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机 械 电 子 学 （上册）机电一体化系统中的数字检测技术1.1 计量光栅第一章 位移测量用数字式传感器 一、光栅的种类及结构 光栅分类：物理光栅、计量光栅 计量光栅分类 1.按线槽排列 长光栅：测长度、直线位移 圆光栅：测角度、角位移 2.按光线行进方式 透射式（玻璃）反射式（金属）3.按特性 黑白 闪跃 二、莫尔条纹 1.横向莫尔条纹两块具有相同节距的光栅叠和在一起并且它们的刻线间保持一很小的夹角时,则在刻线重合处形成莫尔条纹。w 栅距毫米两光栅之间的刻线夹角弧度条纹宽度把W1和W2很接近，但又不相等的两光栅重叠在一起，保持起栅线彼此平行，形成的莫尔条纹与光栅平行。2.纵向莫尔条纹w条纹宽度3.斜向莫尔条纹构成纵向莫尔条纹的两块光栅的刻线保持很小的夹角，则所得的条纹兼有横向和纵向莫尔条纹的性质。其中条纹宽度4.圆光栅的莫尔条纹1)径向圆光栅的莫尔条纹：两块尺寸相同，栅距角相同的圆光栅面对面的重叠保持不大的偏心角时，形成莫尔条纹。a.在水平直径方向纵向莫尔条纹b.在垂直于e的方向横向莫尔条纹c.其余方向斜向和纵向莫尔条纹条纹宽度横向纵向斜向2）切向莫尔条纹两块尺寸相同，栅距角相等的切向圆光栅 面对面的重叠时，形成的莫尔条纹为一系列同心圆。条纹宽度三、莫尔条纹特性1.光学放大作用及连续变倍作用。2.光栅位移大小及方向同莫尔条纹的对应关：光栅的位移与莫尔条 纹的位移严格对应。3.平均效应4.光电元件的输出信号不是两块光栅上单根光栅刻线的输出，而是5.光栅通光窗口上所有栅线遮光作用的综合效果所引起的输出。因此若6.其中一光栅有局部误差或短周期误差时，综合效果会使这些缺陷的影7.大大减小，这种现象称为平均效应。四、莫尔条纹的输出信号通常用 K=V幅/V平均 来作为说明光栅系统工作情况的重要质量指标。理想的光栅输出信号是三角波，其K值最大。亮度光栅位移光栅节距五、光栅读数头1.光栅读书头的原理和结构1)垂直入射读数 只能用于透射式光栅，光源通过准直透镜或者不经过光学透镜垂直照射到标尺光栅上，竟指示光栅形成莫尔条纹，再经光电元件把莫尔条纹信号转变为电信号。2)反射式光栅读数头 用于金属反射式光栅。光源经聚光镜和场镜后成为平行光并以一定的倾斜角投射到指示光栅上，经金属反射器反射形成莫尔条纹，由硅电池输出光电信号。3)成象式读头 成象式读数头不需要指示光栅，它把标尺光栅自身刻线的象经光学系统再反射回标尺光栅上形成光闸式莫尔条纹。2.光栅 读数头的设计要点1)主光栅a.光栅栅距的选择 b.栅线宽度c.主光栅的厚度2）光源a.直丝灯泡b.灯丝平行于栅线c.灯丝应在聚光镜的光轴上3)光栅间隙的选择六、黑白光栅的制造方法1.刀刻法效率低，外界干扰大。2.接触复印法方法简单，线纹质量好，但母尺的误差会被直接复印到被刻线上。3.动态光刻法效率高，精度比母尺更高，可以刻制与母光栅栅距不同的下一代光栅。1.2 激光一、激光的特点1.单色性好:2.方向性好(能量集中,亮度高):3.相干性好二、激光产生的原理三、激光器四、常用激光传感器1.激光干涉传感器1）单频激光干涉传感器：激光干涉测长仪是以激光波长为基准用干涉条纹技术的方法高精度地测量工件长度或工作台位移的仪器。2）双频激光干涉仪 双频激光器是一种应用塞曼效应HeNe气体激光器所谓塞曼效应,即用一轴向磁场把单模的氦氖激光器发出的住谱线分裂为两束强度相等、旋向相反的园偏振光。2.激光衍射传感器夫琅和费衍射3.激光扫描传感器（利用方向性好）1.3感应同步器1.结构 利用硅电磁感应1）角位移 转角、定子 2）直位移 滑尺、定尺2.特点1).精度高2).工作可靠,抗强干扰性3).使用寿命长,维护简便4).可以作长距离位移测量,并允许以高速移动5).工艺性好,成本低,便于复制和成批生产一、感应同步器的结构和特点二、感应同步器的工作原理 若在滑尺的s绕组上通一交流激磁电压us=Ussint则在定尺连续绕组上有感应电动势es输出：式中K为电磁偶合系数，为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角，=2x/p，p为节距。若对c绕组加上激磁电压若对c绕组加上激磁电压 则定尺绕组的感应电动势可见感应同步器可以看着一个偶合系数随位移变化的变压器，其输出电势与位移x有正、余弦函数关系。实际应用中的感应同步器，常根据对滑尺激磁绕组供电方式的不同分为鉴相型、鉴幅型等系统。工作时对感应同步器滑尺的s绕组和c 分别供以同幅值、同频率但相位相差90的交流电压激磁，即：1).鉴相型系统 则在定尺上将分别感应出电势：式中Km是电压传输系数。定尺上的总感应电势可按叠加原理得到，即：所以此感应电势是一个幅值不变，相位随定尺和滑尺相对位置而变化的单相交流信号。P/4+xxucus感应同步工作在相位状态 下的原理0p2p3p位移与相位的关系2x2).鉴幅型系统 它是根据感应电势的振幅来检测系统，工作时在具有两相绕组的尺子上对其s绕组和c绕组分别供给同相位、同频率、而其幅值按定滑尺相对位置呈正、余弦函数规律变化来激磁即激磁电压分别为：当激磁电压的相角电与传感器在空间的相角x相等时,es=ec合成电压e=0。但由于实际激磁信号的相角电随时跟随传感器位移引起的输出信号相角的变化，因此动静尺间有位移增量而激磁信号相位还未即时修正。经过一系列演算，误差电压可以表示为：当动尺和定尺产生相对位移时，其误差电压就超过某一个预先整定的门槛电平，产生一个脉冲信号，这样去自动调整激磁电压的幅值，使误差信号重新降低至0，这样就把位移量变成了脉冲量，从而实现对唯一的数字测量。三、感应同步器的接长 为了保证感应同步器接长后达到较高的精度，在接长时尽量满足下列原则：1)阿贝原则:接长时应将被测尺与基准尺合理安放,尽可 能使被接长尺与基准尺在同一条直线上。2)“误差中点”接长原则:就是以此点为基准,感应步器的 正副零位的偏差值相等。“等偏差点”排尺原则:接长时要选配两定尺使接缝处两 相邻点对误差中点的偏差值尽量相等，以减 少接缝处的相邻误差。3）1.4磁栅 磁栅是测量位移的又一种新型元件，长形磁栅称磁尺，园形磁栅称磁盘。磁栅的测量是利用磁带录音原理，将相等节距的周期性变化的磁信号用录磁的方法记录在磁性标尺上再用这种标尺做次量位移的基准尺，在检测时磁头与磁尺产生相对位移，磁头便把磁尺上在段位移的磁信号读取出来，通过检测电路便可实现位移量的数字测量。一、磁性标尺在磁尺胚胎上，用磁带录音相似的原理由记录磁带再这层磁膜上精确地路上节距相等的正弦波或饱和矩形磁化信号便构成了磁尺。为了使这一基准具有较高的精确度可用激光干涉仪作为磁带录音的基准，其框图如下：HeNa气体激光器激光干涉仪光电转换电气有理化记录磁头磁尺二、磁头结构1.动态磁头：又叫速度响应式磁头，这种磁头的原理与磁带录音机的放音磁头完全一样2.静态磁头：又叫磁通响应式磁头，它是在速0度响应磁头的磁路上再串接了一个带激线圈的可饱和铁蕊磁路所构成，此可饱和铁蕊起到了磁路开关对静态信号进行调制的作用，因而可测静态位移参量。三、信号处理方式：动态磁头可以直接得到磁头对位置的正弦信号，因而不需对信号作特殊处理。静态磁头可以用语静态测试，通常都有两个磁头，他们的输出信号在相位上相差90度因而可以辨别磁头相对的运动方向，常用的形式有：1、鉴幅型 2、鉴相型四、磁栅的特点a、制作简便，不用重新录制b、可以达到较高精度c、使用方便d、对环境要求低e、使用中有一定磨损1.5容栅一、容栅测量特点a、测量速度快b、结构小巧简单c、对环境适应性强d、功耗小二、容栅的传感器测量原理 容栅既可测量直线位移又可测量角位移，传感器由动栅板和定栅尺两部分组成。2.容栅工作原理在发射极上：频率、幅值一定1.容栅传感器的结构：1.6绝对测量用数字传感器相对测量累计计数、可逆计数器、相对零位绝对计数累计计数、可逆计数器、绝对零位一、码盘 码盘是利用对角度尽心编码的方法来进行绝对测量的检测元件。它把每一个不同的角度用不同的编码表示，因此可以直接测到被测位移或被测角度。二、码盘的编码方式码盘的二进制编码:它通常以触点的通电和断电、光码盘的透光和不透光、磁极方向的正和反来表示0和1。码盘的循环码:又叫格雷码，其码盘的编码图形以宝塔状。特点是：代码从任何数转边到相邻的数时，在它的各位数中只有一位发生变化。因此用循环码来编制码盘，即使码盘制作及安装上有误差，也不会使读数误差超过最低位的一个单位。1)2)二、零位光栅 零位光栅测量系统是在增量式计量光栅测量系统的基础上增加了一个绝对坐标原点而来，因此它不仅保留了增量光栅测量系统的各种优点，而且可利用这绝对坐标原点很方便地获得高精度的坐标测量。三、三重式感应同步器 利用三套独立的测量系统，如果中节距绕组p中=100mm按50等分细分，则细分单位为2毫米，正好等于细节距绕组的节距，粗节距绕组p粗=4000mm，按40等分，细分单位为100毫米，又恰好是中节距绕组的节距。这样每套测量系统都是可行的。第二章 细分与变相电路数字测量系统一般框图为：传感器放大器可逆计数器细分电路辨向电路译码显示 细分方法有：机械细分、光学细分及电子细分。直传式细分电路由若干环节串联而成，如图：x2K1K2Kmx1x1x2x0系统的灵敏度为各环节灵敏度之积2.1 直传式细分电路一、位置直接细分 位置直接细分机构是一种空间细分机构。它可以是一完整的机构，但一般是细分系统的前置级，它把传感器送来的信号在空间上离散，并转换成几路电信号。二、电阻链分相细分 在电阻两端施加相位不同、频率相同的交流号，由于信号的叠加作用，在电阻链各接点上，可得幅值和相位都不相同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后就能获得若干记数脉冲，也就1）工作原理：2）电压比较器的作用：它是把细分后的仍为模拟信号的各相信号变为数字信号，即把它们变换成逻辑“0”和“1”的电平。有灵、稳、快的特点。实现了细分。原始信号波形不纯、不正交、不等幅、有直流电平等另外，还有门电路细分、电平切割细分、脉冲填充法细分。3)产生误差的原因主要有：2.2 平衡补偿式细分电路 平衡补偿细分电路可分为：跟踪式细分电路和程序平衡式细分电路。跟踪式细分电路是一种带有副反馈的闭环系统K1FK2+xi-xFxixFx0 xiEGC+xi-xFxFx0 xG程序平衡式细分电路是一种统没有反馈的开环系统一、相位跟踪细分（1）原理 鉴相型感应跟踪仪器采用相位跟踪细分系统。感应同步器及放大整形电路鉴相电路位移脉冲门激磁电路相对相位基准分频器显示电路绝对基准分频时钟源位移跟踪式相位计移相脉冲相位跟踪框图（2）鉴相电路（3）相对相位基准和移相脉冲（4）测量速度二、幅值跟踪细分鉴幅型感应同步器采用幅值跟踪细分系统函数发生器切换计数器显示电路鉴幅辨相放大滤波感应同步器控制电路幅值跟踪原理图三、脉冲调宽型幅值跟踪细分 这种跟踪细分系统采用数字式可调脉宽函数发生器，代替上一系统中的函数变压器和切换计数器，且系统具有高精度和高抗干扰能力。四、频率跟踪细分锁相倍频细分 这是一种锁相式数字频率合成技术，用来实现光栅、感应同步器等的原始信号的n倍频，以实现n细分。五、微型计算机细分 微型计算机具有运算和逻辑功能，它可以用来完成细分，从而简化仪器电路结构；增强仪器功能，提高仪器精度。微机细分方案，根据改变软件设计，可以按跟踪细分工作，也可按程序平衡细分工作，通过改变硬件和软件设计，可以使它不仅可按幅值细分，还可按相位或频率细分。原始信号的正交、幅值、相位、谐波等误差也可以由微机进行系统误差的修正。2.3变相电路一、变相电路举例 1）微分与门式辨向电路：它用两路相位90读的信号在不同运动方向有不同的导前滞后关系来实现辨向。2）积分与门式辨向电路：它有较好的抗尖冲干扰性能，因为高频时容抗很小，且经两级与门选择。3）鉴幅型感应同步器辨向电路二、符号显示和加减计数控制电路 数字增量码量仪可按需设置零位，对正、负好的显示电路要求是：在零位右方显示“+”，在零位左方显示“”计数器做加法计数还是做减法计数要由移动方向和显示符号共同决定。第三章 固体摄象机3.1 CCD基本概念和特点CCD的特点：1）体积小、重量轻、电压功耗低、可靠性高、寿命长2）具有理想的扫描线性，可以进行像素寻址3）有很高的空间分辨率4）有数字扫描能力5）光敏元件的几何尺寸精确6）具有很高的光电灵敏度和大的动态范围7）CCD的数据率可调8）可任选模拟、数字等不同输出形式，可与同步信号、I/O接口及微机兼容、组成高性能系统，适应不同条件下使用。3.2 CCD器件的基本结构和工作原理 CCD是一种光电转换器件，用集成工艺制成。他一点荷包的形式存储和转送信息，主要有光敏单元和输出结构等部分组成。CCD器件是有许多个光敏像元组成的，每个像元就是一个MOS电容器。光子进入衬低时产生的电子跃迁，形成电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下分别向电极两端移动，这就是光生电荷。光电二极管实在P-型Si衬底上扩散一个N区域以形成以P-N结二极管。投射光产生的广生电荷就储存在这个势阱内势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加栅压近似成正比。把一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来，加上一定时序的驱动脉冲，这样就具备了CCD的基本功能。一、采用衍射法测量小孔或细丝直径 在工业生产和科学实验中，经常碰到的尺寸小于1mm的狭缝或细丝的直径的测量问题，采用激光衍射或CCD成像方法测量具有精度高、速度快、使用方便、且易与微机联机实现自动化测量等优点。其系统图如下所示：二、平行光成像尺寸测量法适合于尺寸为230mm的物体目标。系统示意图如下：三、采用成像法测量中等尺寸目标机 械 电 子 学 （下册）机电一体化系统中的数字检测技术第一章 机电一体化系统中的前向通道概述一、前向通道的含义二、前向通道的特点三、前向通道的类型2.1前向通道的内容与结构特点2.2前向通道设计中应考虑的问题一、信号拾取方式二、信号的调节三、模拟/数字转换方式选择四、电源配置与干扰的防治2.3前向通道的先进技术一、传感器及传感器接口二、先进芯片技术第三章 前向通道中放大器3.1机电一体化系统信号放大器的输 入信号一、模拟式信号二、数字式信号3.2信号放大器的噪声一、噪声的种类及性质二、处理放大器噪声的方法三、信号放大器的噪声的设计一、运算放大器的等效电路二、运算放大器的误差及补偿三、典型放大器的设计四、差动放大器 1.差动放大器的原理 2.增益调整电路 3.高共模抑制比的差动放大器 4.电桥放大器 5.低飘移放大器 6.微电流放大器3.3运算式信号放大器的设计 3.5隔离放大器及其芯片技术 一、变压器耦合两端隔离放大器二、变压器耦合三端隔离放大器三、光耦合隔离放大器3.4常用信号放大器及其芯片技术 一、测量放大器二、小信号双线变送器三、数控增益运算放大器与测量放大器第四章 前向通道中的信号分离电路4.2模拟滤波基本知识4.1概述一、滤波器的类型、特性及基本知识二、二阶有源滤波器与阶滤波器之间的关系三、有源滤波器的传递函数4.3RC二阶有源滤波器的基本组成方法一、有限电压源法二、有限增益多路反馈方法4.4RC有源滤波器的设计一、滤波器设计应注意的问题二、RC有源滤波器的快书设计方法三、RC有源高通滤波器的设计五、模拟带滤波器的设计4.5跟踪滤波器一、压控跟踪滤波器二、变频型跟踪滤波器4.6谐波分析电路第七章 后向通道概述及其常用器件及电路7.1后向通道概述一、后向通道的特点二、后向通道的结构三、后向通道应解决的问题7.2功率开关接口器件及电路一、大功率I/O接口电路 1.功率晶体管驱动 2.达林顿驱动电路 3.闸流晶体管（可控硅整流器）4.机械继电器 5.功率场效应晶体管（VMOSEET）二、BIC87系列微机专用8位输出驱动集成电路三、固体继电器7.3光隔离与接口驱动器件一、信号隔离用光耦隔离器件二、隔离驱动用光耦隔离器件三、远距离的隔离传输7.4线性功率驱动器件及电路7.5F/V转换接口器件及电路7.6D/A转换技术