机电一体化(三)-传感器与检测

第三章传感器检测及其接口电路3.1概述3.2位移测量传感器3.3

传感器检测技术位置检测装置是数控机床的重要组成部分。

作用:检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控制。

3.1概述传感器在数控机床中的应用

位置检测装置是数控机床的重要组成部分。

作用:检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成闭环、半闭环控制。

根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。a.内部传感器传感器在机器人中的应用b.外部传感器

具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。机器人的感觉多传感器在移动机器人中的应用外界环境视觉１视觉２超声波传感器红外接近觉立体视觉地标识别障碍探测目标物探测景物识别内部传感器融合力觉触觉环境模型定位避障操作规划学习路径规划任务规划：执行机构控制指令感觉功能3.1概述一、定义及分类：1、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。“传感器技术是机电一体化的第一基础”2、分类：1)、按被测物理量的性质分;位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；2)、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3)、按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、数字型和模拟型.

计数型（二值型+计数型）电压，电流型（热电偶,光电电池,压电元件）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）二值型无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（光电编码器，磁尺）2、分类二、传感器的基本特性1.传感器的静特性传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。(1).线性度传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即二、传感器的基本特性(2).灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示

二、传感器的基本特性(4).重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出——输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即近似计算二、传感器的基本特性5.分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。6.零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。3.2位移检测传感器

位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量，而且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量位移为基础的。直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅,磁栅传感器。角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。3.2.1光栅传感器

一、光栅的类型和结构

计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。

光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。其分辨率高达纳米级,测量速度高达480m/min,测量行程高达100m.它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。尺身尺身安装孔

反射式扫描头扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅扫描头光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）标尺光栅（长光栅）

指示光栅（短光栅）光栅的构造：反射式光栅金属反射光栅

钢尺、钢带照相腐蚀、钻石刀刻划热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎透射式光栅玻璃透射光栅

光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单;

刻线密度大100条/mm,细分后，分辨率达微米级;

易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度.透射式圆光栅固定莫尔条纹的光学放大作用

在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。

光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度LL≈W/θ

，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）

Pθ标尺光栅图莫尔条纹

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正弦变化的电信号，如图所示。

亮度电压光栅位移O光栅位移

光栅的实际亮度变化光栅的输出波形图光栅输出信号（电压正弦波）细分点余弦信号正弦信号零位信号辨向电路及波形

如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。

例：某1024p/r圆光栅，正转10圈，反转4圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲，而正确值为：(10－4)×1024＝6144个脉冲。提高光栅分辨精度的措施

1）提高刻线精度和增加刻线密度有限

2）倍频常用四倍频方案光栅刻线密度为50线／mm，采用4个光电元件和4个隙缝，每隔1／4光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。

将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。光栅在机床上的安装位置（2个自由度）光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表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。3.2.2光电编码器（脉冲编码器）光电编码器的特点▢非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；▢允许测量转速高，精度较高；光电转换，抗干扰能力强；▢体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；▢码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。光电编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）其他光电编码器外形（续）

拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。1、增量式脉冲编码器结构及工作原理

转轴盘码及狭缝光敏元件光栅板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC

光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光珊板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：AB90°Z……码盘转一圈后续电路可利用A、A

两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。

▢输出信号的作用及其处理

A、B两相的作用√根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；√根据脉冲的频率可得被测轴的转速；√根据A、B两相的相位超前、滞后关系可判断被测轴旋转方向。√后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。ABCP90O

Z相的作用

√被测轴的周向定位基准信号；√被测轴的旋转圈数记数信号。Z……码盘转一圈增量式码盘的规格及分辨率

增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数,

即脉冲数/转（PPR）；现在市场上提供的规格从36线/转

到10万线

/转

都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。

分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：

增量式编码器的特点

编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的,因此旋转角度的起始位可以任意设定.

增量式编码器的缺点

由于采用相对编码，因此,若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置,掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位;有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干扰）

ConnecttheshieldintheSubDontheencoder用屏蔽的D型接口连接编码器ConnecttheshieldtothePGfittingoftheencoder编码器用屏蔽的PG接口连接Connecttheshieldtotheelectronicsshieldclampoftheinverter在变换器的电路板上用线卡连接旋转编码器的安装

配线时应采用屏蔽电缆,避免在强电磁波环境中使用长距离传输时，应考虑信号衰减因素，选用具备输出阻抗低，抗干扰能力强的型号ConnecttheshieldtothePGfittingoftheencoder编码器用屏蔽的PG接口连接编码器在定位加工中的应用1—增量式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

设该增量式光电编码器的参数为1024p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？编码器在伺服电机中的应用

利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量M法测速（适合于高转速场合）

M法是测量单位时间内的脉数换算成频率，因存在测量时间内首尾的半个脉冲问题，可能会有2个脉的误差。速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大，所以M法宜测量高速。如要降低测量的速度下限，可以提高编码器线数或加大测量的单位时间，使用一次采集的脉冲数尽可能多。

T

编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m1例题T

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m1T法测速（适合于低转速场合）

T法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期，从而得到频率。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T法宜测量低速。时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc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m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

T法测速举例时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：

M/T法测速

同时测量检测时间和此时间内的脉冲数来确定被测转速。用规定时间间隔Tg以后的第一个测速脉冲去终止脉冲计数器，由计数器示数m2来确定检测时间T。

注意，上中的60fc/P项是常数，在检测时间T内，分别计取测速脉冲ftach和时钟脉冲fc的脉冲个数m1和m2，即可计算出电机转速值。计取Tg时间内的测速脉冲ftach的个数相当于M法，而计取T时间内参考时钟脉冲fc的个数m2相当于T法，所以该测速方法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段均可获得较高分辩能力。.绝对式编码器

码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；

对应每圈都有光电传感器；

输出信号的路数与码盘圈数成正比；

检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120▢绝对编码盘的编码方式

及特点

二进制编码：√特点：编码循序与位置循序相一致，但传输、读数的错码率高。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120

格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120格雷码的绝对编码器的分度盘绝对式码盘的规格及分辨率

规格绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关；现在市场上提供从4道到18道

都有；选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。

分辨率（分辨角）α设绝对式码盘的规格n道：

其它位移检测传感器感应同步器磁栅位移传感器旋转变压器激光干涉测量电子尺感应同步器例：已知某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台行程250mm，丝杠导程l＝4mm，齿轮减速比为i=