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機(jī)電一體化Mechatronics 第3章檢測系統(tǒng)3 1概述3 2機(jī)電一體化中常用檢測裝置3 3基本轉(zhuǎn)換電路3 4信號放大電路3 5信號的調(diào)制與解調(diào)3 6信號處理電路 明朝晚期著名思想家 哲學(xué)家呂坤 呻吟語 中警句 鑒不能自照 尺不能自度 權(quán)不能自稱 囿于物也 圣人則自照自度自稱 成其為鑒為尺為權(quán) 而后能妍媸 長短 輕重于下 什么是位置檢測系統(tǒng) 組成 位移和速度信號 位置控制單元所要求的信號形式 位置控制單元 檢測元件 傳感器 信號處理裝置 作用 由于機(jī)電一體化系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要控制和監(jiān)測 而計算機(jī)系統(tǒng)又只能識別電量 因此能把各種不同的非電量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器便成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分 3 1 1傳感器概念和定義人體對外界和周圍環(huán)境的感覺或感知 是通過五官 皮膚等來完成的 感覺器官從外界獲取信息 傳輸?shù)酱竽X神經(jīng)中樞進(jìn)行信息處理和加工 然后根據(jù)信息處理的結(jié)果控制肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的動作 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中 外界信息是通過傳感器進(jìn)行檢查和測量 然后經(jīng)過計算機(jī)處理 再控制執(zhí)行裝置完成動作任務(wù) 傳感器是人類感覺器官的工程模擬 負(fù)責(zé)信息的收集和處理 什么是傳感器 國家標(biāo)準(zhǔn) 傳感器通用術(shù)語 中 對于傳感器的定義作了如下規(guī)定 能感受 或響應(yīng) 規(guī)定的被測量 并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置 傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路所組成 檢測則是檢出和測量的總稱 所謂檢出就是要求指示某些量的存在 但無需給出量值的大小 而測量則要求給出待測量的具體值 檢測可以看做是從外界獲取信息 并從中提取有用信號的過程 傳感器是實(shí)現(xiàn)檢測和傳感的物理器件 在機(jī)電一體化中 傳感器的功能越強(qiáng) 系統(tǒng)地自動化程度越高 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中 需要檢測的物理量通常是力 位移 速度 加速度等 這些物理量需要經(jīng)過傳感器的變換 并經(jīng)過放大 調(diào)制與解調(diào) 濾波和運(yùn)算等處理 將有用的信號檢測出來 反饋給控制裝置或進(jìn)行顯示 能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的系統(tǒng) 稱之為檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)框圖 檢測系統(tǒng)一般由傳感器和信號加工兩部分構(gòu)成 即 1 把各種非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號 這就是傳感器的功能 傳感器又稱為 一次儀表 2 對傳感器送出的電信號進(jìn)行加工 使之成為合乎需要的 便于輸送或顯示和記錄的 可作進(jìn)一步處理的信號 如將阻抗變換為電壓或電流 將信號放大 調(diào)制與解調(diào) 阻抗變換 線形變換 線性化 以及將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字編號信號等 這叫電信號處理系統(tǒng) 通常又稱為 二次儀表 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 電信號處理系統(tǒng)已成為以計算機(jī)為中心的電信號處理系統(tǒng) 由于檢測系統(tǒng)由傳感器和各若干變換環(huán)節(jié)組成 為了保證檢測過程中能夠不失真地把所需信息從信號源經(jīng)過其載體信號傳輸?shù)捷敵龆?而不受干擾 因此對傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求如下 精度 靈敏度和分辨率高 能滿足機(jī)電一體化系統(tǒng)對檢測精度和速度的要求 能滿足精度和速度的要求線性度 靈敏度穩(wěn)定性和重復(fù)性好 工作可靠 靜 動態(tài)特性好 測量范圍大 高可靠性和高抗干擾性 其它特殊要求 體積小 重量輕 價格便宜 便于安裝與維修 耐環(huán)境性好等 3 1 2傳感器分類傳感器常用的分類有3種 1 按被測物理量分類可分為位移傳感器 速度傳感器 力 壓力 傳感器 溫度傳感器 濕度傳感器等等 而上述傳感器又可根據(jù)派生物理量加以細(xì)分 如位移傳感器可包括線位移傳感器 角位移傳感器等 按被測物理量的分類方法明確表明了傳感器的用途 使用者可以選用 2 按傳感器的工作原理分類可以將傳感器分為電阻式 電感式 磁電式 壓電式 電容式 氣電式 陀螺式 諧振式和光電式等 例如 工程上常用的電阻式應(yīng)變片 其工作原理是應(yīng)變可使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化 利用這一原理可以制成測量力 力矩 應(yīng)變 位移等傳感器 3 按傳感器轉(zhuǎn)換能量的方式分類1 能量轉(zhuǎn)換型又稱有源傳感器 或發(fā)電型傳感器 即在不加外電源情況下將非電功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出 如電磁式 電動式 電壓式等傳感器 2 能量控制型又稱無源傳感器 或電參量型傳感器 即不能將非電功率轉(zhuǎn)換成電功率的傳感器 這類傳感器是以被測物理量對傳感器中的電參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)作用來實(shí)現(xiàn)測量的目的 所以 它必須有輔助的能源 電源 如電阻式 電感式 電容式等傳感器均屬此類 習(xí)慣上長把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器 如電感式位移傳感器 壓電式加速度傳感器等 按國家標(biāo)準(zhǔn) 傳感器的命名應(yīng)由主題詞加四級修飾語構(gòu)成 主題詞傳感器 第一級修飾語被測量 包括修飾被測量的定語 第二級修飾語轉(zhuǎn)換原理 一般可后續(xù)以 式 字 第三級修飾語特征描述 指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu) 性能 材料特征 敏感元件及其他必要的性能特征 一般可后續(xù)以 型 字 第四級修飾語主要技術(shù)指標(biāo) 量程 精確度 靈敏度等 以下例如 10mm應(yīng)變式位移傳感器 0 70kPa電位器式差壓傳感器 100 160dB電容式聲壓傳感器 1 3500kPa放大 型 應(yīng)變 計 式絕壓傳感器 20kg壓電式加速度傳感器等 3 1 3傳感器的靜態(tài)特性傳感器變換的被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時 傳感器的輸入 輸出關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性 描述傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是 線性度 靈敏度 遲滯 重復(fù)性 分辨率和零漂 1 線性度傳感器的靜態(tài)特性是靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下 利用一定等級的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 對傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測試 得到輸入 輸出特性 列表或畫曲線 通常希望這個特性曲線為線性的 這對標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來方便 但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性 對比理論直線有偏差 如下圖所示 實(shí)際曲線與其兩個尖端連線 理論直線 之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差 取其中最大值 max與輸出滿度值之比作為評價線性度 或非線性誤差 的指標(biāo) 式中 L 線性度 非線性誤差 yFS 輸出滿度值 2 靈敏度傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下 輸出變化對輸入變化的比值稱為靈敏度 用S0表示 即 對線性傳感器來說 它的靈敏度S0是個常數(shù) 3 遲滯傳感器在正 輸入量增大 反 輸入量減小 行程中輸出輸入特性曲線的不重合程度稱遲滯 遲滯誤差表達(dá)式為 式中 H為遲滯誤差 Hm為輸出值在正 反行程的最大差值 4 重復(fù)性傳感器在同一條件下 被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時 所得輸出 輸入曲線的不一致程度稱為重復(fù)性 重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示 即近似計算精確計算 式中為重復(fù)性誤差 Rm為輸出最大重復(fù)性誤差 yi為第i次測量值 為測量值的算術(shù)平均值 n為測量次數(shù) 5 分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱為分辨力 在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值 6 零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下 輸出值的變化稱零漂 零漂可用相對誤差表示 也可以用絕對誤差表示 3 1 4傳感器的動態(tài)特性傳感器測量靜態(tài)信號時 由于被測量不隨時間變化 測量和記錄過程不受時間限制 而實(shí)際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號 傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小 還要顯示被測量隨時間變化的規(guī)律 即被測量的波形 傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示 動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時輸入對輸出的響應(yīng)特性 動態(tài)特性好的傳感器 其輸出量隨時間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時間的變化規(guī)律 即它們具有同一個時間函數(shù) 但是 除理想情況外 實(shí)際傳感器的輸出信號與輸入信號不會具有相同的時間函數(shù) 由此引起動態(tài)誤差 對傳感器的進(jìn)一步理解 一般的理解常用物理量 溫度 壓力 位移 振動廣義的理解圖像傳感器 可見光 近遠(yuǎn)紅外 激光等電磁波 雷達(dá)等 學(xué)會從系統(tǒng)的角度理解傳感器及靜動態(tài)性能 3 1 5測試技術(shù)的發(fā)展概況傳感器方面1 結(jié)構(gòu)型 傳感器早期發(fā)展的傳感器 是利用物理學(xué)場的定律 電場 磁場 力場等 所構(gòu)成的 結(jié)構(gòu)型 傳感器 其基本特征 是以其結(jié)構(gòu)的部分變化或變化后引起場的變化來反映待測量 力 位移等 的變化 2 物性型 傳感器利用物質(zhì)特性構(gòu)成的傳感器稱為 物性型 傳感器或 物性型 敏感元件 如常見的力敏 壓敏 光敏 磁敏 聲敏 濕敏 色敏 氣敏 味敏 化學(xué)敏 射線敏等敏感元件 物性型傳感器是傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一 新型光纖溫度傳感器 3 智能傳感器多功能 集成化 智能化傳感器是自動化過程控制系統(tǒng)中的重要一環(huán) 其主要支柱是微電子與計算機(jī)技術(shù) 傳感器與微型計算機(jī)結(jié)合 產(chǎn)生了智能傳感器 HP公司生產(chǎn)的加速度信號測量傳感器芯片 測試技術(shù)應(yīng)用1 產(chǎn)品質(zhì)量測量所有重要設(shè)備及設(shè)備零部件在出廠時都要進(jìn)行質(zhì)量檢測 齒輪測量 汽車質(zhì)量檢測 2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在電力 冶金 石化 化工 交通等行業(yè) 關(guān)鍵設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控 電廠監(jiān)控 石化行業(yè) 3 生活中家用電器 利用衣量傳感器來檢測洗衣時衣物量的多少 從而決定設(shè)定水位的高低 利用衣質(zhì)傳感器來檢測衣物重量 織物種類 從而決定最優(yōu)洗滌溫度 洗滌時間 利用水溫傳感器來檢測開機(jī)時的環(huán)境溫度和注水結(jié)束時的水溫 為模糊推論提供信息 利用傳感器來檢測水的硬度 進(jìn)而決定添加洗衣粉的量以期達(dá)到最佳洗滌效果 利用光傳感器來檢測洗滌液的透光率 從而間接檢測了洗凈程度 利用傳感器監(jiān)測漂洗過程中的肥皂沫的變化決定漂洗的次數(shù) 4 其它領(lǐng)域應(yīng)用 軍事 航天 雷達(dá)系統(tǒng) 海洋軍事探測系統(tǒng) 現(xiàn)代戰(zhàn)爭的電子對抗 飛機(jī)高度 速度 氣象 遙感 第3章檢測系統(tǒng)3 1概述3 2機(jī)電一體化中常用檢測裝置3 3基本轉(zhuǎn)換電路3 4信號放大電路3 5信號的調(diào)制與解調(diào)3 6信號處理電路 常用位移測量傳感器 電容傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器 變極距型電容傳感器 靈敏度 變極距型電容傳感器 非線性誤差 變面積型電容傳感器 靈敏度 變面積型電容傳感器 靈敏度 電感式傳感器 電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理 把被測位移量變化成線圈自感或互感變化的裝置 電感式傳感器 電感式傳感器 在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間 等間距分布的細(xì)小條紋 又稱為刻線 稱為光柵 光柵檢測系統(tǒng) 一 光柵概述 光柵式測量的主要特點(diǎn) 高精度 大量程動態(tài)測量 自動測量及數(shù)字顯示強(qiáng)抗干擾能力高測量速度 光柵的類型 物理光柵 計量光柵 利用光的衍射現(xiàn)象 常用于光譜分析和光波波長測定 主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象 用于位移測量 按基體材料透射光柵透明玻璃片 透射型光柵特點(diǎn) 利用透射光反射光柵金屬鏡面 反射型光柵特點(diǎn) 利用反射光 計量光柵 長光柵 圓光柵 在基體材料上刻上平行條紋 檢測直線位移 在基體材料上刻上向心條紋 檢測角位移 注意 圓光柵只有透射光柵 計量光柵 按形狀 長光柵 徑向圓光柵 切向圓光柵 光柵結(jié)構(gòu) 長光柵 a柵線的寬度 不透光 b柵線間寬 透光 a b W柵距 也稱光柵常數(shù) 通常a b W 2或a b 1 1 0 9常用光柵每毫米25 50 100 125 250線條 圓光柵 柵距角110mm 600 1024條70mm 100 768條 實(shí)驗系統(tǒng) 莫爾條紋 移動平臺 光柵檢測裝置的組成 安裝要求 1 標(biāo)尺光柵平行于指示光柵 2 間隙保證 0 05mm或0 1mm 光柵讀數(shù)頭 作用位移 光 電轉(zhuǎn)換器 組成光源透鏡指示光柵光敏元件 問題 光敏元件的安裝 二 光柵的工作原理 光柵是根據(jù)物理學(xué)莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的 莫爾條紋 莫爾 出于法文Moire 意思是水波紋 發(fā)現(xiàn) 幾百年前法國絲綢工人 正式提出 1874年英國物理學(xué)家Rayleigh的論文 關(guān)于衍射光柵的制造和理論 莫爾條紋 莫爾條紋的形成原理莫爾條紋的特性為什么莫爾條紋可實(shí)現(xiàn)位移檢測 原因 擋光積分效應(yīng)原理 在光柵線紋較寬的時候 粗光柵 是擋光積分效應(yīng) 當(dāng)線紋很細(xì)的時候 細(xì)光柵 光線經(jīng)過光柵造成的莫爾條紋是光線衍射后產(chǎn)生干涉的效果 莫爾條紋的形成 長光柵莫爾條紋 播放動畫 播放中 圓弧莫爾條紋 單擊準(zhǔn)備演示 播放動畫 環(huán)形莫爾條紋 播放動畫 播放中 單擊準(zhǔn)備演示 單擊準(zhǔn)備演示 輻射形莫爾條紋 播放動畫 莫爾條紋為什么可以用來實(shí)現(xiàn)位移測量 對于位移的檢測 應(yīng)包括三個方面 方向 大小 速度 莫爾條紋是如何反映這幾方面的變化的 莫爾條紋和光柵尺移動的對應(yīng)關(guān)系 大小 方向 速度 莫爾條紋的其他特性 1 當(dāng)用平行光束照射光柵時 所形成莫爾條紋間的光強(qiáng)近似呈正弦或余弦分布2 放大作用3 誤差平均效應(yīng) 莫爾條紋間的光強(qiáng)分布 W B 1 2 s y 0 1 標(biāo)尺光柵2 指示光柵B節(jié)距W柵距 B 條紋的節(jié)距 W 光柵的柵距 夾角B W tan W 如 W 0 01mm 0 001 則 B 10mm放大倍數(shù)為1000倍 特點(diǎn) 放大不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng) 光柵的放大作用 光柵的誤差平均作用 柵距能否絕對一樣 不一樣會有什么影響 答案 1 平均化了個別柵線的間距誤差 消除了短周期誤差 2 不能平均累積誤差 即克服不了長周期誤差 莫爾條紋的節(jié)距誤差取決于光柵刻線的平均誤差 三 莫爾條紋位移檢測 莫爾條紋位移被測位移 對應(yīng)關(guān)系 莫爾條紋是一個明暗相間的帶 兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗 到漸亮 一直到最亮 又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗 再到最暗的漸變過程 主光柵移動一個柵距W 光強(qiáng)變化一個周期 光 電轉(zhuǎn)換 通常在一個節(jié)距上均勻分布四個光敏元件 從每一個光敏元件上輸出的都是正弦或余弦信號 四路信號相位差90度 A cos 2 w Vt B cos 2 w Vt 2 C cos 2 w Vt D cos 2 w Vt 3 2 電信號如何反映位移 1 每一路信號每變化一個周期 表示被測物體移動了一個光柵柵距 2 信號變化越快 被測物體則移動越快 其變化頻率代表了工作臺的移動速度 3 四路信號的超前滯后關(guān)系反映了工作臺的移動方向 結(jié)論 被測物體速度 位移大小 方向的檢測 電壓頻率 變化次數(shù) 相位的檢測 感應(yīng)同步器應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測量位移的高精度檢測元件 當(dāng)在滑尺的兩個繞組中分別加上激勵電壓時 則在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢 其幅值決定繞組的相對位置 兩種使用方式 相位工作方式和幅值工作方式 1 相位工作方式的原理當(dāng)在滑尺的兩個繞組中分別加上幅值相等 頻率相同的正弦和余弦激勵電壓時 則在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓 其中k為感應(yīng)系數(shù) 為定尺與滑尺的相對位移 則在定尺繞組中合成電壓為 通過檢測U的相位可以測量定尺與滑尺的相對位移 若感應(yīng)同步器的節(jié)距為W 則滑尺直線位移x和之間的關(guān)系為 2 幅值工作方式的原理當(dāng)在滑尺的兩個繞組中分別加上頻率和相位相同而幅值不同的激勵電壓 為旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣角 可由伺服系統(tǒng)產(chǎn)生 則在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓通過檢測U的幅值可以測量定尺與滑尺的相對位移 精度高可用于長距離位移測量對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)使用壽命長 維護(hù)簡單工藝性好 維護(hù)簡單 感應(yīng)同步器的特點(diǎn) 回轉(zhuǎn)編碼器 光電編碼器 回轉(zhuǎn)編碼器是一種碼盤式角度 數(shù)字檢測元件 分絕對式編碼器盤和增量式編碼器兩種 絕對式編碼器能夠直接給出對應(yīng)每個轉(zhuǎn)角位置的二進(jìn)制數(shù)碼 便于計算機(jī)處理 增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單 價格低 精度易于保證 因此目前使用廣泛 1 絕對式編碼器6位絕對式編碼器的碼盤如圖所示 碼盤的圓周上刻有6條碼道 代表6位二進(jìn)制數(shù)碼的26 64種連續(xù)取值 假定處在圓周最外圍的碼道代表數(shù)碼的最低位 離圓心最近的碼道代表碼的最高位 碼盤上的黑色部分作遮光處理 用來表示高電平 1 白色部分做透明處理 代表低電平 0 則從里到外各碼道依次對應(yīng)25 24 23 22 21 20 64個扇區(qū)分別對應(yīng)二進(jìn)制的000000 000001 111111 如果每個碼道配置一個光電轉(zhuǎn)換器 隔著碼盤從后側(cè)用光源照射 則光電轉(zhuǎn)換器可讀取代表圓盤位置的二進(jìn)制數(shù) 此種編碼盤的編碼方式使碼值不止一位變化 可能由各種不精確的因素而導(dǎo)致出現(xiàn)讀數(shù)失誤 并且無法驗證 因此采用新的編碼技術(shù) 如格雷碼Gray CODE 編制碼盤 可將錯碼限制在只有一位上 二進(jìn)制和格雷碼盤比較 非單值性系統(tǒng)誤差 問題 1011 1111 非單值性誤差解決方法 采用特殊代碼 102 格雷碼編碼盤 特點(diǎn) 相鄰兩個編碼間僅有一位是不同的 結(jié)果 允許非單值性誤差的出現(xiàn) 但可將其控制在最小的范圍內(nèi) 4位二進(jìn)碼與格雷碼的對照關(guān)系 絕對式編碼器的碼盤可以劃分多個碼道 檢測角位移的分辨率與碼道多少有關(guān)系 即 3600 2n n是碼道數(shù)也是二進(jìn)制碼的位數(shù) 單個光電編碼盤目前最多可做成20碼道 對應(yīng)的最小角度值為1 24 組合碼盤可達(dá)到22位 檢測精度較高 絕對式編碼器采用光碼盤的最大特點(diǎn)是非接觸式的 因此它的使用壽命長 可靠性高 其精度和分辨率取決于光碼盤的精度和分辨率 光電碼盤的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 光源壽命短 2 增量式編碼器又稱脈沖式編碼器增量式光電編碼器是指隨軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖 然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行加減計數(shù) 以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移 108 角度 脈沖旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器 輸出信號類型 有A相 B相 Z相三條光柵 A相 B相兩者相差900 利用B相的上升沿觸發(fā)器檢測A相狀態(tài) 以此判斷旋轉(zhuǎn)方向 Z相是原點(diǎn)信號 這時以A B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差900 近似正弦波 經(jīng)邏輯電路處理后用來判斷轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向 利用增量式編碼器還可以測量軸的轉(zhuǎn)速 方法有兩種 分別是應(yīng)用測量脈沖的頻率和周期的原理