机电一体化(三)-传感器与检测-11.10

参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司） 光电编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
1、增量式脉冲编码器结构及工作原理 转轴 LED 光栅板及辨向用的A、 狭缝 光栅板及辨向用的 、B狭缝
A A B C C B
光敏元件
盘码及 狭缝 零位标志
光电码盘随被测轴一 起转动，在光源的照射下， 透过光电码盘和光珊板形 成忽明忽暗的光信号 忽明忽暗的光信号，光 A 忽明忽暗的光信号 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。输出的波形有六路： 输出的波形有六路： 输出的波形有六路
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射 式光栅两大类，均由光源、光栅副、 式光栅两大类，均由光源、光栅副、光 敏元件三大部分组成。 敏元件三大部分组成。计量光栅按形状 又可分为长光栅和圆光栅。 又可分为长光栅和圆光栅。
光栅的构造： 光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
光栅在机床上的安装位置（ 光栅在机床上的安装位置（3 个自由度） 个自由度）
数显表
3.5.5 光栅位置检测装置的特点
● ● ● ● ● ● 测量精度高 可用于大量程测量 可实现动态测量 易于实现测量及数据处理自动化 抗干扰能力强 怕振动、 怕振动、油污 高精度光栅制造成本高
3.2.2 光电编码器（脉冲编码器） 光电编码器（脉冲编码器）
4) 按用途分类 按照传感器的用途来分类，可分为： 按照传感器的用途来分类，可分为： 位移传感器：光电编码器、光栅、陀螺仪、倾角传 位移传感器：光电编码器、光栅、陀螺仪、 感器、 感器、旋转变压器 速度传感器：雷达测速、直流测速发电机 速度传感器：雷达测速、 加速度传感器： 加速度传感器：加速度计 压力传感器：应变片 压力传感器： 振动传感器：压电陶瓷 振动传感器： 温度传感器：热敏电阻（半导体材料） 温度传感器：热敏电阻（半导体材料） 嗅觉传感器：气敏电阻 （半导体材料） 半导体材料） 嗅觉传感器： 视觉传感器：通过CCD将光学影像转化为数字信号 CCD将光学影像转化为数字信号 视觉传感器：通过CCD
传感器在机器人中的应用
根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。 根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。 内部传感器 a.内部传感器 a.内部传感器 用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。 用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多 为检测位置和角度的传感器。 检测位置和角度的传感器。 的传感器 b.外部传感器 b.外部传感器 用来检测机器人所处环境（如是什么物体， 用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有 多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。 多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。 具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、 具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、 距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。 距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。
透射式圆光栅
固定
光栅的外形及结构（ 光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头 光栅尺
标尺光栅（长光栅） 标尺光栅（长光栅） 指示光栅（短光栅） 指示光栅（短光栅）
莫尔条纹的光学放大作用 莫尔条纹的光学放大作用
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠 在透射式直线光栅中， 合在一起，中间留有很小的间隙， 合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹 角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两 。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带； 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
3.2 位移检测传感器
位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称， 位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不 仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量，而 且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测 量都是以位移测量位移为基础的。 直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变压 器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅,磁栅传 器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅, 感器。 角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器 光电编码盘等。 和光电编码盘等。
L≈W/θ ， ≈ 为主光栅和 （θ为主光栅和 指示光栅刻线的 夹角，弧度） 夹角，弧度）
光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度L 光栅的刻线宽度
通过光电元件， 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， 的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图 所示。 所示。
亮度 电压
光栅位移 光栅的实际亮度变化
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角） 分辨率（分辨角）α 设增量式码盘的规格为 n 线/转：
360 α = n
o
增量式编码器的特点
编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉 冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度， 冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度， 因此编码器输出的位置数据是相对的,因此旋转角度的 因此编码器输出的位置数据是相对的 因此旋转角度的 起始位可以任意设定
提高光栅分辨精度的措施
1）提高刻线精度和增加刻线密度 ） 2）倍频 ） 光栅刻线密度为50线 常用 四倍频方案 光栅刻线密度为 线／mm， ， 采用4个光电元件和 个隙缝，每隔1／ 光栅节距产 个光电元件和4个隙缝 采用 个光电元件和 个隙缝，每隔 ／4光栅节距产 生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。 生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。 有限
3.2.1 光栅传感器
光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测 光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史， 几十年的历史 长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等 量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。其分辨率高达 纳米级, 测量速度高达480m/min,测量行程高达 测量行程高达100m. 它是数 纳米级 测量速度高达 测量行程高达 控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。 闭环系统用得较多的一种检测装置 控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。
电感式位移传感器
压电式加速度传感器
光纤式位移传感器
激光位移传感器
超声波位移传感器传感器
二、传感器的特性
1、静态响应特性
当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。 包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。
非线性度
迟滞
灵敏度
2、 动态特性 动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用 系统的传递函数、频率响应来描述。
增量式编码器的缺点
由于采用相对编码，因此 若因停电 刀具破损而停机， 若因停电、 由于采用相对编码，因此,若因停电、刀具破损而停机， 事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置,掉电后旋 事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置 掉电后旋 转角度数据会丢失需要重新复位 有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干扰） 有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干扰）
O
光栅位移 光栅的输出波形图
3.5.3 辨向
如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中， 如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中， 无论光栅作正向移动还是反向移动， 无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同 的正弦信号，无法分辨位移的方向。 的正弦信号，无法分辨位移的方向。 安装两个彼此错开 节距的光电元件，当光栅移动时， 错开1/4节距 安装两个彼此错开 节距的光电元件，当光栅移动时， 莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同 时间不同． 莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同．所以两个光电元件所 获得的电信号虽然波形相同， 相相差90° 获得的电信号虽然波形相同，但相相差 °。若以其一 为参考信号，则另一信号超前或滞后参考信号， 为参考信号，则另一信号超前或滞后参考信号，由此可判 定运动方向。 定运动方向。
第三章 传感器检测及其接口电路
3.1 概述 3.2 位移测量传感器 3.3 传感器检测技术
3.1 概述
传感器在数控机床中的应用
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。 。
Leabharlann Baidu
作用: 位移和速度 作用 检测位移 速度 位移 速度，并发出反馈信号和数控 装置发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控制。
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。 。 作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数 作用 控装置发出的指令信号相比较，构成闭环、半闭环 半闭环 控制。 控制。
B
90°
B Z A 、 B、、 Z、 A
Z
……
后续电路可利用A、 A 两相实 现差分输入，以消除远距离 传输的共模干扰。
码盘转一圈
增量式码盘的规格及分辨率
增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的 增量式 脉冲数, 即脉冲数/转（PPR） ； 现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到 10
万线 /转 都有；
光栅输出信号（电压正弦波） 光栅输出信号（电压正弦波）
余弦信号 细分点 正弦信号
零位信号
将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉 将此电压信号放大、整形变换为方波， 冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数， 冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形 式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。 式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨 率等于栅距。 率等于栅距。
反射式光栅
金属反射光栅 金属反射光栅 钢尺、钢 带 照相腐蚀、 钻石刀刻划 热膨胀系 数与机床一致， 安装调整方便， 易接长，不易碎
透射式光栅
玻璃透射光栅 玻璃透射光栅 光源可垂直入 射，信号幅度大， 读数头结构简单; 刻线密度大100 条/mm, 细分后， 分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系 数与机床不一致， 影响测量精度.
1）时域指标
•调整时间 •峰值时间 •最大超调量 •振荡次数 •延迟时间 •上升时间
2）频域指标 可以用幅频特性和相频特性描述
两种典型的输入响应：
二阶系统的脉冲输入和响应
二阶系统的阶跃输入和响应
3.1.2 传感器的分类
1)、 按被测物理量的性质分; 位移传感器、温度传 感器、压力传感器等等； 2)、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、 光电式； 3)、按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二 值型) 、数字型和模拟型.
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。
光电编码器的特点
– ▢非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精 度保证性好； – ▢允许测量转速高，精度较高；光电转换，抗 干扰能力强； – ▢体积小，便于安装，适合于机床运行环境； – 结构复杂，价格高，光源寿命短； – ▢码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。
一、机械量传感器分类
传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系 的电量输出的器件或装置。
按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传 感、力传感器、温度传感器等。
压力传感器 温度传感器 角位移传感器
位移传感器 扭矩传感器
按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。
机器人的感觉
多 传 感 器 在 移 动 机 器 人 中 的 应 用
外 界 环 境 红外接近觉
视觉１ 视觉１
视觉２ 视觉２
超声波传感器
力觉
触觉
立体视觉
地标识别
障碍探测
目标物探测 感觉 功能
景物识别
融合
内部传 感器 避障
操作规划 环境模型 定位
学习
路径规划
任务规划： 任务规划：执 行机构控制
指令
3.1.1 传感器的分类及特性
3.1.2 传感器的分类
有接点型(微动开关，接触开关，行程开关) 有接点型(微动开关，接触开关，行程开关) 二值型 无接点型(光电开关，接近开关) 无接点型(光电开关，接近开关) 电阻型（电位器，电阻应变片） 电阻型（电位器，电阻应变片） 电压，电流型（热电偶,光电电池,压电元件） 电压，电流型（热电偶,光电电池,压电元件） 模拟型 传感器 电感，电容型（可变电容） 电感，电容型（可变电容） 计数型（二值型+计数型） 计数型（二值型+计数型） 数字型 代码型（光电编码器，磁尺） 代码型（光电编码器，磁尺）