第3章-机电一体化系统传感与检测系统设计

第3章

传感与检测系统设计3.1概述3.2常见传感器的原理及应用3.3检测系统设计思考题回目录3.1概述3.1.1检测系统的功用、组成及基本要求3.1.2传感器的分类与选用3.1.3检测系统设计的任务、方法和步骤

3.1.1.检测系统的功用、组成及基本要求检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外部环境及自身状态的各种物理量(如力、温度、距离、变形、位置、速度、加速度、功率等)及其变化，并将这些信号转变为电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路，将有用信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及其相应的信号检测电路，就构成了机电一体化产品的检测系统。在机电一体化系统中，需要检测的量绝大部分是非电量，而计算机只能处理电量，因此，检测系统一般包括如图3-1所示两个环节：1．把各种非电量信号转换为电信号，这就是传感器的功能。例如将机械位移量转换为电阻、电容或电感等电参数的变化；将振动或声音转换成电压或电荷的变化。传感器又称为“一次仪表”。2．对传感器送出的电信号进行加工，使之成为合乎需要的、便于输送或显示和记录的、可作进一步后续处理的信号。如将阻抗变换为电压或电流，再将信号进行一系列处理最终转换成数字编码信号。这叫电信号处理系统，通常又称为“二次仪表”。图3-1非电量检测系统的结构形式一次仪表二次仪表由于检测系统一般是由传感器和若干变换环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信息从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程既不失真也不受干扰，传感器及其检测系统必须满足以下基本要求：①精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电一体化系统对检测精度和速度的要求；②线性、稳定性和重复性好，工作可靠；③静、动态特性好，测量范围较大；④抗干扰能力强。除此之外，为了适应机电一体化产品的特点并满足机电一体化设计的需要，还对传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、质量轻、价格便宜、安装与维修方便、对环境适应能力强等。

3.1.2.传感器的分类与选用传感器种类繁多，分类方法也有多种，如按被测物理量分类，按传感器工作原理分类，按传感器转换能量的情况分类等等。这里将传感器按输出信号的性质分类，分为二值型、模拟型和数字型，如图4-2所示。

二值型传感器只输出“l”和“0”或开(ON)和关(OFF)两个值。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时其输出为“l”(ON状态)，在该值以下时输出为“0”(OFF状态)，其临界值就是开、关的设定位。这种“l”和“0”数字信号可直接送入微型机进行处理。如：键盘、按钮。图3-2传感器按输出信号性质分类传感器开关型（二值型）接触型（微动开关、接触开关等）非接触型（光电开关、接近开关等）模拟型电阻型（电位器、电阻应变片等）电压、电流型（热电耦、光电电池、压电元件等）电感、电容型（电感、电容式位移传感器等）数字型记数型（二值＋计数器等）代码型（编码器、磁尺等）

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。传感器的输入／输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟／数字转换(A／D)，将其转换成数字信号后再送给微型机处理。如：测速发电机检测速度可获得连续变化的电压信号，应变片检测应力可获得连续变化的电阻信号。

数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。如用来检测通过输送带上的产品个数。代码型传感器即绝对值式编码器，通常被用来检测执行元件的位置或速度。如：绝对值型光电编码器、接触型编码器等。设计机电一体化产品时，一般根据被测物理量的性质和检测要求来选用传感器。通常，选择传感器需从以下几个方面考虑：1．检测要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。2．传感器性能。精度、稳定性、响应速度、输出量性质校正周期、输入端保护等。3．使用条件。安装条件、工作场地的环境条件(温度、湿度、振动等)、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。

3.1.3.检测系统设计的任务、方法和步骤目前，传感器技术已经形成了一个新型科学技术领域，即传感器工程学。传感器也形成专业化生产，市场上有各种各样的传感器可供选用。因而对于从事机电一体化研究、应用和产品开发的工程技术人员来说，检测系统设计的主要任务是：根据使用要求合理选用传感器，设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，并对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。检测系统的主要设计方法是实验分析法，即理论分析与实验测试相结合的方法。检测系统设计的一般步骤如下：1．设计任务分析。主要包括对机电一体化产品整体功能、性能和应用场合的了解，以及产品对检测系统具体性能要求的分析。2．系统方案选择。包括传感器及信号加工、处理方法的选择。应在大量调查研究的基础上，进行充分的方案论证，甚至做一些必要的原理性模拟试验，以保证所选定的方案是最佳的或较佳的。3．系统构成框图设计。4．环节设计与制造。各环节结构应尽量选用现有的各种功能电路甚至集成电路芯片，当不能完全满足要求时，可进行适当的参数修改或补充设计。各环节电路制作完成后，应进行必要的调试，以达到设计指标要求。5．总装调试及实验分析。6．系统运行和考核。检测系统最终要纳入到机电一体化产品中与其它系统协调、统一地运行，因此其性能还要在整个产品的运行中进行考核，并考虑与其它系统的匹配关系进行修改和完善。检测系统的设计过程是很复杂的，涉及到较深的传感器、电路及信息处理方面的理论知识，而且往往要经过多次反复才能完成。本章介绍一些机电一体化设计中经常用到的传感器及相应的信号检测与处理电路，以及信息的计算机采集和预处理方法。3.2常见传感器的原理及应用3.2.1位移传感器3.2.2速度检测传感器3.2.3位置传感器3.2.4压力传感器3.2.5温度传感器3.2.6声敏传感器

3.2.1位移传感器位移传感器是一种非常重要的传感器，它直接影响着系统的控制精度。位移可分为角位移和直线位移两种。因此位移传感器也有与其对应的两种形式，直线位移传感器和角位移传感器。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、感应同步器和光栅传感器等。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。而电感传感器和电容传感器主要用于小量程和高精度的测量系统。一.电感传感器典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图3-3所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。图3-3可变磁阻式电感传感器当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,即式中：μ0——空气磁导率（H／m）,其值为2π×10-7；A0——空气隙导磁截面积（m2）；δ——空气隙(m)；W——线圈匝数；Rm——总磁阻。上式表明，自感L与空气隙δ的大小成反比，与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变时，改变δ可以反映位移的变化，当然L与δ成非线性关系。也可以根据截面积变化引起电感L变化的原理构成截面型和磁心型传感器。如图3-4所示为差动式磁心型传感器。图3-4可变磁阻差动式传感器当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时，两线圈的自感L相等，输出为零。当衔铁有位移Δδ时，两个线圈的间隙为δ0+Δδ，δ0-Δδ,这表明一个线圈的自感增加，而另一个线圈的自感减小。差动形式连接可以提高灵敏度和线性度，增强抗干扰能力。为了能把这种变化量用电量反映出来，一般都采用如图3-5所示的桥式电路。设Z1＝Z2＝Z，则有，上移为正，下移为负。为电阻变化量。图3-5可变磁阻差动式传感器U0UscZ1Z2UU可以看出：输出电压幅值相等，方向相反。由于U0是一个幅值变化的交流信号，因此需要解调。如果采用无相位鉴别的整流器进行解调，则输出电压与位移的关系曲线便如图3-6(a)所示。为克服用这种方法不能辨别方向的缺点，一般都需要使用能反映极性的相敏整流法，它的输出特性曲线如图(b)所示。图3-6(a)(b)图3-7可变磁阻面积型电感传感器如图3-7所示为可变磁阻面积型传感器。二.差动变压传感器电感传感器是把位移量的变化转化为电感的变化，而差动变压器传感器则是把位移量的变化转化为两个线圈之间的互感变化。图3-8表示一个三段型的差动变压器的传感器原理图。线圈分为初级线圈W和次级线圈W1及W2，线圈中心插入圆柱形铁心p。当初级线圈中输入交流电压U时，线圈中有交流电流流过，便产生磁通通过线圈W1，在线圈W1中产生感应电势；另一部分磁通则通过线圈W2，并在其中产生感应电势，它们可由下式确定：图3-8差动变压器式电感传感器当连接成如图4-9所示桥式电路，且显然，当铁心在中间位置时，M1＝M2，Usc＝0；当铁心向上移动时，M1>M2，Usc>0；反之，M1<M2，Usc<0。随铁心偏离中点的距离增大而增大，同样也是一个调幅正弦信号，可以用与电感传感器相同的方法来处理。图3-9差动变压传感器的桥式电路三.电容传感器电容传感器由两块平行的金属板构成。一般通过改变板间距离、相对面积或介质特性所引起的电容量变化来反映相应的位移量的变化。电容传感器有很多优点：所需的作用能量小；能在恶劣的环境下工作；本身发热影响小；动态响应快。电容传感器的缺点是存在着非线性和泄漏等问题。电容传感器也常做成差动形式。电容检测电路有电桥型电路、调频电路、谐振电路、二极管T形网络电路和脉宽调制电路等几种。此处不再详述。四.旋转变压器检测系统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，抗干扰性好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。

(一)旋转变压器的构造和工作原理旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成，定子和转子之间的气隙中磁通分布符合正弦规律。在定子上有激磁绕组Sl—S2和辅助绕组K1—K2，两个绕组的轴线正交；转子上也有两个互相垂直的绕组A1

—A2和B1—B2，如图3-10所示。图3-10旋转变压器构造原理工作时需要在定子绕组施加交流激磁电压(频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种)，通过电磁耦合，在转子绕组上就感应出与转子转角相对应的电压。转子绕组的引出线与滑环相连，再经电刷引到接线板上与检测电路相连。旋转变压器的工作原理与普通变压器相似。不同的是：普通变压器的输入、输出两个绕组的位置是固定的，其输出电压与输入电压之比为一常数，而旋转变压器的输入、输出绕组分别固定在定子和转子上，所以输出电压大小与转子位置有关。以两极旋转变压器为例(图3-11)。图3-11两极旋转变压的电气原理设施加在定子绕组Sl—S2中的激磁电压是频率为ω、随时间t变化的交流电压Us＝Umsinωt，则转子绕组B1—B2中的感应电势为

UB＝K·Us·

sinθ=KUmsinωtsinθ

式中，K—变压比；Um—定子绕组中交变电压的幅值；θ—转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时θ＝0°。由上式可知，转子绕组中的感应电势UB也是频率为ω、随时间t变化的交变电压信号，其幅值KUmsinθ随转子和定子的相对位置θ按正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对定子的位置，即θ角的大小。当转子绕组中接以负载时，其绕组中便有正弦感应电流通过，该电流所产生的交变磁通将使定子和转子间气隙中的合成磁通畸变，从而使转子绕组中输出电压也发生畸变。为了克服上述缺点，实际应用中常采用四极绕组式旋转变压器，如图3-10所示，其定子和转子绕组均由两个匝数相等，且相互垂直的绕组构成。一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。这种旋转变压器的测量方式有鉴相式和鉴幅式之分。(二)测量方式和检测系统1．鉴相测量方式

鉴相测量方式是根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测转角的大小。在图3-10中，当定子绕组Sl—S2和K1—K2中分别通以幅值和频率相同、相位差为90°的交变激磁电压

Us＝Umcosωt，Uk＝Umsinωt时，便可在转子绕组B1—B2中得到感应电势UB。根据线性叠加原理，UB的值为激磁电压Us和Uk在B1—B2中的感应电势UBs和UBk之和，即

UB＝UBs＋UBk

＝－KUssinθ＋KUkcosθ

＝－KUmcosωt

sinθ＋KUmsinωt

cosθ

＝

KUmsin（ωt－θ）由上式可知，旋转变压器转子绕组中的感应电势UB与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，相位差θ就是被测角位移的大小。方向？使用鉴相式旋转变压器的转角位置控制系统如图3-12所示。定子绕组的激磁电压由基准信号发生器产生，转子绕组中产生的感应电压UB经滤波整形后送入鉴相器。在鉴相器中，UB的相位与指令信号的相位进行比较得到偏差信号△θ，并将其转换成相应的电压信号，经功率放大后驱动电机转动。实际应用中需要注意：UB是变量θ的周期函数，转子每转一转，UB值周期性地变化一次，因此，不但要测出UB的大小，而且要测出UB的周期性变化次数，或者将被测角位移θ限制在180°之内，即每次测量过程中转子转过的角度小于半周。随着大规模集成电路的发展，已有专用集成电路，如IRDCl730和IRDCl733，可以把旋转变压器的转角直接转换成数字量输送给微型计算机。图3-12旋转交压器相位测量系统

2．鉴幅测量方式

鉴幅测量方式是通过检测旋转变压器转子绕组中感应电势的幅值来实现角位移检测的。这时，定子绕组Sl—S2和K1—K2中分别输入频率和相位相同、幅值不同的交变激磁电压

Us＝Umcosα•sinωt，Uk＝Umsinα•sinωt

式中，Umcosα

和Umsinα分别为激磁电压Us和Uk的幅值，

α称为旋转变压器的电气角，可由伺服系统产生。根据线性叠加原理，转子绕组B1—B2的感应电势UB为

UB＝UBs＋UBk

＝－KUmcosαsinωt

sinθ＋KUmsinαsinωt

cosθ

＝

KUmsin（α

－θ

）sinωt

由上式可以看出，转子绕组中的感应电势UB是以ω为角频率的交变信号，其幅值为UBm＝

KUmsin（α－θ）。若电气角α已知，则只要测量出UB的幅值，便可间接地求出被测角位移θ的大小。特别是当感应电势为零时，α＝θ，旋转变压器电气角的大小就是被测角位移的大小，这一点对鉴幅式测量具有重要的意义。实际应用中，通常以测出的值UBm为反馈控制信号，对α进行调节，使之趋于θ。当α变化后，激磁信号Us和Uk随之变化，从而使感应电势的幅值UBm变化。若UBm不为零，那么，它将再次作为反馈信号对α进行调节，直至UBm＝0。在这一使UBm趋于零的过程中，α的变化量就是被测角位移θ的变化量。

α的变化情况可通过具体的电子线路测量出来，并转变为数字脉冲的变化，只要测出该数字脉冲的变化量，使可得到转子转过的角度θ的值。值得注意的是，UBm是变量θ的周期函数，当θ大于180°时，将会造成α对θ跟随错误，例如，当180°<θ<360°时，α可能反向跟随θ角；而θ>360°时，α可能出现跟随失步。另外，θ值较大时，α跟随θ角的线性度不好，跟随误差大，这将使伺服系统的性能受到影响。因此，用于机床伺服系统的鉴幅式旋转变压器的θ值常选得很小，一般不超过3°。但这并不影响使用，因为尽管每次被测对象转过的角度θi小，但转过N次之后，其总的角位移量可以很大。五.感应同步器检测系统(一)感应同步器的构造感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类，分别用来检测直线位移和角位移。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。标准式的直线感应同步器，定尺一般长为250mm，上面均匀分布节距W为2mm的绕组；滑尺长100mm，表面布有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，如图3-13所示。当余弦绕组与定尺绕组相位相同时，正弦绕组与定尺绕组错开1／4节距。图3-13直线感应同步器构造图圆盘式感应同步器如图3-14所示。其转子相当于直线感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1／4节距。图3-14圆盘式感应同步器构造图（a）定子（b）转子直线感应同步器的安装应保证定尺与滑尺平行且有一定的间隙，间隙约为0.25±0.05mm。如果测量长度大于250mm，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使拼接后总长度的精度保持(或略低于)单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式是：若定尺少于10块，将各绕组串联连接；若定尺多于10块，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联，以不使定尺绕组阻抗过高为原则。

(二)感应同步器的工作原理现以直线感应同步器为例来说明其工作原理。当滑尺上的正弦绕组S和定尺上的绕组位置重合时(A点)，耦合磁能量最大，感应电势也最大；当滑尺继续移动时，感应电势慢慢减小，当移动到1／4节距时(B点)，在感应绕组内的感应电势相抵消，总电势为零；继续移动半个节距时(C点)，可得到与初始位置极性相反的最大感应电势；在3／4节距处(D点)又变为零；移动一个节距时(E点)，又回到与初始位置完全相同的耦合状态，感应电势为最大。这样，感应电势随着滑尺相对定尺的移动而周期性变化。同理可以得到定尺绕组与滑尺上的余弦绕组C间的感应电势周期变化图像，如图3-15下部所示。图3-15感应电势与两绕组相对位置关系感应同步器就是利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式可分为鉴相测量方式和鉴幅测量方式两种，前者是通过检测感应电压的相位来测量位移，后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移；其工作情况大致与旋转变压器大致相似，此处不再详述。六.光栅检测系统目前，在高精度的位移检测系统中，大量使用光栅作为检测反馈元件。光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上可分为长光栅和圆光栅两大类。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测角位移。光栅的检测精度比较高，可达±1μm。(一)光栅的构造

光栅检测装置如图3-16所示，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路。图3-16光栅检测系统通常，标尺光栅固定在活动部件(如工作台或丝杠)上，光栅读数头安装在固定部件上。标尺光栅和指示光栅应相互平行并保持0.05mm或0.1mm的间隙。由于制造方法和光学原理的不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅。国内机床上一般采用线纹密度为100、200线／mm的玻璃透射光栅。光栅读数头是位移信号的检测装置，是光栅与电子线路转接的部件，即位移－光－电转换器。采用一个光敏元件所得到的光栅信号只能计数，不能辨别运动的方向。因此，为了确定运动方向，读数头内至少要安装两个光敏元件，一般安装四个。(二)光栅的工作原理常见光栅都是根据物理学莫尔条纹的形成原理进行工作的。莫尔条纹形成的原因，对于粗光栅主要是挡光积分效应，对于细光栅则是光线通过线纹衍射后，产生干涉的结果。粗光栅形成莫尔条纹的原理如图3-17所示，图中黑线代表不透光的刻痕，刻痕间是透光的窄缝。当指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹成一角度θ放置时，必然会造成两光栅尺上线纹相互交叉。在光源照射下，交叉点近旁黑线重叠，减少了挡光面积，挡光效应弱，在这个区域内出现亮带，光强最大。图3-17光栅莫尔条纹相反，离交叉点远的地方，两光栅不透明黑线的重叠部分减少，挡光面积增大，挡光效应增强，由光源发出的光几乎全被挡住而出现暗带，光强为零。这些与光栅线纹几乎垂直的，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹，其节距为W。

莫尔条纹具有如下特性：1.当用平行光束照射光栅时，所形成莫尔条纹问的光强近似呈正弦分布。2.放大作用。若用W表示莫尔条纹的节距，d表示光栅刻线的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为：W＝d/tanθ。当θ角很小时，取tanθ=θ，上式可近似写成：W＝d/θ。出此可知，莫尔条纹的节距为光栅栅距的1/θ。由于θ很小，故莫尔条纹的节距W比栅距d放大了很多倍。例如d=0.0lmm，θ＝0.01rad，则由上式可得到W=1mm。这说明：不需要复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了100倍，从而大大简化了电子放大线路。这是光栅技术独有的特点。3.平均效应。莫尔条纹是由若干光栅线纹形成的，因而个别栅线的间距误差(或缺陷)就平均化了。4.莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应，即两光栅尺相对移动一个栅距d时，莫尔条纹使相应地移动一个节距W，其方向与光栅尺相对移动的方向垂直。而且，若两光栅尺相对移动的方向改变，莫尔条纹移动的方向也随之改变。采用光敏元件(例如光电池)将透过光栅尺的莫尔条纹光强变化信号转换为电压信号，则电压信号也是按正弦函数变化的交变信号。交变电压信号每变化一个周期，表示工作台移动了一个光栅栅距，其变化频率代表了工作台的移动速度，四路信号的超前滞后关系反映了工作台的移动方向。(三)检测系统光栅检测系统如图3-16和图3-18所示。它是一个数字信号检测系统，由多路信号采集细分电路、放大环节、整形环节和辨向电路组成。图3-18光栅测量系统放大环节常采用差动放大器，它将sinφ和-sinφ信号进行差动放大，得到sinφ信号；将cosφ和-cosφ信号进行差动放大，得到cosφ信号。差动放大器在对信号放大的同时还可以去掉直流分量，消除由于光敏元件的热噪声、光栅刻度不均匀、电压被动等造成的共模干扰。图3-19是一路差动放大电路原理图。图3－19差动放大器整形环节将正弦波转换成相位相同的矩形被。常用图3-20所示的过零比较器来实现。图3-20过零比较器在莫尔条纹的一个节距W范围内等间距地放置n个光敏元件，则在光栅尺相对移动时，各光敏元件将输出n个相位差依次为360°/n的光电信号。在将这n个近似正弦波的光电信号整形成方波后，可利用其上升沿或下降沿触发计数脉冲。于是，光栅尺每相对移动一个栅距d，就可获得n个等间隔的计数脉冲，从而实现n细分。这种利用多个传感器对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法称作多路信号采集细分。通常取n＝4，四个光敏元件输出相位差依次为π/2的光电信号，分别为sinφ、cosφ、-sinφ、-cosφ，其中φ＝2πx/d，x是光栅尺的相对位移量，d是光栅极距。图3-21（a）光栅信号的细分与辨向原理1图3-21（b）光栅信号的细分与辨向原理2如图3-21(a)所示，为光栅信号的四细分与辨向原理。整形器输出的矩形被又通过微分电路变成尖脉冲，以作为计数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面“与”门的开门控制信号。各信号经过“与”门后分成两组分别送入两个“或”门，上面的“或”门在标尺光栅相对于指示光栅正向移动的每个周期内输出4个计数脉冲。下面的“或”门在标尺光栅反向移动的每个周期内也输出4个计数脉冲。上述过程中信号的波形如图3-21(b)所示。通过对“或”门输出的脉冲进行加、减计数，便可获得相对位移量及位移方向。通过四细分，使检测分辨率提高了4倍。对“或”门输出脉冲进行计数可采用二进制可逆计数器，正向脉冲信号使计数器做加法计数，反向脉冲信号位计数器做减法计数。当计数器的内容为0时，工作台处于坐标原点。七.编码器检测系统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；一种是增量式编码器，一种是绝对值式编码器。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。绝对值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，但当进给转数大于一转时，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。(一)增量式编码器

增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列

脉冲，然后根据旋转方向用计数器对脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。增量式编码器的工作原理如图3-22所示。它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在圆形的主码盘(光电盘)周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。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，这时在光电变换器A、B上就输出一个相位差为90°的近似正弦波，经逻辑电路处理后用来判别转轴的转动方向，工作原理如图3-23所示。图3-22增量式编码器工作原理图3-23增量式编码器检测系统当圆盘正转时，光电输出波形如图3-23(b)中左边图形所示。a比b滞后90°，经过逻辑电路处理后，输出脉冲信号f即为正转脉冲信号。同理，当圆盘反转时，输出反转脉冲倍号g，见图3-23(b)中右边脉冲序列。把此正转和反转脉冲信号分别输入到双时钟可逆计数器的正、反向计数端进行计数，则可得到转轴的旋转角度。为了能得到绝对转角，应在起始位置时对可逆计数器清零。利用增量式编码器还可以测量轴的转速。方法有两种，分别是应用测量脉冲的频率和周期的原理。第一种方法的原理如图3-24(a)所示。时钟脉冲在规定的时间内打开选通门，同时在每次计数之前清除计数器。计数器在给定的时间范围内对编码器所产生的脉冲计数，然后按下式求出转速：式中t是测速时间，即采样时间；N1是在t时间内测得的脉冲数；N是编码器每转脉冲数。这种方法的测量精度与被测转速有关，当转速低时，脉冲频率变低，测速误差变大。图3-24增量式编码器测速方法第二种方法是测量编码器脉冲间隔时间，按下式求出转速：式中N2—脉冲间隔数；N—编码器每转脉冲数；T—测量时间值。此测量方法的原理见图3-24(b)。编码器的脉冲信号进入控制电路，控制电路输出一个选通信号，去打开门电路，使开门时间正好是一个或多个脉冲间隔，在这间隔时间内，2MHz的时钟脉冲被计数。每次计数前，控制电路对计数器复位。这种方法的测量精度比第一种方法高，它的测量误差只是土1个时钟脉冲。在测量高转速时，一般以测多个脉冲间隔来提高精度。(二)绝对式编码器

绝对值式编码器是通过读取编码盘上的图案信息来表示数值的。它有三种类型：光电编码器、磁性编码器和接触式编码器。目前使用最多的是光电编码器。编码盘是按一定的编码形式制成的圆盘。图3-25所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，用“0”表示；涂黑的部分不透光，用“1”表示。通常把组成编码的各圈称为码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高价，外侧是低位。若编码盘有四码道，则从外向里各码道依次对应为、、、，16个扇区分别对应二进制的0000、0001、0010、…、1111。按照圆盘上形成二进位的每一码道配置光电变换器(图中黑点所示位置)，随着圆盘从后侧用光源照射，则光电变换器可读取代表圆盘位置的二进制数，它可以直接输入计算机进行处理。二进制编码器的主要缺点是图案转移点不明确，将在使用中产生较多的误差。经改进后的格雷编码盘(Gray-code)如图3-26所示，其特点是，它在由一个数码依次变到相邻的一个数码时，仅有一位改变，因此它不会因数码改变产生过渡性干扰，工作稳定可靠。光电编码器检测角位移时分辨率为，n是二进制数码的位数。单个光电编码盘目前可做到18位，组合码盘可达22位，精度较高。图3-25二进制编码盘图3-26格雷编码盘八.激光干涉检测系统激光干涉位移检测是利用光的相位调制原理和光的干涉效应进行检测的。如图3-27所示，它是由光源、干涉系统、干涉信号接受系统和信号处理系统构成。干涉系统一般都是采用迈克尔逊干涉原理，通过反射镜M2的移动形成的反射光和固定反射镜反射的反射光形成的两束具有相位差的频率相同的激光束进行干涉，形成干涉条纹，干涉条纹的明暗变化次数直接反应了M2的移动。为了判断M2的运动方向，只是一路干涉信号是不行的，至少要两个相差90°的信号才能判断，这一点和光电增量码盘的方向判别原理相似。图3-27激光干涉检测系统组成如图3-28所示，通过将固定反射镜Ml倾斜一定角度，干涉信号形成一组一定距离的明暗相间的干涉条纹，在此干涉场上放置两个光电探测器PDl和PD2，并使PDl和PD2的间隔为条纹间距的1/4。这样，当动镜M2移动而引起干涉条纹变化时，就可得到两路相差90°的干涉信号。这两组相差90°的正弦信号经过如图3-29所示的方法进行放大、整形、判向、倍频细分处理后进行计数处理，得到检测的位移值。图3-28图3-29

3.2.2速度检测传感器速度分直线速度和角速度。速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测控制中，因此角速度传感器用得较多。一.测速发电机测速发电机是一种微型发电机，它的作用是把机械转速变换为电压信号，广泛用于速度和位置检测系统中。

在理想状态下，测速发电机的输出电压可以用下式表示：Uθ＝Kn＝KK’dθ/dt式中，KK’－比例常数(即输出特性的斜率)；n及θ—转子的旋转速度及转角。可见，测速发电机主要有两种用途；(1)测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以通过测量输出电压来得到转子的转速。(2)如果以转子的转角θ参数变量，则测速发电机可作为机电微分、积分器。测速发电机分为交流和直流两大类，而交流测速发电机又有同步、异步之分。在机电一体化系统中常用的是交流异步测速发电机和直流测速发电机，下面分别加以介绍。1．交流异步测速发电机交流异步测速发电机(图3-30)的结构和空心杯形转子伺服电动机相似，在定子上安放两组在空间相互成90°角的绕组，其中一个为励磁绕组，接于单相交流电源，另一个为输出绕组，接入测量仪器作为负载；转子则为杯形结构，可看成一个导条数非常多的鼠笼转子。根据电磁感应原理，有以下关系：测量出U2的大小就可以得到转速n。图3-30交流测速发电机工作原理2．直流测速发电机直流测速发电机一般都做成永磁式，它的工作原理如图3-31所示。在恒定磁场下，当电枢以转速n旋转时，电枢上的导体切割磁力线，从而就在电刷间产生空载感应电势，它的值由下式确定：式中，Ce—电势常数，—磁通，n—转子的转速。从上式可以看出，空载输出电压U＝E0。它与转速n成正比。当存在负载电阻Rl和电枢回路总电阻Ra时，则有图3-31直流测速发电机工作原理由上式可以看出，当、Ra、Rl不变时，测速发电机的输出电压U与转速n成正比。当然，这里讲的只是一种理想情况，实际上还有一些因素会影响测量结果，如周围环境温度、磁场畸变、电阻的变化等。为了减少上述影响，直流测速发电机的磁路应选得足够饱和，同时还应将负载电流限制在较小的范围内。二.用回转编码器测转速

请参考回转编码器测角位移章节P67。

3.2.3位置传感器位置传感器一般用来检测被测物是否已到达某一位置，它不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。这种传感器常被用在机床上作为刀具、工件或工作台的到位检测或行程限制，也常被应用在工业机器人上。位置传感器分接触式和接近式两种。一.接触式位移传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种：(1)由微动开关制成的位置传感器。它用于检测物体位置，有如图3-32所示的几种构造和分布形式。(2)二维矩阵式配置的位置传感器，如图3-33所示。它一般用于机器人手掌内侧。在手掌内侧常安装有多个二值触觉传感器，用以检测自身与某一物体的接触位置，被握物体的中心位置和倾斜度，甚至还可识别物体的大小和形状。图3-32微动式开关位置传感器图3-33二维矩阵式位置传感器二.接近式位置传感器接近式位置传感器分以下几种：①电磁式；②光电式；③静电容式；④气压式；⑤超声波式。这几种传感器的基本工作原理如图3-34所示。这五种当中使用得最多的是电磁式传感器，它的工作原理如下：当一个永久磁铁或一个通有高频电流的线圈接近一个铁磁体时，它们的磁力线分布将发生变化，因此，可以用另一组线圈检测这种变化。当铁磁体靠近或远离磁场时，它所引起的磁通量变化将在线圈中感应山一个电流脉冲，其幅值正比于磁通的变化。图3-34图3-35给出了线圈两端的电压随铁磁体进入磁场的速度而变化的曲线，其电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场。因此，对此电压进行积分便可得出一个二值信号。当积分值小于一特定的阀值时，积分器输出低电平；反之，则输出高电平，此时表示已接近某一物体。图3-35显然，电磁感应式传感器只能检测电磁材料，对其他非电磁材料则无能为力。而电容传感器却能克服以上缺点，它几乎能检测所有的固体和液体材料。现在使用得较多的还有光电断续器式位置传感器，它体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与TTL及CMOS电路兼容等，它分透光型和反射型两种。在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙。当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件(光敏元件)便可检测出物体已经到达。这种传感器的接口电路如图3-36(a)所示。图3-36(b)则为反射型。图3-36(b)(a)

3.2.4压力传感器在机电一体化控制系统中，压力也常常是需要检测的一个物理量。压力传感器分压阻式、应变式和压电式三种。

压阻式压力传感器是一种利用半导体材料的电阻率随其所受压力的变化而变化的特性制成的传感器。

应变式压力传感器是利用压力的作用使电阻或应变片发生形变，致使它们的电阻发生变化的特性制成的，通过检测电阻的变化便可检测出压力的变化。

压电式压力传感器是利用电介质在受压力作用时产生电极化现象，并在表面产生电荷的压电效应来测量压力的一种传感器。一．压阻式压力传感器

当以N型硅为基底采用扩散技术在硅片表面特定区域形成P型扩散电阻时，则A、B两点间的电阻变化率与其所受应力的大小成正比，其比值称为压阻系数，结构图如图3-37所示。这种压力传感器的检测电路为一惠斯登电桥，如图3-38所示。外加直流电压U，当Rs的压阻系数为ΔR/R时，Rc的压阻系数为-ΔR/R，则输出为从上式可以看出，电桥输出与ΔR/R成正比，也就是与压力成正比，同时也与激励电压U成正比。因此U的大小及其稳定性对测量精度有很大影响。这种传感器的测量精度还在很大程度上受环境温度的影响，因此在要求较高的地方必须进行温度补偿，其方法是在电桥的两个臂上各并接一个电阻。图3-37图3-38二．应变式压力传感器

应变片的电阻变化量正比与其综合变形量。应用应变片时，通常都接成四片应变片组成的电桥，这样可以消除温度变化所带来的影响和增加灵敏度。如图3-39所示，在一个悬臂的两边分别贴上应变片R1、R2、R3和R4，其测量电路则如图3-40所示。由于力F的作用，使得R1、R4的阻值增加，而R2、R3的阻值减小。由电子学知识可得图3-39图3-40三．压电式压力传感器压电式压力传感器是一种利用石英晶体、压电陶瓷等材料的电效应来测量压力的有源双向机电传感器。压电式传感器是通过压电元件产生的电荷量大小来反映压力大小的。因此，它相当于一个电荷源。同时，当正、负电荷集聚于压电晶体的两个表面时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器。为了对压力信号进行采集，并对传感器输出信号进行放大处理，它必须带负载。为了消除干扰的影响，一般都要对压电晶体的输出进行处理。图3-41为一套较为完整的具有放大作用的压电晶体的输出电压处理电路。图3-41

3.2.5温度传感器

3.2.6声敏传感器3.3检测系统设计3.3.1模拟信号的检测3.3.2数字信号的检测3.3.3检测信号的采集与预处理

3.3.1模拟信号的检测一.模拟信号检测系统的组成模拟式传感器是目前应用最多的传感器，其输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。典型的模拟信号检测系统如图3-50所示。图3-50模拟信号检测系统的典型组成在图3-50中，振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；量程切换电路的作用是避免放大饱和并满足不同测量范围的需要；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行AD转换后由数字计算机来实现；计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，或将有关信息送去显示或打印输出。在具体机电一体化产品的检测系统中，也可能没有上图中的某些部分或增加一些其它部分。二.基本转换电路

被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当传感器的输出信号是电参数形式时，需采用基本转换电路将其转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。常用的基本转换电路有分压电路(图3-51)、差动电路(图3-52)和非差动桥式电路(图3-53)等。图3-51常用分压电路图3-52常用差动电路图3-53非差动桥式电路三.信号放大电路信号放大电路，亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工与处理。常用的放大器有高输入阻抗放大器、高共模抑制比放大器等。图3-54信号放大器(a)同相输入放大器(b)高共模抑制比差动放大器UiR1R2RfUo-+Ui2R1R2RfUo-+Ui1R3四.信号调制与解调调制与解调方法被广泛应用于通信中，以便给不同的信号赋予不同的特征，将它们相互区别开来。在机电一体化产品中也常采用这种方法对信号进行检测，以防止干扰信号对检测精度的影响。例如，采用特定频率的交流电源对电感传感器供电，或对内应变片、热敏电阻等组成的桥路供电，其目的都是为了对信号进行调制。经过调制的信号在经过放大后，还需通过解调(或称检波)的方法将其还原成原始信号，以获得被测物理量及其变化的信息。常用的信号调制方法有调幅、调相和调频等。五.滤波器滤波器是一种具有选频功能的装置，在机电一体化产品中应用非常广泛。其具体功用是：①滤除在信号放大和传输过程中引入的噪声和干扰。②滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。②将不同频率的有用信号分开。④对系统频率特性进行补偿。滤波器种类繁多，相应地也有多种分类方法。按照所处理信号形式的不同，可将滤波器分为模拟式滤波器和数字式滤波器，其中模拟滤波器又有机械式和电气式两类；按照所采用元器件的不同，又可分为无源滤波器和有源滤波器；按照所选通的信号频率范围的不同，还可分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种；此外还可根据滤波器传递函数的阶次将其分为一阶、二阶、高阶滤波器。图3-55各种滤波器的幅频特性六.运算电路运算电路是能对信号运算处理的电路，根据信号形式的不同可分为模拟和数字运算电路两种。由于计算机的普及和许多众所周知的优点，数字运算电路的应用越来越广。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，对于一些比较简单的运算，仍常采用模拟运算电路来实现。常用的有各种基于运算放大器的加、减、乘、除、积分、微分运算电路。

3.3.2数字信号的检测一．绝对码检测电路传感器输出的编码与被测量一一对应，称为绝对码。绝对码检测系统如图3-56所示。每一码道的状态由相应光电元件读出．经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗误差。采用循环码(格雷码)传感器时则先转换为二进制码，再译码输出。二．增量码检测电路光栅、磁栅、容栅、感应同步器等传感器输出增量图3-56绝对码数字信号检测系统图3-57增量码数字信号检测系统码信号。检测系统的典型组成如图3-57所示。传感器的输出经放大、整形后形成数字脉冲信号。为了提高仪器的分辨率，常常采用细分的方法，使传感器的输出变化1/n周期时计一个数，n称为细分数。细分电路还常同时完成整形作用。在某些情况下，例如利用激光干涉测长，工作台每移动半波长λ/2，信号变化一个周期，λ为一个不便读出的量，为便于读出，需要进行脉冲当量变换。辨向电路用于辨别工作台运动方向，以正确进行加法或减法计数。需要采样时，手动或由指令传感器发出瞄准采样信号，将所计数值送入锁存器，直接或经计算机运算后，驱动显示执行机构动作。常用的细分与辨向电路有如下几种：(1)多路信号采集细分与辨向。光栅检测系统就是采用这种电路。(2)电阻链移相细分与辨向。(3)锁相倍频纫分与辨向。(4)脉冲填充细分与辨向。详细内容，请参考课本P113～122。

3.3.3检测信号的采集与预处理在机电一体化产品中，控制和信息处理功能多数采用计算机来实现，因此检测信号一般都要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所需的信息。信号的采集是按一定方式或通过适当的接口电路实现的。信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修正。一.模拟量的转换输入1.模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式主要有四种，如图3-58所示。(a)是最简单的一种方式。这种方式仅适用于只有一路检测信号的场合。图(b)所示多路检测信号共用一个