第五章1传感器技术及机械量检测2学时-文档资料

增量式光电编码器
增量式光电编码器
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绝对式光电编码器
绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组 成，这些透明及不透明区按一定编码构成，一个 转角对应一个固定的编码。绝对式编码器能够直 接给出对应于每个转角位置的二进制数码，便于 计算机处理。
优点：无累计误差，抗干扰能力强 缺点：制作复杂，成本高。
适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量
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感应式接近传感器
探头结构分类：有屏蔽的、无屏蔽的两种。后者测 量距离较前者为大。
结构：振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路 组成。
工作原理：振荡器在探头端部产生磁场作用区，当 金属进入该作用区时，引起振荡器停振。
应用：属于二值型输出传感器，在自动化控制系统 中用于物体（金属）运动位置的检测。
52常见机械位移传感器光栅位移传感器光栅位移传感器光栅尺编码器激光位移传感器光栅尺编码器激光位移传感器5353传感器信号处理与系统抗干扰技术传感器信号处理与系统抗干扰技术软件数字滤波与硬件抗干扰技术软件数字滤波与硬件抗干扰技术传感器transducer或sensor是将各种非电量包括物理量化学量生物量等按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量一般为电量的装置
表征传感器输入－输出
校准曲线与拟合直线之
Y
间的吻合程度的指标。 Ymax
校准曲线与拟合直线间 最大偏差与满量程输出 max 值的百分比称为线性度。

(X0,Y0)
L
max 100 % YF S
O
校准曲线 拟合直线 YFS
Xmax X
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（2）灵敏度
传感器(Transducer或sensor)是将各种非电量(包括 物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于 处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。
传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之 一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器 的依赖性也就越大。
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计数型：二值型+计数器 代码型：编码器、光栅尺等
常见的机械位移传感器
常见 的机 械位 移传 感器
按测量 范围分
按测量 形式分
小位移(量程小于1毫米）: 电感、电容、光电
大位移（量程大于10毫米）： 光栅、、磁栅、球栅、感应同步器、激光等
接触式：电感式、电阻式、磁栅 适合：较低频率测量
非接触式：电容式、激光等 适合：较高频率测量
应用：属于二值型输出传感器，在自动化控制系统 中用于物体（金属或非金属）运动位置的检测。
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六、 电磁式接近传感器
适用：非接触式导磁材料测量 结构：内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧
继电器。 原理：导磁材料外界物体 → 靠近电磁式接
近开关诱导面 → 磁场失去平衡 → 干簧继 电器的触点闭合 应用：和电感式相同。
静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于 稳定状态时的输入-输出关系。主要包括： 线性度、灵敏度、精确度、分辨率、重复性等。
2、动态特性：
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 通过时域、频域以及试验分析的方法确定。
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（1）线性度：
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位置的测量是以球的直径为周期，连续测量时累加进行。 在一周期内输出信号电压值与位置的函数关系决定于各不同位置 的金属量，即球在不同位置的截面的大小。
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3、球栅尺的特点
（1）较高的精度:球栅尺的精度主要决定于钢球 的精度，即钢球的直径和圆度，由于球径可以精 选且能相互补偿，因此球栅尺可以达到较高精度
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五、 电容式接近传感器
适用：非接触、空间有限。如各种管道内流体的测 量、料位测量及对金属物品测量。
电容式接近传感器的电路结构及工作原理
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电容式接近传感器
结构：由振荡器、斯密特电路及输出电路组成，电 容器的一个电极是传感电极，另一个电极是大地。
原理：加电后，两极间产生电场，当与大地连接的 金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。
传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件 和测量电路三部分组成。
被测量 敏感元件 输入量
转换元件
测量电路 电量
信号调节转换电路 输出量
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电源
二、常见传感器分类
有接点：微动动开关、接触开关、行程开关
二值型
按照 传感 器输 出信 模拟型 号形 式分
数字型
无接点型：光电开关、接近开关（电感、电磁、电容） 电阻型： 电位器、电阻应变片、热电阻 电压、电流型： 如热电偶、感应同步器、磁栅等 电感、电容型： 如电感位移、电容位移传感器等
钢球经高精度加工，研磨，再将装满钢球的球栅尺 在预载的条件下矫正封装 。
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读数头：包括6组线圈，围绕在一通管上，每 组线圈均包括输入（传送）和输出（读取） 绕组(如图所示)，线圈及相关的电子电路全 部用环氧树脂密封，以隔绝冷却液，机液， 和其他物质的损害。

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(a)4位二进制绝对式编码器的编码盘 (b) 4位格雷码盘示意图 绝对式光电编码器的编码盘
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绝对式光电编码器的结构示意
1—光源；2—透镜；3—编码盘； 4—狭缝；5—光电元件
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光电编码器的应用——转速测量
转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。
过多，常用线纹数为4、10、25、40、50、100。
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一、光栅尺
指示光栅
光电池
驱动 线路
光源
透镜
光栅尺
光栅检测装置基本结构示意图
光栅检测装置的结构
标尺光栅
指示光栅 光源
A 差动放大
信
B
号
A1
处
B1 差动放大
理
光电元件
正向脉冲 反向脉冲
光栅结构组成原理图
光栅尺的外形图
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灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 线性传感器的灵敏度就是拟合曲线的斜率，为一常数，
即：
K y / x
（3）分辨率
一个最小输出单位（如一个数字量/脉冲）所对应的 输入量。反映了传感器能够分辨出的最小输入变化。
（4）精确度（精度）
所测值与真值的符合程度，它说明测量结果偏离真值 大小的程度。
（2）量程可以足够大:钢球的直径即为球栅尺的 测量周期，只要增加钢球的数量就可以增大量程， 只要装钢球的不锈钢管足够长。
（3）分辨率较高，新和球栅尺分辨率可以达到 0.1微米。
（4）适合恶劣的环境:由于球尺全部密封，可以 工作在粉尘、油雾较大的场合。
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四、 感应式接近传感器
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编码器的外形图
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光电编码器的工作原理
光电码盘随被测轴 一起转动，在光源 的照射下，透过光 电码盘和光拦板形 成忽明忽暗的光信 号，光敏元件把此 光信号转换成电信 号，通过信号处理 装置的整形、放大 等处理后输出
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第5章 传感器技术与机械量检测
5.1 传感器概述
传感器的组成和分类、传感器的性能指标与选用。
5.2 常见机械位移传感器
光栅位移传感器（光栅尺、编码器、激光位移传感器）
5.3 传感器信号处理与系统抗干扰技术
软件（数字滤波）与硬件抗干扰技术
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第一节 传感器概述
一、传感器及其组成
光电编码器的结构
光电脉冲编码器的结构
光电编码器输出信号
输出信号的作用及其处理
• A、B 两相的作用:
细分处理、角位移、转速、 转向
• Z 相的作用
周向定位基准、圈数
常用的脉冲编码器每转输出 的脉冲数有： 2000 p/r，2500 p/r，3000 p/r，高分辨率的脉冲编码 器 20000 p/r，25000 p/r， 30000 p/r。
量精度。
透射光栅尺的长度一般都在1～2m，常见的线纹密度为每毫米4、 10、25、50、100、200、250线。
反射光栅
优点：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成
长达数米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测 量场所。
缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜
(
yi _y)2 n 1
_ yi为测量值 n为测量次数 y为测量值的算术平均值
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思考题： 如何正确认识传感器的线性度与灵敏度，分 辨率与精确度，重复性与精确度之间的关系？
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第二节 常见机械位移传感器
主要介绍光栅位移传感器和激光位移传感器
光栅分类
按检测位移性质
2、球栅尺的工作原理
空气的导磁率约为1，如果在输入、输出线圈 间放入导磁金属，在输出线圈中得到的感应 电压就增加了，且导磁金属越多，输出电压 越大。
在不导磁的钢管内依次放入多个钢球，在钢 管外配置输入线圈和输出线圈，当给输入线 圈通以输入激磁电流信号时，测量输出线圈 中的电压值，便可知道读数头（由输入线圈 和输出线圈组成）所在的位置。
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位置检测元件在坐标镗床上的安装示意图
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二、光 电 编 码 器
编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数 字信号，进行角位移检测的传感器。
编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁 式、电刷式、电磁感应式及光电式等。
光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为 增量式编码器和绝对式编码器。
体、移动部件相联接；保证二者在测量行程内平行度 一般小于0.05mm—0.1mm
1-指示光栅 2-主光栅 3-光电元件 4-线路板 5-底座 6-小车 7-拨叉
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光栅尺的正确使用与维护
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光栅尺的正确维护 (1)保证读数头与尺体的间隙不被破坏; (2)尽量避免尺体受到振动与冲击; (3)防止切削液、粉尘等进入尺体内；清洗时 要用酒精，切勿用汽油擦洗； (4)确保外引出线及接插头可靠.
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（5）重复性
重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向 在全测量ห้องสมุดไป่ตู้围内连续变动多次所得特性曲线的不一 致性，反映传感器的稳定性。
在数值上用各测量值正、反行程标准偏差最大值的 两倍或三倍与满量程的百分比表示，即：
k


2 ~ 3
YF S
100 %

n i1
三、机电一体化系统对检测传感器的基本要求 精度、灵敏度和分辨率高；
线性、稳定性和重复性好；
抗干扰能力强，静、动态特性好。
体积小、质量轻、价格低，安装、维护方便 等
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四、传感器性能指标
传感器的性能是指输入、输出间的特性，包括静态 特性和动态特性。
1、静态特性：
数字输出 N1
编码器 脉冲
门 t
数字器
时钟
控制逻辑
脉冲频率法测转速
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2MHz
N2
门 时钟脉冲
编码器脉冲
控制电路
×
脉冲间隔
脉冲周期法测转速
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数字输出 计数器
复位
编码器的安装调整 要求：保证被测轴与编码器的回转轴同轴度 联接方式：柔性（浮动联轴器）
长光栅：线位移
按照制造 光栅材料 圆光栅：角位移
玻璃光栅 金属光栅
按光源照射方法
透射光栅
反射光栅
透射光栅
优点：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转
换器（光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多， 减轻了电子线路的负担 。
缺点：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测
的移动方向
光栅信号处理
光栅尺输出的信号有两种：一种是正弦波信号；一 种是方波信号。
光栅尺除了增量式测量外，还有绝对式测量，输出 二进制BCD码或格雷码
光栅信号的辨向电路：利用两路在相位上相差90度 的方波信号实现。（思考：辨向电路如何设计？）
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光栅尺的安装调整 要求：尺体的安装基面、读数头的安装基面分别和机
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编码器的正确维护 (1)保证被测轴与编码器回转轴的位置精度不 被破坏（特别注意联轴节不要松动）; (2)避免输出轴受到冲击（特别是轴向）; (3)确保外引出线及接插头可靠.
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三、 球栅尺位移传感器
1、球栅传感器的基本结构 球栅尺：由一根不锈钢管和装入钢管的钢球组成，
光栅工作原理（莫尔条纹形成原理）
莫尔条纹节距 B 与光栅节 距 W和倾角θ之间的关系：
B w/2
sin( / 2)
由于θ很小，因此：
B w/2 w/2 w
sin( / 2) / 2
光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹沿刻线上下移动一个节距 B
莫尔条纹的特点
• 放大作用，使栅距的节距误差平均化； • 莫尔条纹的移动与栅距成正比； • 根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅