机电一体化系统设计》第5章检测系统设计.ppt

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1、第第5章章 检测系统设计检测系统设计n n5.1 概述概述n n5.2 线位移检测传感器线位移检测传感器n n5.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n n5.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n n5.5 测力传感器测力传感器n n5.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用n n5.7 检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理5.1 概述概述n n一、定义及分类：一、定义及分类：n n1、定义：传感器是将力、温度、位移、速、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。度等量转换成电信号的元件。“传感器技传感器技术是机电一体化的第一基础术是机电一体化的第一基础”

2、n n2、分类、分类n n 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分：n n 按输出的信号分：按输出的信号分：物理传感器物理传感器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器化学传感器化学传感器 计数型（二次型计数型（二次型计数型（二次型计数型（二次型+计数型）计数型）计数型）计数型）电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶,CdsCds电池）电池）电池）电池）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）有接点型有接点型有接点型有接点型(微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接

3、触开关，行程开关行程开关行程开关行程开关)传感器传感器传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型非电量型非电量型非电量型二值型二值型二值型二值型电量电量电量电量无接点型无接点型无接点型无接点型(光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关)模拟型模拟型模拟型模拟型数字型数字型数字型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性n n1.1.传感器的静特性传感器的静特性传感器

4、的静特性传感器的静特性n n 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态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。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，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：静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：线性度线性度线性度线性度、灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度、迟滞迟滞迟滞迟滞和和和和重复性重复性重复性重复性等。等。等。等。n n(1).(1).

5、线性度线性度线性度线性度n n 传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出输入特输入特输入特输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即之比，即之比，即之比，即二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性(2).(2).灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的

6、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，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).(3).迟滞迟滞迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出程中，输出程中，输出程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，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

7、迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性(4).(4).重复性重复性重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全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，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的输入曲线的输入曲线的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不一致程度，称重复

8、性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即近似计算近似计算近似计算近似计算精确计算精确计算精确计算精确计算二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性5.5.分辨力分辨力分辨力分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入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。零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为阈值。6.6

9、.零漂零漂零漂零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，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。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。n n2.2.传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性n n 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能

10、力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、

11、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性n n1.1.新型传感器的开发新型传感器的开发新型传感器的开发新型传感器的开发n n 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此启发

12、人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。总之

13、，传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向n n2.2.传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化n n 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传方面的

14、发展，出现了多种集成化传感器。这类传方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或

15、是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵实现了横向和纵实现了横向和纵实现了横向和纵向的多功能。向的多功能。向的多功能。向的多功能。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向n n3.3.传感器的智能化传感器的智能化传感器的智能化传感器的智能化n n “电五官电五官电五官电五官”与与与与“电脑电脑电脑电脑”的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的相结合

16、，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片

17、上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。就成为智能传感器。就成为智能传感器。就成为智能传感器。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向5.2 线位移检测传感器线位移检测传感器n n一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n n二、感应同步器二、感应同步器n n三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器1 1、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造：n n2 2、工作原理、工作原理、工作原理、工作原理一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器 把两块栅距把两

18、块栅距把两块栅距把两块栅距WW相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角 时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂

19、直的方向排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。n n莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：n n1.1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距移动过一个栅距移动过一个栅距移动过一个栅距WW，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动过一个条过一个条纹间距纹间距B n n2.2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具

20、有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距BB与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为n n3.3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n n 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，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，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图的变化转换为近似

21、正弦变化的电信号，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。所示。所示。所示。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：n n 将此电压信号放大、整形变换为方波，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。测位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。量分辨率等于栅距。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n n1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器 sins

22、in coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节距（0.5mm0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺n n 包包包包括括括括定定定定尺尺尺尺和和和和滑滑滑滑尺尺尺尺，用用用用制制制制造造造造印印印印刷刷刷刷线线线线路路路路板板板板的的的的腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀方方方方法法法法在在在在定定定定尺尺尺尺和和和和滑滑滑滑尺尺尺尺上上上上制制制制成成成成节节节节距距距距T(T(一一一一般般般般为为为为2mm)2mm)的

23、的的的方方方方齿齿齿齿形形形形线线线线圈圈圈圈。定定定定尺尺尺尺绕绕绕绕组组组组是是是是连连连连续续续续的的的的，滑滑滑滑尺尺尺尺上上上上分分分分布布布布着着着着两两两两个个个个励励励励磁磁磁磁绕绕绕绕组组组组，分分分分别别别别称称称称为为为为正正正正弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组和和和和余余余余弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组。当当当当正正正正弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组与与与与定定定定尺尺尺尺绕绕绕绕组组组组相相相相位位位位相相相相同同同同时时时时，余余余余弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组与与与与定定定定尺尺尺尺绕绕绕绕组组组组错错错错开开开开1/41/4节节节节距距距距。滑滑滑滑尺尺尺尺和和和和定定定定尺尺尺尺相

24、相相相对对对对平平平平行行行行安安安安装装装装，其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（0.050.2mm0.050.2mm）。）。）。）。二、感应同步器二、感应同步器n n2.2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理n n 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f f（一般为（一般为（一般为（一般为210kHz210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频）的交变电流时，定尺绕组感应出频）的交变电流时，定尺绕组感应出频）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为

25、率为率为率为f f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。定尺的相对位置有关。定尺的相对位置有关。定尺的相对位置有关。n n 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为UsUs，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为为为UcUc，移动距离为，移动距离为，移动距离为，移动距离为x x，节距为，节距为，节距为，节距为T T，则正弦绕组单，则正弦绕组单，则正弦绕组单，则正弦绕组单独供电时，在定尺上

26、感应电势为独供电时，在定尺上感应电势为独供电时，在定尺上感应电势为独供电时，在定尺上感应电势为二、感应同步器二、感应同步器n n余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器二、感应同步器由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为n

27、 n式中式中式中式中 ：n nKK定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；n n 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）度）度）度）n nT T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式节距，表示直线感应同步器的周期，标准式节距，表示直线感应同步器的周期，标准式节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为直线感应同步器的节距为直线感应同步器的节距为直线感应同步器的节距为2mm2mm。n n 利用感应电压的变化可

28、以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移XX，从而进，从而进，从而进，从而进行位置检测。行位置检测。行位置检测。行位置检测。二、感应同步器二、感应同步器n n3.3.测量方法测量方法测量方法测量方法n n 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出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有电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式

29、鉴相式鉴相式鉴相式和和和和鉴幅式鉴幅式鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。两种工作法。两种工作法。二、感应同步器二、感应同步器n n(1)(1)鉴相式工作法鉴相式工作法鉴相式工作法鉴相式工作法n n 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差幅值，但相位相差幅值，但相位相差幅值，但相位相差9090o o的两个电压，设的两个电压，设的两个电压，设的两个电压，设二、感应同步器二、感应同步器则则则则 从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得

30、相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移的相对位移的相对位移的相对位移x x：二、感应同步器二、感应同步器n n2.2.鉴幅工作法鉴幅工作法鉴幅工作法鉴幅工作法n n 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：相同相位，但幅值不等的两个交流电压：相同相位，但幅值不等的两个交流电压：相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：则：则：则：由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的

31、移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。n n1.1.磁栅式位移传感器的结构磁栅式位移传感器的结构磁栅式位移传感器的结构磁栅式位移传感器的结构 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器11磁性膜磁性膜 22基体基体

32、 33磁尺磁尺 44磁头磁头 55铁芯铁芯 66励磁励磁绕组绕组 77拾磁绕组拾磁绕组n n2.2.原理：原理：原理：原理：n n 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电励磁绕组时，当磁

33、头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：压为：压为：压为：三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器UU0 0输出电压系数；输出电压系数；输出电压系数；输出电压系数；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。式中：式中：式中：式中：在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别

34、移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向n n3.3.测量方式测量方式测量方式测量方式n n(1)(1)鉴幅测量方式鉴幅测量方式鉴幅测量方式鉴幅测量方式 n n如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为掉后则得到相位差为掉后则得到相位差为掉后则得到相位差为/2/2的两组信号的两组信号的两组信号的两组信号n n 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一两组磁头相对

35、于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距到录磁节距到录磁节距到录磁节距 的限制，若要提高分辨率就必须采用的限制，若要提高分辨率就必须采用的限制，若要提高分辨率就必须采用的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。较复杂的信频电路，所以不常采用。较复

36、杂的信频电路，所以不常采用。较复杂的信频电路，所以不常采用。三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器n n2.2.鉴相测量方式鉴相测量方式鉴相测量方式鉴相测量方式n n将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相9090，则得到输出电，则得到输出电，则得到输出电，则得到输出电压为压为压为压为n n在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压U

37、U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置的相对位置的相对位置的相对位置 变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。定磁头的位置。定磁头的位置。定磁头的位置。5.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n n一、旋转变压器一、旋转变压器n n二、光电编码器二、光电编码器n n1.1.结构如图所示结构如图所示结构如图所示结构如图所示n n 旋转变压器一般做旋转变压器一般做旋转变压器一般做旋转变压器

38、一般做n n成两极电机的形式。成两极电机的形式。成两极电机的形式。成两极电机的形式。n n在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组n n和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的n n轴线相互成轴线相互成轴线相互成轴线相互成9090。在。在。在。在n n转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组n n正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互

39、成9090，一般，一般，一般，一般将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如Z Z1 1、Z Z2 2）短接。）短接。）短接。）短接。一、旋转变压器一、旋转变压器n n2.2.原理原理原理原理n n 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机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。当以一定频率（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为通常为通常为通常为400Hz400Hz、50

40、0Hz500Hz、1000Hz1000Hz及及及及5000Hz5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，等几种）的激磁电压加于定子绕组时，等几种）的激磁电压加于定子绕组时，等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用前一

41、种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。压器，适用于小角位移的相对测量。压器，适用于小角位移的相对测量。压器，适用于小角位移的相对测量。一、旋转变压器一、旋转变压器n n3.3.测量方式测量方式测量方式测量方式n n当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通

42、以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为差为差为差为9090的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势得到感应电势得到感应电势得到感应电势UU3 3，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，UU3 3值为值为值为值为激磁电压激磁电压激磁电压激磁电压UU1 1和和和和UU2 2的感应电势之和，即的感应电势之和，即的感应电势之和，即的感应电势之和，即一、旋转变压器一、旋转变压器式中式中式中式中:k k=ww1 1/ww2 2旋转变压

43、器的变压比旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比 ww1 1、ww2 2转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数n n 线性旋转变压器实际线性旋转变压器实际线性旋转变压器实际线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，上也是正余弦旋转变压器，上也是正余弦旋转变压器，上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比采用了特定的变压比采用了特定的变压比采用了特定的变压比k k和和和和接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样接线方式，如右图

44、。这样使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内（一般为（一般为（一般为（一般为6060），其输），其输），其输），其输出电压和转子转角出电压和转子转角出电压和转子转角出电压和转子转角 成线成线成线成线性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为一、旋转变压器一、旋转变压器n n1.1.增量式增量式增量式增量式编码器结构编码器结构编码器结构编码器结构二、光电编码器二、光电编码器n n2.2.增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理n n 鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主

45、码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有a a、b b两组透明两组透明两组透明两组透明检测窄缝，它们彼此错开检测窄缝，它们彼此错开检测窄缝，它们彼此错开检测窄缝，它们彼此错开1/41/4节距，以使节距，以使节距，以使节距，以使AA、BB两两两两个光电变换器的输出信号在相位上相差个光电变换器的输出信号在相位上相差个光电变换器的输出信号在相位上相差个光电变换器的输出信号在相位上相差9090。工。工。工。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一

46、起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；

47、当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器器器器AA、B

48、B的输出电压相位差为的输出电压相位差为的输出电压相位差为的输出电压相位差为9090。经逻辑电路处。经逻辑电路处。经逻辑电路处。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。二、光电编码器二、光电编码器n n3.3.绝对式编码器原理绝对式编码器原理绝对式编码器原理绝对式编码器原理n n 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元

49、件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。n n 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所

50、示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码印制黑白等间隔图案，形成一套编码印制黑白等间隔图案，形成一套编码印制黑白等间隔图案，形成一套编码 二、光电编码器二、光电编码器n n 黑色不透光区和白黑色不透光区和白黑色不透光区和白黑色不透光区和白色透光区分别代表二色透光区分别代表二色