机电一体化系统的检测环节.docx

1、机电一体化系统的检测环节机电一体化第三章教案（讲稿）章节名称 第3章 检测环节教学名称 第1节 位置检测环节的构成和接口教学时数 学时 2教学目标 1掌握光栅的结构，工作原理，摩尔条纹计数概念2掌握脉冲编码器的结构和工作原理，分类，应用特点3理解感应同步器，旋转变压器，磁栅的工作原理，应用特点课程重点难点 1. 栅的结构，工作原理，摩尔条纹计数概念2. 脉冲编码器的结构和工作原理，分类，应用特点3.光电信号的检测、整形、辨向、计数电路的原理分析教学方法及手段 1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学概 述在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如

2、机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等，都是无法进行和实现的。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，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成了机电一体化产品中的检测系统。随着现代测量、控制

3、及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量；对自动化系统中各种参数进行自动检测和控制。尤其是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。一、传感器的分类传感器种类繁多，分类方法也有多种，可以按被测物理量分类，这种分法明确表达了传感器的用途，便于根据不同用途选择传感器。还可按工作原理分类，这种分法便于学习、理解和区分各种传感器。机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制器，传感器获取的有

4、关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或传感器开关型（二值型）接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）非接触型（如光电开关、接近开关）模拟型电阻型（如电位器、电阻应变片等）电压、电流型（如热电偶、光电池等）电感、电容型（如电感、电容式位移传感器）数字型计数型（二值计数器）代码型（如旋转编码器、磁尺等）图21 传感器按输出信号性质分类实施控制。因此，这里将传感器按输出信号的性质分类，分为开关型、模拟型和数字型，如图21所示。开关型传感器只输出“1”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“1”（ON状态），在该值以下时输出为“0

5、”（OFF状态），其临界值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算机进行处理。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。计数型传感器可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量，这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如光栅检测器和增量式光电编码器就是如此。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元

6、件输出。通常被用来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。模拟型传感器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计算机处理。传感器的发展方向由于传感器位于检测系统的入口，是获取信息的第一个环节，因此它的精度、可靠性、稳定性、抗干扰性等直接关系到机电一体化产品的整机性能指标。因此，传感器的研究与开发一直受到人们的重视，传感器的性能不断提高，主要表现在以下几个方面：（一）新型传感

7、器的开发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、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，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。（二）传感器的集成化和多功能化随着微电子学、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元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；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实现了横向和纵向的多功

8、能。（三）传感器的智能化“电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。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，就成为智能传感器。3.1 位置检测环节的构成和接口3.1.1感应同步器1。概述及应用特点感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线位移和角位移。由于它成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字

9、显示、自动定位和数控系统中。2。感应同步器的结构直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图25所示。图26为直线型感应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘粘合材料，将铜箔粘牢，用制造印刷线路板的腐蚀方法制成节距T一般为2mm的方齿形线圈。定尺绕组是连续的。滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。3。感应同步器的工作原理在滑尺的正弦绕组中，施加频率为f（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电

10、势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动1/4节距后，两绕组反向时，感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性的重复变化一次，其感应电势随位置按余弦规律变化，见图27a。图25 直线型感应同步器的组成1定尺 2滑尺图26 直线型感应同步器定尺、滑尺的结构图27 定尺感应电势波形图a）仅对A绕组激磁 b）仅对B绕组激磁同样，若在滑尺的余弦绕组中，施加频率为f的交变电流时，定尺绕组上也感应出频率为f的感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化。见图27

11、b。设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为 (29)余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 (210)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 (211)式中 K定尺与滑尺之间的耦合系数； 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）； T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2mm。感应同步器是利用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有相位和幅值两种工作法，前者是通过检测感应电压的相位来测量位

12、移，后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移。4。测量方法1.相位工作法当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90o的两个电压时，定尺感应电势相应随滑尺位置而变。设 (212) (213) 则= (214) = 从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移x的变化转成感应电势相角的变化。因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x： (215)2.幅值工作法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 (216) (217)根据线性叠加原理，定尺上总的感应电势U2为两个绕组单独作用时所产生的感应电势U2和U2之和。即 (218)式中 K Um

13、sin（）感应电势的幅值；Um滑尺励磁电压最大的幅值； 滑尺交流励磁电压的角频率，=2f；指令位移角。由上式知，感应电势U2的幅值随（）作正弦变化，当=时，U2=0。随着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量U2的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。 3.1.2 旋转变压器旋转变压器概述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。当从一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、100

14、0Hz及5000Hz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。 图210 正余弦变压器原理图D1D2激磁绕组 D3D4辅助绕组 Z1Z2余弦输出绕组 Z3Z4正弦输出绕组如图210所示，旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90。在转子上有两个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90，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。（二）旋转变压器

15、的测量方式当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即 (227) (228) (229)式中 k =w1/w2旋转变压器的变压比； w1、w2转子、定子绕组的匝数。可见，测得转子绕组感应电压的幅值和相位，可间接测得转子转角的变化。线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如图211。这样使得在一定转角范围内（一般为60），其输出电压和转子转角成线性关系。此时输出电压为 (230)根据此式，选定变压比k及允许的非线性度，则

16、可推算出满足线性关系的转角范围（图212）。如取k =0.54，非线性度不超过0.1%，则转子转角范围可以达到60。图211 线性旋转变压器原理图 图212 转子转角与输出电压的关系曲线3.1.3 光栅光栅位置检测装置1.光栅的种类(1)直线光栅1）玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅的特点是：光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100、125、250条，再经过电路细分，可做到微米级

17、的分辨率。2）金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹；金属反射光栅常用的线纹数为每毫米4、10、25、40、50条，因此，其分辨率比玻璃透射光栅低。此外，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。金属反射光栅的特点是：标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整比较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。（2）圆光栅在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。根据不同的使用要求在圆周内的线纹数也不相同。圆光栅一般有3种形式：1）六十进制，如圆周内的线纹数为：1080

18、0，21600，32400，64800等；2）十进制，如圆周内的线纹数为：1000，2500，5000等；3）二进制，如圆周内的线纹数为：512，1024，2048等。2.直线透射光栅的组成及工作原理（1）直线透射光栅的组成原理光栅由标尺光栅（又称长光栅）和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上），光栅读数头安装在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅（又称短光栅）装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。图6-9所示为一光栅尺的简单示意图，标尺光栅和指示光栅上均匀刻有很多条纹，从局

19、部放大部分看，黑的部分为不透光宽度（缝隙宽度）a，白的部分为透光宽度（刻线宽度）b，设栅距为d，则da+b。通常情况下，光栅尺刻线的不透光和透光宽度是一样的，即：a=b。在安装光栅尺时，标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙（一般取0.05或0.1）要严格保证。 图6-9 光栅尺光栅读数头又称光电转换器，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅读数头的结构形式很多，按光路分，常见的有分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头和镜像读数头，光路图如图6-10所示，图中Q表示光源，L表示透镜，G表示光栅，P表示光电元件。 （a）分光读数头 （b）垂直入射读数头 （c）反射读数头图6

20、-10 光栅读数头光路图上述光栅只能用于增量式测量方式，有的光栅读数头没有个绝对零点，当停电或其他原因记错数字时，可以重新对零。它是在两光栅上分别有小段光栅，当这两小段光栅重合时发出零位信号，并在数字显示器中显示。玻璃透射式直线光栅用玻璃制成，容易受外界气温的影响而产生误差，而且灰尘、切屑、油污、水汽等容易侵入，使光学系统受到杂质的污染，影响光栅信号的幅值和精度，甚至因光栅的相对运动而损坏刻线。因此，光栅必须采用与机床材料膨胀系数接近的K8等玻璃材料，并且要加强对光栅系统的维护和保养。测量精度较高的光栅都使用在环境条件较好的恒温场所或进行密封。用直线光栅测量时要求标尺光栅与行程等长，通常情况下

21、光栅的长度为1m，如果在大型机床中行程大于1m时，需要将光栅接长，此时要注意保证接口处的精度。（2）摩尔条纹的产生和特点对于栅距d相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角、刻划面相对平行且有一个很小的间隙（一般取0.05mm，0.1mm放置时，在光源的照射下，由于光的衍射或遮光效应，在与两光栅线纹角的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间的条纹，这种条纹称“莫尔条纹”。由于角很小，所以莫尔条纹近似垂直于光栅的线纹，故有时称莫尔条纹为横向莫尔条纹。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以w表示。 （a） 莫尔条纹形成原理 （b） 莫尔条纹放大原理图6-11

22、光栅工作原理莫尔条纹具有如下特性：（1）起放大作用不难证明，在倾斜角很小时，莫尔条纹宽度w与栅距d之间有如下关系： （6-12）放大比k为： （6-13）若取d=0.01mm，0.02rad，则w5mm，k500。可见，无需复杂的光学系统和电子放大线路，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距d转换成放大500倍的莫尔条纹宽度w。（2）实现平均误差作用莫尔条纹是由大量光栅线纹干涉共同形成的，使得栅距之间的相邻误差被平均化了，消除了由光栅线纹的制造误差导致的栅距不均匀而造成的测量误差。（3）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度；若光栅移动方向相反

23、，则莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与两光栅夹角移动方向垂直。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹的变化代替。3.直线光栅检测装置的方向辨别光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，光电元件把两块光栅相对移动时产生的莫尔条纹明暗的变化转变为电流变化。当标尺光栅沿与其线纹垂直方向相对指示光栅移动时，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接收到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接收到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，相互交替出现，透过的光强度分布近似于余弦曲线，光电元件接收

24、到的光通量也忽大忽小，产生了近似正弦曲线的电压信号。这样的信号，只能用于计数，而不能辨别方向。实际应用中，即要求有较高的检测精度，又能辨别方向。为了达到这种要求，通常使用分频电路实现。图6-12 光栅测量系统 （a）电路图 （b）波形图图6-13 光栅测量系统四倍频鉴向电路介绍一种广泛使用的四倍频鉴向电路工作原理。所谓四倍频，就是采用四个光电元件和四个狭缝，使其与莫尔条纹相重合的位置相差14栅距。这样，四个光电元件输出的正弦信号彼此之间相差90，经过整形和逻辑处理后即可得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。图6-13（a）、（b）分别为四倍频电路的逻辑图和波形图。当指示光栅和标尺光栅相对移动时，四

25、个硅光电池Pl、P2、P3、P4产生四路相差90相位的正弦信号。将两组相差180的两个正余弦信号1、3和2、4分别送入两个差动放大器，输出经放大整形后，得两路相差90的方波信号A和B。A和B两路方波一方面直接进微分电路微分后，得到前沿的两路尖脉冲A和B；另一方面经反向器，得到分别与A和B相差180的两路等宽脉冲C和D；C和D再经微分电路微分后，得两路尖脉冲C和D。四路尖脉冲按相位关系经与门和A、B、C、D信号相与，再输出给或门，输出正反向信号，其中AB、AD、CD、BC分别通过Yl、Y2、Y3、Y4输出给或门Hl，得正向脉冲，而B C、A B、AD、CD通过Y5、Y6、Y7、Y8输出给或门H2

26、，得反向脉冲。当正向运动时，H1有脉冲信号输出，H2则保持低电平；而反向运动时，H2有脉冲信号输出，H1则保持低电平。4.提高光栅分辨精度的措施鉴向倍频电路不仅可以起到辨别方向的作用，它还可以起到细分的作用，以提高光栅的分辨率。从上面的分析可知，从莫尔条纹原来的一个脉冲信号变为在0、90、180、270都有脉冲输出，即在一个周期内送出了4个脉冲。这样，分辨率提高了4倍。例如光栅线纹密度为50条/mm，即栅距为150mm（20m），经4倍频处理后，相当于将线纹密度提高到200条/mm，工作台每移动5m就会送出一个脉冲，即分辨率为5m，分辨率提高了4倍。光栅测量系统的分辨率取决于光栅栅距2和鉴向倍

27、频的倍数n，即：分辨率2/n。光栅输出信号有两种，正弦波信号和方波信号。正弦波信号有电流型和电压型。对连续变化的正弦波信号，需经过如上所述的差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲信号。也可采用相位跟踪细分，进一步提高分辨率，其原理是将输出信号与相对相位基准信号比较，当相位差超过一定门槛时，移相脉冲门输出移相脉冲，同时使相对相位基准信号跟踪测量信号变化。这样每一移相脉冲使相对相位基准移相360n度，即可实现n倍细分，有八倍频、十倍频、二十倍频或更高。对方波信号，可进行二倍频和四倍频处理以提高分辨精度。5.光栅检测装置的特点1）精度高 由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到

28、微米级，再通过细分电路可以达到0.1m、甚至更高的分辨率，如：0.025m。2）无接触检测，精度可长期保持3）制造成本高，技术难度大，维护难度大6.光栅检测装置的选用1）技术优势明显 精度最高 检测数据直接微机接口传送，抗干扰性能好 动态性能好，直接数显应用可靠2）不足：成本高，接长难度大，维护难度大3）精度选择 各种光栅中以玻璃衍射光栅的精度为最高。7.光栅检测装置的安装及注意事项 1）安装（1）安装方式 标尺固定，读数头运动 （简洁，因电缆线运动可靠性下降） 读数头固定，标尺运动 （简洁性差，因电缆线固定，可靠性较理想）（2）必须有防护措施（3）按装基面精度高，（小于0.1mm）(4) 标

29、尺平行于运动方向（全长小于0.1mm）（5）用千分尺等检测归零和运动精度2）应用注意事项 读数头和数显表数据线插拔应切断电源 认真防护 定期检查安装紧定螺钉 远离热源 可靠的限位措施 3.1.4 脉冲编码器1. 增量式编码盘常用的光电式编码器为增量式光电编码器，亦称光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器等，是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是数控机床上常用的一种角位移检测元件，也可用于角速度检测。增量式光电编码器按每转发出的脉冲数的多少来分有多种型号，但数控机床最常用的如表6-3所列，根据数控机床丝杠螺距来选用。表6-3 光电脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）2000脉

30、冲r2，3，4，6，82500脉冲r5，103000脉冲r3，6，12为了适应高速、高精度数字伺服系统的需要，先后又发展了高分辨率的脉冲编码器，见表6-4。现在已有使用每转发出10万乃至几百万个脉冲的编码器，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。表6-4 高分辨率脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）20000脉冲r2，3，4，6，825000脉冲r5，1030000脉冲r3，6，12如图6-21所示，光电编码器由光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属薄膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用精密照相腐蚀工艺，制成沿圆周等距的透光和不透光部分相间的辐射状线纹，一个相邻的透光或不透光线纹构成一个节距P。在光电码盘里圈的不透光圆环上还刻有一条透光条纹Z作为参考标记，用来产生“一转脉冲”信号，即码盘转一周时发出一个脉冲，通常称其为“零点脉冲”，该脉冲以差动形式Z、输出，用作测量标准。光栏板固定在底座上，与光电码盘保持一个小的间距，其上制有两段线纹组A、（A的反相）和B、（B的反相），每一组的线纹间的节距与光电码盘相同，而A组与B组的线纹彼此错开14节距。两组条纹相对应的光电元件所产生的信号彼此相差90相