机电一体化教案与.docx

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机电一体化教案与

第四章机电一体化检测系统

第一节概述

传感与检测是系统的感受器官，如数控机床加工过程中，要对刀架位置、切屑力大小、进给速度等进行控制，这都是通过传感与检测来完成。

检测技术是机电一体化技术的关键技术，它主要用于检测相关外界环境及产品自身状态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。

传感器是检测技术的关键元件。

如何从待测对象那里获得能反映待测对象特征与状态的信号，取决于传感器，而能否有效的利用这些信号携带的丰富信息则取决于检测技术。

传感器可以为检测系统提供必需的原始信号，中间转换电路将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换为易于测量或处理的电压或电流等电量信号，但是往往这种信号都很微弱，所以要通过电路进行放大、调制解调、A/D或D/A转换等以满足信号传输、计算机处理的要求；根据需要还必需进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。

随着世界各国现技术的发展，检测领域出现了许多新的检测方法，如超声波、红外线、核辐射、光导纤维等，这些方法在高温、高速度、远距离等情况下更具有优越性。

对检测技术的要求也越来越高。

目前，检测技术的总趋势大体有以下几个方面：

（1）不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性；

（2）传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展；（3）重视非接触式检测技术研究；（4）检测系统智能化。

本章重点介绍常用的传感器、传感器的信号处理、传感器的借口技术。

一、检测系统的组成

机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式。

通常作为信息的载体所表现的物理量不是电量，即非电量，所以必须用传感器将非电量转换成电量。

非电量的检测系统有两个重要环节：

1、把各种非电量信息转换为电信号。

这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。

2、对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，也称为电信号处理系统或二次仪表。

机电一体化系统一般采用计算机控制，电信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。

非电量检测系统的结构形式如图4-1所示。

图4-1非电量检测系统的结构形式

对于电量检测系统，只保留电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。

二、传感器的概念及基本特性

传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。

传感器件一般有物理、化学和生物等学科的某些效应或远离按照一定工艺研制出来，能“感知”被测量的大小和变化，并进行处理。

传感器的特性（静特性和动特性）是其内部参数的外部表现，也决定了其性能和精度。

1、传感器的构成

传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图4-2所示。

图4-2传感器组成框图

（1）敏感元件

在非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能直接变为电量，需要进行与转换，再变为电量。

敏感元件是直接感受被测非电量的，能将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，且输入输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。

如弹性敏感元件弹簧、悬臂梁等。

（2）转换元件

转换元件又称为变换器，是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）的元件。

信号的转换元件是构成传感器的核心。

例如热敏电阻。

（3）基本转换电路

能将电信号转换成便于测量、处理和控制电量的电路，如电压、电流、频率等。

传感器的结构有的简单，有的复杂。

如热电偶（只有敏感元件，输出电势），电容式位移传感器（敏感元件和基本转换电路），膜片式液体压力传感器和悬臂梁式力传感器（敏感元件、转换元件、基本转换电路）。

2、传感器的静态特性

静态特性是指传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，所表现出来的输入/输出关系。

通常用来描述静态特性的指标有：

线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂等。

（1）线性度

线性度是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，

非线性误差：

全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

非线性误差属于系统误差。

图4-3传感器线性度示意图

1、实际曲线2、理想曲线

（4-1）

式中，

—线性度（非线性误差）；

—最大非线性绝对误差；

yFS—输出满度值。

（2）灵敏度

传感器在静态标准条件下，输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比称灵敏度，用S0表示。

（4-2）

对于线性传感器，它的灵敏度S0是个常数。

灵敏度是传感器静态特性中的一个重要指标。

（3）迟滞

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。

对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

一般以满量程输出值yFS的百分数表示

（4-3）

式中，△Hm—输出值在正、反行程间的最大差值。

（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/输入曲线重复程度，称重复性。

如图4-5表示。

重复性误差用满量程输出的百分数表示，即

（4-4）

式中，

—输出最大重复性误差；

图4-4迟滞特性图4-5重复特性

（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（死区或不灵敏度）。

分辨力与满度输入的百分数表示称为分辨率。

（6）漂移

传感器在外部输入不变的情况下输出随时间变化的现象称为漂移。

产生漂移的因素主要有两个：

一是传感器本身结构参数，二是周围环境（如温度、湿度等）。

（7）精度

精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。

精度一般是在校验或标定的方法来确定。

国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，

3、传感器的动态特性

动态测试实例：

热电偶测阶跃变化温度，被测温度t0时刻从T0升高到T，但热电偶指示温度值要历经时间从t0--t的过程，才能从T0升高到T。

在这过渡过程中，热点偶的实际测试曲线与被测温度的实际变化曲线始终存在差异，这个差值就是动态误差，如图1-7所示。

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。

实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量时间变换的规律。

动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律。

实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。

动态特性参数的表达方法有两个：

一是阶跃信号输入状态下的输出特性；二是不同频率信号输入状态下的幅值变化和相位变化。

4、传感器的标定

传感器的标定是指利用高等级的标准器具对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量输出量之间的关系。

（1）静态标定：

确定静态指标。

（2）动态标定：

确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间、工作频率和频宽等。

5、传感器的分类

（1）工作原理

电阻原理：

如电位计式传感器、应变式传感器；

变磁阻原理：

如电感式、电涡流式、差动变压式传感器；

半导体原理：

热敏、光敏、气敏等固态传感器。

（2）信号特性

模拟式：

输出信号为模拟量，以幅值形式表示输入量的大小，如电感式传感器、电容式传感器等；

数字式：

输出信号为数字量，便于计算机联用，抗干扰性强，如光栅传感器、光电编码器等，输出的脉冲数量多少表示了输入量的大小。

（3）电源

有源式：

将非电量转换为电量，也称换能器（只转换本身不提供能量），如压电式、热电式、电磁式等；通常与测量电路、放大电路配合使用；

无源式：

也称能量控制型传感器，必须有辅助电源，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，如电阻式、电感式、电容式，常用于电桥和谐振电路的测量。

（4）输入量类型：

压力、位移、流量、速度、加速度等等。

三、信号传输与处理电路

传感器输出信号一般比较微弱（mV、uV级），有时夹杂其它信号（干扰或载波），因此传输过程中，需要依据传感器输出信号的特征和系统的要求，对传感器输出信号进行各种形式的处理，如阻抗变换，电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、A/D和D/A等，同时应对干扰（如噪声、温度、湿度、磁场等）采取一定的措施。

传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：

（1）传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。

（2）传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出

（3）传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。

（4）传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。

由于电子技术的发展和微加工技术的应用，现在的许多传感器中已经配置了部分处理电路（或配置有专用处理电路），大大简化了设计和维修人员的技术难度。

如反射式光电开关传感器集成了逻辑控制电路；压力传感器中的处理电路可以直接输送给A/D；光电编码传感器的输出是5V的脉冲信号，可以直接传送给计算机。

第二节位移检测

位移测量是线位移测量和角位移测量的总称。

位移测量在机电一体化制造系统中应用十分广泛，比如机床加工中的工作台位置、刀具进给量、加工件尺寸都需要位移测量，并且速度、加速度等参数的检测都可以借助测量位移的方法，比如主轴上编码器发出的脉冲数代表了角位移，由此可知主轴运转的角速度。

有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。

微位移检测可以通过应变式传感器、电容式传感器、电感传感器等来进行测量。

位移传感器主要有电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器、旋转变压器和光电编码盘等。

其中光栅传感器、磁栅传感器和光电编码盘都为数字传感器。

一、模拟式位移传感器

电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例介绍模拟式传感器测量位移的原理。

电感式传感器是一种非接触式检测接近测量的传感器，

电感式位移传感器基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。

按转换方式可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。

互感型又称为差动变压器式。

自感型传感器特点：

工艺简单；灵敏度好；输出信号大，信噪比好；有较大的电磁吸力，但是功耗大。

电磁感应原理：

感应电压或电动势等于回路中磁通量的变化率。

如果给线圈或螺线管施加变化的磁通，则线圈会产生感应电动势。

1、可变磁阻式电感传感器

磁路中的磁阻类似于电路中的电阻。

典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图4-6所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。

在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙

，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙

发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。

图4-6可变磁阻式电感传感器

1-线圈；2-铁心；3-活动衔铁；4-测杆；5-被测件

当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻R

有关，即

（4-5）

式中，W—线圈匝数；

Rm—总磁阻。

如果空气隙

较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为

（4-6）

式中，l--铁心导磁长度（m）；

--铁心导磁率（H/m）；

A--铁心导磁截面积（m2）；

--空气磁导率（H／m），

A0--空气隙导磁截面积（m2）。

铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比很小，铁心的磁阻可以忽略不计，故

（4-7）

将式（4-7）代入式（4-5），得

（4-8）

式（4-8）表明，自感L与空气隙

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，改变

时，L与

成非线性关系，此时传感器的灵敏度

（4-9）

由式（4-9）得知，传感器的灵敏度与空气隙

的平方成反比，

愈小，灵敏度愈高。

S不是常数，所以会出现非线性误差，变极距型电容式传感器类似。

通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作。

例如，设间隙变化范围为（δ0，δ0+Δδ），则灵敏度

当

<<

时，

，即灵敏度趋近于常数。

所以在实际应用中，可取

。

这种传感器适用较小位移的测量，一般为0.001～1mm。

这类传感器还常采用差动式接法。

下面为其他几种可变磁阻式传感器。

图4-7所示为差动型磁阻式传感器，由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。

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

时，两个线圈的间隙为

，表明一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，将两个线圈接入电桥的相邻臂，输出灵敏度提高一倍，改善了线性特性，消除了外界干扰。

图4-8所示为可变磁阻面积型传感器，固定

，当改变气隙导磁截面积A0时，自感L与A0呈线性关系。

这种电感式位移传感器结构简单，但是灵敏度较差。

图4-7可变磁阻差动式传感器图4-8可变磁阻面积型电感传感器图4-9可变磁阻螺管型传感器

1—线圈；2—铁心；3—活动衔铁；

4—测杆；5—被测杆

图4-9所示为单螺管线圈型电感式传感器，在螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，磁阻变化导致线圈自感L的变化。

这种传感器结构简单，制造容易，但是其灵敏度较低，适合于测量比较大的位移量。

如果采用双螺管线圈差动型，较单螺管线圈型有较高的灵敏度和线性，常用于电感测微仪上，最小分辨力可达0.5

。

这种传感器还可以用来测力、气体气压等。

2、涡流式传感器

金属导体在变化的磁场中其内部会产生感应电流，称为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。

涡流式传感器就是利用涡流效应的原理制成的。

如图4-10示，金属板置于一只线圈的附近，间距为

。

当线圈输入一交变电流i0时，便产生交变磁通量

。

金属板在此交变磁场中会产生感应电流i，这种电流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”或“涡流”。

涡流的大小与金属板的电阻率

、磁导率

、厚度h、金属板与线圈的距离

、激励电流角频率

等参数有关。

改变其中一参数，固定其他参数，就可根据涡流的变化测量该参数。

图4-10高频反射式涡流传感器1-线圈2-铁心

涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。

（1）高频反射式涡流传感器如图4-10所示，高频（>1MHz）激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面，由集肤效应在金属板表面形成涡电流。

该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离

、金属板的电阻率

、磁导率

、激励电流i及角频率

等有关。

改变距离而保持其他系数不变即可将位移变化转换为线圈自感的变化，由测量电路转换为电压输出。

高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

集肤效应：

当交变电流通过导体时，电流将趋于导体表面流过的现象，也称趋肤效应或表皮效应。

频率越高，集肤效应越明显。

（2）低频透射式涡流传感器工作原理如图4-11所示，发射线圈W1和接收线圈W2分别置于被测金属板材料G的上、下方。

低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频电压u1加到线圈W1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G使线圈W2产生电感应电动势U2。

但涡流消耗部分磁场能量使感应电动势u2减少。

金属板材料G越厚损耗的能量越大，输出电动势u2越小，即u2的大小与G的厚度及材料的性质有关。

试验表明，u2随材料厚度入的增加按负指数规律减少，如图4-11（b）所示。

涡流传感器可用于测位移、振动、测厚仪（变化

），还常用于材料辨别（变化

）、无损探伤（变化

）等。

3、互感型电感传感器

互感型电感传感器是利用互感系数M的变化来反映被测量的变化，与变压器的工作原理相似，初级线圈输入稳定交流电时，次级线圈输出的电压随被测量的变化而变化。

也常称为变压器式传感器，常采用差动式。

互感系数M的大小与两个线圈相对位置及周围介质的导磁能力等有关，表明了两线圈间的耦合程度。

互感型传感器就是利用这个原理将被测位移量转换称为线圈互感的变化，结构形式以螺管形应用较为普遍，结构及工作原理如图4-12（a）、（b）所示。

传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三部分组成。

线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。

两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。

活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。

输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。

当活动衔铁的位置居中时，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1

即输出电压ey随衔铁位置变化，输出特性如图4-12（c）所示。

图4-11低频投射式涡流传感器图4-12差动变压器式电感传感器

（a）原理图；（b）曲线图（a）、（b）工作原理（c）输出特性

图4-13差动相敏检波电路的工作原理

注意：

（1）差动变压器式传感器输出的电压是交流电压，用交流电压表指示时输出值只反应铁心位移的大小而不能反应移动的极性；

（2）交流电压输出存在一定的零点残余电压，这是因为两个次级线圈的结构不对称或初级线圈铜损、电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因。

即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。

所以差动变压器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

图4-13是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。

当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。

由表头指示输入位移量的大小和方向。

差动变压器传感器特点：

精度高（达0.1um量级），线圈变化范围大（可扩大到±l00mm），结构简单，稳定性好。

所以广泛用于直线位移及其它压力、振动等参量的测量。

图3-14是电感测微仪所用的差动型位移传感器的结构图。

电容式传感器的原理是电容的大小与组成电容的两极板的面积或介质的介电常数成正比，与极板间的距离成反比。

位移测试时，位移变化引起面积或极板间距离的变化改变电容的大小，即检测电容的值也就可以测算出位移的变化。

二、数字式位移传感器

数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，其特点是利用自身的物理特征，使输出信号为脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，对脉冲计数则可计算出位移。

下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数字式传感器的工作原理。

1、光栅位移传感器

（1）光栅

图4-14螺旋差动型传感器结构图

光栅是一种新型的位移检测元件，是在一块长条形光学玻璃上均居刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光学器件。

根据形状有圆光栅和直线光栅两种。

根据用途光栅分为物理光栅和计量光栅，物理光栅是利用光的衍射原理，主要用于光谱分析、光波长的测量；计量光栅利用光的莫尔现象实现位移、速度、振动等测量。

按照光的走向分为反射光栅和透射光栅，所用材料分别为玻璃和金属（不锈钢）。

（2）光栅传感器

光栅传感器由光源、透镜、光栅副、光电元件组成。

光栅传感器是利用莫尔条纹效应达到测量的目的。

光栅副包括标尺光栅和指示光栅，光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。

莫尔条纹：

标尺光栅和指示光栅的密度相同，但是长度相差很多，当它们沿刻线成一个很小的角度θ叠合在一起，由于遮光效应，在光栅上出现明暗相间的条纹，沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

图4-15光栅测量原理图4-16莫尔条纹示意

光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条纹宽度，P表示栅距，

表示光栅条纹间的夹角，则有

（4-10）

若P＝0.01mm，把莫尔条纹的宽度调成l0mm，则放大倍数相当于1000倍，大大减轻了电子线路的负担。

光栅测量系统的基本构成如图4-17所示。

光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可以用光电元件接受，图4-17中的a，b，c，d是四块光电池，即在一个莫尔条纹间距间安装四个光电元件，则它们产生的信号相位彼此差900，对这些信号进行适当的处理后，即可以实现方向辨别和变成光栅位移量的测量脉冲。

图4-17光栅测量系统

2、感应同步器

感应同步器是利用电磁感应原理将位移量转换为数字量的高精度检测元件，以脉冲形式输出。

当励磁绕组与感应绕组发生相对位移时，由于电磁耦合，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。

感应同步器有测量直线位移的直线式感应器和测量角位移的圆盘式感应器两种。

（1）直线式感应同步器

直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。

定尺较长（200mm以上，根据测量行程的长度选择不同长度），上面刻有均匀节距的绕组；滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，见图4-18。

当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开1/4节距。

滑尺在通有电流的定尺表面相对运动，产生感应电势。

图4-18感应同步器原理图

（2）圆盘式感应同步器，如图4-19所示，其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当于定尺，而且转子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。

图4-19圆盘式感应同步器摇组图形

（a）定子；（b）转子

（3）同步感应器的工作方式

感应同步器根据激磁绕组供电电压形式不同，分为鉴相测量方式和鉴幅测量方式。

a、鉴相式

鉴相式是根据感应电势的相位来鉴别位移量。

如果将滑尺的正弦和余弦绕组分别供给幅值、频率均相等，但相位相差90o的激磁电压，即

，

时，则定尺上的绕组由于电磁感应作用产生与激磁电压同频率的交变感应电势。

图4-20所示说明了定尺感应电势幅值与定、滑尺绕组的相对位置系。

若只对余弦绕组A加交流激磁电压VA，绕组A中有电流通过，则在绕组A周围产生交变磁场（图中1位置），定尺和滑尺绕组A完全重合，此时感应电势幅值最大。

随着滑尺相对定尺位移的增大，感应电势逐渐减小。

图中2位置，定尺绕组的磁通相互抵消，感应电势幅值为零。

滑尺继续滑动的情况见图中3，4，5位置。

可以看出，滑尺在定尺上滑动一个节距，定尺绕组感应电势变化了一个周期，即

（4-11）

式中，K—滑尺和定尺的电磁耦合系数；

—滑尺和定尺相对位移的折算角。

若绕组的节距为W，相对位移为l，则

（4-12）

同样，当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压VB时，定尺绕组感应电势为

（4-13）

图4-20滑尺摇组位置与定尺感应电势幅值的变化关系

滑尺上两个绕组同时加激磁电压，则定尺绕组上所感应的总电势为

（4-14）

从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移L的变化转成感应电势相角

的变化。

因此，只要测得定尺感应电压的相角

，就可以知道滑尺的相对位移L：

（4-15）

b、鉴幅式

在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同，但幅值不同的交流激磁电压VA和VB。

（4-16）

（4-17）

式中，

--指令位移角。

设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为

，则定尺绕组上的感应电势为

（4-18）

上式表明同步感应器的位移与感应电势的幅值有关，当θ1=θ时，感应电势e=0

第三节速度、加速度检测

物体的速度有线速度和角速度两种。

所以测量物体速度的传感器也有直线速度传感器和转速计两种。

速度加速度的测量方法：

（1）直接测量速度转变为输出信号；

（2）通过位移检测换算出速度和加速度；（3）通过