二静态特性——被测量是常量或者缓慢变化的量。精度——输出与被测变量理想值的一致程度。误差——测量值与理想值之差。精度表示法：①以被测量表示（如±1℃）②满量程的百分数（如±1%）③输出值的百分数（如±1%）重复性——在相同条件下，连续几次测量所得输出之间的最大差值.

可重现性——在长时间内，由两个方向趋近同一个输入，多次测量所得输出的最大差值。线性度——输入输出特性曲线与直线的紧密程度,由实际特性曲线与对应所选直线之间的变化量与满量程的百分比确定。独立线性度直线基于零位的线性度直线基于端点的线性度直线最小二乘线性度——由标定曲线的输入输出数据，通过最小二乘拟合计算获得。动态特性:

快速变化量的性能用时域和频域的两种描述方法。

1.时域指标由阶跃响应定义.四.性能要求和改善措施

1.性能要求P752.改善措施（1）差动技术

(2)平均技术

(3)稳定性技术

(4)屏蔽隔离

(5)闭环技术第三节位移传感器一、旋转变压器——角位移测量，精度5″～30″1．结构：定子+转子（两极电机）P762．工作原理图3-6

变压器工作原理：定子是输入绕组：在Ｗs1—Ｗs2，加

转子是输出绕组余弦乘法器：US*COS(Φ),正弦乘法器：UC*SIN(Φ)P77余弦乘法器：US*COS(Φ),正弦乘法器：UC*SIN(Φ)二、感应同步器（一）结构和原理

1．直线感应同步器结构由定尺、滑尺组成.

在钢基尺上贴铜箔绕组，绕组节距2τ=2mm

定尺：250mm，连续绕组滑尺：两个绕组（正弦绕组、余弦绕组）,相距1／4节距(τ/2)下课休息

2．工作原理滑尺的正弦绕组加激磁电压,定子感应电压随滑尺位移而变化，定子感应电压与定子和滑尺的位置关系如下图.下课休息结论:

滑尺的正弦绕组加激磁电压，定尺得到的感应电压是余弦波形。又因为滑尺余弦绕组与正弦绕组错开1／4节距（即

/2），所以在滑尺的余弦绕组的激磁下，定尺的感应电压应是按正弦规律变化。滑尺移一个节距2τ（2mm），感应电势变化2角度。当移动量为Xmm时，感应电势变化机角度，则2τ/2=

X/,即X=（τ/）.（弧度）（mm)=（（度）/360）×2τ=（（度）/360）×W(P80)(二）感应同步器应用

感应同步器与旋转变压器一样，有鉴相与鉴幅两种应用方式

1．鉴相方式(P79)

滑尺绕组，加同频同幅不同相的电压

US=Umsinwt–––定子感应电压为K.Umsinwt.cosUC=Umcouwt–––定子感应电压为-K.Umcoswt.sin

叠加：得定子感应电压为

U=KUmsinwtcos–KUmcoswtsin=KUmsin(wt–)=KUmsin(wt–x./τ)----输出电压的相位角与滑尺线位移成正比。下课休息

2．鉴幅方式，滑尺加同频同相不同幅的励磁电压

US=Umsin电sinwtUC=Umcos电sinwt

定尺感应信号：

U=KUmsin电sinwtcos机–KUmcos电sinwtsin机

=KUmsin(电-机)sinwt

证明定尺电压幅值是机的函数，只要测出幅度，就可以求得机,也就可以得位移.

当位移为X时，调电,令电＝机，使U＝0,边位移边测U,U=KUmsinsinwt=KUm

sinwt

KUm

KUmX

可以对位移增量进行高精度的细分，若要使分辩率为1m，即 ，把U放大，调节增益使U的幅值达到门槛电平，产生一个脉冲。对脉冲计数，同时修改电，使电＝机，使U＝0，当位移又有1m的增量时，又产生一个脉冲。总位移量就是计数值乘上0.001mm。

下课休息

对脉冲计数（1个脉冲对应1m），同时修改电，使电＝机，使U＝0，当位移又有1m的增量时，又产生一个脉冲。总位移量就是计数值乘上0.001mm。下课休息三、光电编码器

––––把机械转角位移变成电脉冲1．结构：下课休息圆光栅：玻璃圆盘，真空镀膜法镀上一层不透光的金属膜和感光材料，用照相腐蚀制成等距的透光和不透光的线纹，线距为P。里圈有一条透光线纹，产生零位信号Z。指示光栅:有两条透光线纹A、B，相距1/4P，产生A、B两路相位相差/2的信号。下课休息2．工作原理：每过一个光栅节距，在光电元件上形成明––暗––明变化一个周期的光信号，经光电转化为近似的正弦信号，经放大，整形变成矩形脉冲，脉冲数与角位移成正比。A、B两路相位相差/2，正转时B超前90O，反转时A超前90O,用于辨别进给方向。下课休息3.方向判别(图3-13)下课休息5．主要参数：每转脉冲数

60，120，180，360，720（电光计数控制）

2000，2500，3000，5000（一般数控机床）

10000,20000，25000，30000（高精度伺服系统）高分辨率脉冲编码器通过细分电路来实现。下课休息

(一)结构：长光栅（标尺光栅）装在机床移动部件上短光栅（指标光栅）固定在机床的固定部件上下课休息四、光栅（直线光栅测直线位移、图光栅测角位移）光栅：透射光栅、反射光栅透射光栅：在涂有感光材料的光学玻璃表面，刻上等间隔光栅线纹。光源可以垂直入射，光敏元件直接接受光照。优点:信噪比好，刻线密度大.

缺点：玻璃易破损，热胀系数与机床金属不一致，影响测量精度。（用于2m以下的位移测量）反射光栅：在不锈钢上经照相腐蚀（或刻线）制成。优点:与机床金属热膨胀系数一致，可做成长光栅，用于大位移场合。缺点：反射后，莫尔条纹反差大，刻线密度低,在50线/mm以下。光栅读数头：光电转换，把位移量转换成脉冲信号输出。光栅线纹太密，线纹计数有困难，利用莫尔条纹放大后,再测量.下课休息（二）莫尔条纹：长短光栅节距W、平行放量、矩光栅倾斜角。长短光栅的刻线相交，光照时，会产生明暗交替相间、间距相等的条纹（称为莫尔条纹）下课休息P/2/W=tg(/2)=/2W=P/

1.莫尔条纹的放大作用

W=P/,P=0.01mm,=0.11°=0.002rad

W=0.01/0.002=500*0.01=5(mm)2．莫尔条纹的误差均化作用莫尔条纹由若干光栅刻线干涉形成，即许多条刻线才能生成一定密度的莫尔条纹，平均了节距误差．

3．利用莫尔条纹测位移

1）光栅横向移一个节距W

莫尔条纹上下移动一个莫尔条纹节距Ｂ（莫尔条纹明暗变化一个周期，检测莫尔条纹的明暗变化，就可测得光栅横向移动的距离．）

2）根据莫尔条件的移动方向，可以辨别光栅的移动方向，光栅右移，莫尔条纹下移．下课休息第四节速度传感器直流测速发电机微型的直流发电机，输出与转速成正比的直流电压。

1分类：电磁式——磁场由电磁线圈产生永磁式——磁场由永久磁铁产生

2灵敏度：0.5V～20v/(Kr/min)3线性度：0.2%～0.1%4作用：测量转速5工作原理：电磁感应原理p84图3-18

每根导线

N根导线

---输出直流电压与转速成正比6输出特性二码盘式转速传感器1脉冲频率法在给定的采样时间△t秒内，测量编码器产生的脉冲数，设编码器每转脉冲数为N。则转速n

低速时，编码器脉冲频率太低。在△t秒内漏检一个脉冲，影响很大。

(r/min)

2脉冲周期法测一个或N2个编码器脉冲所对应得时间间隔t,设编码器每转脉冲数为N，则

（1）精度高。误差±1个时钟脉冲（2）高速时，用多个脉冲间隔来提高精度

第五节加速度传感器

,若直测v,x,经微分，误差会放大。

,固定m,测力F，间接算a.质量-弹簧-阻尼系统二结构

:应变式结构：a→ma→悬臂梁弯曲→应变片测变形量x.

压电式结构：a→ma→压电元件变形→电荷Q。压阻式结构：a→ma→半导体压阻元件变形→电阻率变化.

压阻效应：三分类压电式加速度计对低频（静态）信号不敏感第六节力、扭矩和压力传感器由弹性元件把力、扭矩、压力转换成位移或应变应变——单位长度的位移弹性元件：柱型，环型，悬臂梁型，棒型，筒型，膜片，膜盒。传感元件：电阻应变式，压阻式，压电式，电容式。弹性变形范围大，灵敏度高，测量频带宽。力学模型：二阶微分方程一电阻应变式——电阻应变效应

应变片粘合在弹性元件上，构成桥路。弹性元件受力→应变→电阻变化→电桥输出电压

其中---应变，G---标定系数作用：测力二压阻式——半导体压阻效应在半导体材料基片上扩散电阻，组成电桥，基片做弹性敏感元件，基片受力变形，阻值变化，电桥产生输出。

其中

——应变，

——半导体的弹性模量

——压阻系统。作用：测力三压电式——利用压电元件的压电效应压电元件——石英晶体，压电陶瓷压电效应——压电元件沿一定方向受外力作用而变形时，其相应的相对的表面产生极性相反的电荷，电荷与外力的大小成正比，电荷极性取决于变形方向。压电效应可逆——振动源应用：静态力，压力，动态和恶劣环境下力的测量。四电容式——把力的变化转化为电容量的变化受力→电容极距变化→电容变化五电感式——把力的变化转化为电感量的变化第七节霍尔式电流传感器原理：霍尔效应霍尔效应：当金属或半导体薄片置于磁场中，有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。第八节信号调理电路作用：放大及变换滤波（噪声抑制）隔离阻抗变换匹配一前置放大

1电压跟随器——放大倍数为1的运放（1）电路：同相输入,反相端直接连输出端（2）特点：输出电压=输入电压输入阻抗大：100MΩ

输出阻抗小：100Ω（3）作用：阻抗变换和匹配（1）电路图3-28

反相端：输入，同相端：接地，反馈元件：电容——输出电压与压电传感器的电荷成正比，与反馈电容成反比，（与引线电容和隔直点容无关）2，电荷放大器（—增益调节）3仪表放大器——差动放大器(1)电路图3-30三个运放组成

又∴==高输入阻抗高共模抑制平衡的差动输入增益外部电阻决定滤波电路必要性：电磁干扰产生噪声抑制噪声方法：接地、屏蔽、滤波滤波器分类：低通、高通、带通、带阻（2）一阶有源低通滤波——加一级运放，提高增益和带负载能力。频率特性：对数幅频特性如图3-32d2二阶有源低通滤波

(1)电路图3-33

根据节点电流方程得到

令S=jω,得频率特性:对数幅频特性如图3-33：-40dB/10倍频程（二）高通滤波——把滤波网络中R和C对换，低通就变成高通了，二阶高通滤波电路如图3-34。（三）带通滤波——低通和高通串联起来，并让，就形成了带通。具有选频功能，选择性由Q表示，

—中心频率，B—带宽。（四）带阻滤波（略）与带通滤波器相反三交流载波测量电路场合：交流差动电桥测量电路：交流放大、同步解调、低通滤波作用：消除低频系统噪声、DC漂移、解调器噪声，获得与被测量成正比的信号关键：同步解调器

第九节数据采集系统模拟量：随时间连续变化的量；测量过程：采样→A/D→计算机采样、量化、编码采样频率：为使采样信号能不失真地复原，采样频率必须高于信号最高频率的二倍以上。量化误差：采样量化电路（即A/D电路）的位数决定了量化误差。分辨率=，位数越多，误差越小。

信号形式：（1）数字量：如旋状变压器输出的转角，经转角—数字转换器（IRDC-1730）后，直接产生转角的数字量（直接送给计算机）。（2）脉冲量：光电编码器，光栅等把位移变成脉冲量（经计数器→数字量→计算机）。（3）模拟量：直流测速发电机，压电式，电阻式传感器等产生，连续变化的模拟量（经A/D→数字量→计算机）

A/D转换结束标志方式：中断、查询、软件延时数据采集系统的主要部分：（1）信号调理：多路转换器、可调增益放大器、抗混叠滤波器（2）采样/保持：采样/保持器（3）模数转换：A/D，V/F，I/F（4）数模转换：D/A（5）其他：定时/计数器，总线接口电路等一、多路开关1，采集系统对多路开关的要求对多个模拟通道分时转换，每个模拟通道输入信号前都有一个采样保持器（缓变信号可省略）。要求：（1）开路阻抗无穷大、通路阻抗为0（2）切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠类型：机械式、电子开关式2，典型多路选择开关芯片AD7501：8个输入，1个