2.3.3 机电一体化中常用的传感器

空心杯电枢式、圆盘电枢式。
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结构
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• 工作原理
恒定磁通由定子产生，当转子在该恒定磁通 产生的磁场中旋转时，其电枢绕组中即产生 交变的感应电动势；
经换向器和电刷转换成与转速成正比的直流 电动势。
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测速发电机的输出电压U0与转速n关系：
U0 kLn
当 负 载 电 阻 RL→∞ 时 ， 输 出 电 压 U0 与 转 速 n 严 格成正比；
U
3

k
U1
sin 1k cos
在一定转角范围内，其输出电压和转子转角θ成线性关系； 选定变压比k及允许的非线性度，则可推算出满足线性关系的转角范围。
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光电式速度传感器
• 光电式速度传感器将速度的变化转变成光通量的变化，再通 过光电转换元件将光通量的变化转变成电量的变化。
• 工作原理：物体以速度经过光电池遮挡板时，光电池输出
要实现辨向则至少需要两个光电元件（相距B/4），经辨向 和可逆计数器计数后则可计算位移量。
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• 细分：可提高测量分辨率，常用四倍频细分
在依次相距B/4的位置上安放四个光电元件，从每个光电元 件获得相位依次相差90的四个正弦信号；
用鉴零器分别取四个信号的零电平，即在每个信号由负到 正过零时发出一个计数脉冲；
当光栅相对移动1个栅距的位移时，便可得到4个计数脉冲。
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光电编码器
• 光电编码器是一种用于角度检测的数字式传感器，它利用光 电转换原理将输入轴的角度转换成相应的电脉冲或数字量。
• 光电编码器的分类：按其刻度方法及信号输出形式，可分为： 增量式：不能直接给出每个转角的数字信息； 绝对式：能够直接给出每个转角的数字信息。
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• 量测方式（正余弦旋转变压器：鉴相式）
当在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U1、U2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为激磁电压U1和U2产生的感应电势之和，即：
U1 Umsint
U 2 Um cost
U 3 kU1sin kU2 sin(90o ) kUm cos(t )
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• 增量式光电编码器
输出为一系列脉冲； 由主码盘、光栅板（鉴向盘、定向盘）、光敏元件、光学系统组成。
A、B 两相的作用：角位移、转速、
转向、细分处理；
可通过测量脉冲的频率或周期来测 量轴的转速。
每转输出的脉冲数：
Z 相的作用：周向定位基准、圈数。
常用增量式编码器：2000、2500、3000 p/r；
• 柱式弹性元件
柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。这种弹性元件结构 简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆
牛顿）的拉（压）力传感器；
应变与力的关系为：
P
AE
P P
P
(a)
R4
R1
R3 R2 R1 R4
R2
R3
P
( b)
R1 A
B R1
R3
R3 D
R2 R2 C
R4 R4
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旋转变压器
• 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。
• 结构：旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电动 机相似，由定子（相当于变压器的初级）和转子 （相当于变压器的次级）组成。
D1D2：激磁绕组、正弦绕组
D3D4：辅助绕组、余弦绕组
Z1Z2：正弦输出绕组
Z3Z4：余弦输出绕组
循环码（格雷码）
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二进制码与循环码（格雷码）的对照表
十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7
二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
十进制数 8 9 10 11 12 13 14 15
m Z0(t)
应变片
Z1 (t)
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• 压电式加速度传感器
工作原理：当传感器受到冲击时，质量块产生惯性力， 压电元件（压电石英晶片）产生电荷，所产生的电荷与 加速度成正比；
特点： 灵敏度高、频带宽； 可以做得很小，重量很轻，对被测结果影响很小。
质量块
m
压电晶片
壳体 引出线
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应变式力传感器
• 差动变压器的原边线圈同时供以直流和交流电流，当被测体
带动铁芯以被测速度 = dx/dt 移动时，在其副边两个线圈
中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高
频角频率后，则可得到与速度相对应的电压输出，即：
i(t) I0 Imsint
Uυ 2kI0υ
k：磁芯单位位移 互感系数的增量。
(c)
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应变式力传感器
• 悬臂梁式弹性元件 结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高；主要
用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中；可测量0.01 N到几 千牛的拉、压力；
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位移传感器使用
赛车里的加速度传感器
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光栅
• 光栅是一种数字式位移检测元件，利用莫尔条 纹现象将直线位移或角位移转换成数字脉冲。
• 光栅的分类 根据用途：光栅尺（测直线位移）和光栅盘
（测角位移） 按光源照射法：透射光栅和反射光栅 按材料：玻璃光栅和金属光栅
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• 组成
由标尺光栅（主光栅） 1、指示光栅2、光电元件3 、光源4 组成，其中2、3、4装在读数头中。使用时，标尺光栅安装 在运动部件上，读数头安装在固定部件上。
标尺光栅移动位移：
x nW
n：莫尔条纹间距数
光栅副的间距：
d W 2 /λ
：光源的波长
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• 莫尔条纹的特点
① 运动对应关系：
移动大小：光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就 移动过一个条纹间距B ；
移动方向：标尺光栅沿栅线垂直方向左右移动， 莫尔条纹沿栅线方向上下移动。
标尺光栅旋转方向 顺时针 逆时针
n N / t 60 60N
Z
Zt
一 般 取 Z=60×10m （ m=0, 1, 2, ）;
利用缝隙间距W相同、位置相差 （i/2+1/4）W（i为正整数）的指 示缝隙和两个光电元件，则可辨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ别出圆盘的旋转方向。
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差动变压器式速度传感器
• 差动变压器式传感器除了可测量位移外，还可测量速度；
阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲 之间的时间间隔t，则可测得速度为：
υ x / t
光电池挡板
微分电路
V x
e0
t
e0
0
t
速度测量
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• 光电式转速传感器（光电式增量编码器）
组成：标尺缝隙圆盘、指示缝隙圆盘、光电器件、透镜、光源。
工作原理（脉冲频率法）：光电式转速传感器装在被测轴（或 与被测轴相连的输入轴）上，当标尺缝隙圆盘随被测轴转动时， 其每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数Z相等的电脉冲，根 据测量时间t内脉冲数N，可测得转速为：
标尺光栅和指示光栅的刻线密度相同，而刻线之间的距离 称为栅距W。光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、 200、250条等。
4
• 工作原理
将两块栅距W相等的光栅平行安装，当它们的刻痕之间有
较小的夹角 时，由于遮光效应，光栅上会出现若干条明
暗相间的条纹（莫尔条纹）； 莫尔条纹沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。
转时需特别处理，必须用减速齿轮将 两个以上的编码器连接起来，组成多 级检测装置，结构复杂、成本高。
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读数误差及其消除
由于制造和安装精度的影响，当码盘回转在两码段交替过程 中，二进制编码的码盘会产生读数误差（称为非单值性 误差）；
为了消除非单值性误差，可采用循环码（格雷码）盘来实现。
二进制码
转子输出电压的相位角和转子转角之间有严格的对应关系，只要检测 出转子输出电压的相位角，就可以求得转子转角，即可测得被测轴的
角位移； 实际使用时，将定子余弦绕组励磁电压U2的相位作为基准相位，与转子
绕组的输出电压的相位作比较，来确定转子转角的大小。
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• 测量方式（线性旋转变压器）
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。此时输出电压为：
高分辨率增量式编码器：20000、25000、30000 p/r。
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• 绝对式编码器
输出为表示被测轴角位移的数字量； 有光电式、电刷接触式、电磁式三种，光电式应用较多； 光电式由旋转码盘、光敏元件和光源组成，旋转码盘的圆
周上刻有同心二进制编码。
二进制码
特点:
可直接读出角度坐标的绝对值； 无累积误差； 电源切断后位置信息不会丢失； 允许的最高转速大； 位数较高时制造困难，且转数大于一
对于不同的负载电阻RL， 测速发电机有不同的斜 率，并随着负载电阻的 减小而减小；
对于精度要求比较高的 直流测速发电机，负载 电阻RL应尽量大。
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• 特点：
输出特性曲线斜率大、线性好，但由于有电刷和 换向器，摩擦转矩较大，构造和维护比较复杂。
• 用途：
主要用作测速元件、角加速度测量元件、校正元 件和解算元件；
二进制码 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
格雷码 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
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二进制码与循环码（格雷码）的转换
二进制码： 0 1 1 0
0 1 1 循环码： 0 1 0 1
循环码： 0 1 1 0 0 1 0 二进制码： 0 1 0 0
定子
转子
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伺服电机用旋转变压器
混合动力车用旋转变压器
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• 工作原理
当将一定频率的激磁电压加于定子绕组时，通过电 磁耦合，转子绕组产生感应电势（输出电压），该 输出电压与转子转角保持某种严格函数关系。
正余弦旋转变压器：输出电压与转子转角成正、余 弦函数关系，适用于大角位移的绝对测量；
线性旋转变压器：在一定转角范围内，输出电压与 转子转角成线形关系，适用于小角位移的相对测量。
若单个栅距的误差为、形成莫尔条纹的区域内有n条刻线，则栅距误差
可近似为 Δ δ/ n 。
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• 莫尔条纹的光强分布
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，其电压为：
U
U0
U ms in
2πx W
亮
暗
亮
暗
亮
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• 辨向
标尺光栅每移动一个栅距W，光电元件输出信号变化一个 周期，经放大、整形、微分后得到1个脉冲信号，若仅放置 一个光电元件，则只能确定位移大小；
x dx dt
i(t) 加法器
交流 电源
直流 电源
跟随器 跟随器
低
减
通
放
法
滤
大
器
波
器
U
器
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测速发电机
• 测速发电机是一种速度检测元件，实际上它 就是一台将机械转速转换为电压信号的微型 发电机。
• 测速发电机的分类 按定子磁极的励磁方式：电磁式和永磁式； 按电枢结构形式：无槽电枢式、有槽电枢式、
为了提高检测灵敏度，尽可能把测速发电机直接 连接到电动机轴上（有的电动机本身就安装了直 流测速发电机）。
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加速度传感器
• 加速度传感器有多种形式，它们的工作 原理大多是利用惯性质量受加速度所产 生惯性力而使敏感单元产生相应物理效 应或使敏感单元结构参数发生变化，并 将加速度进一步转化成电学量来间接度 量被测加速度的。
• 最常用的有应变片式、压电式和电容式。
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• 应变式加速度传感器
组成：它由质量块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成；
工作原理：当有加速度时，质量块受到惯性力后，悬臂梁弯 曲，根据固定在梁上的应变片的变形便可测出惯性力的大小， 在已知质量的情况下即可计算出被测运动体的加速度。
悬臂梁
充以阻尼液体的壳体
机电一体化中常用的传感器
• 位移检测传感器：光栅、光电编码器、旋 转变压器
• 速度检测传感器：光电式速度传感器、差 动变压器式速度传感器、测速发电机
• 加速度检测传感器：应变式加速度传感器、 压电式加速度传感器
• 力、力矩检测传感器：应变式力/压力传感 器、应变式/磁栅式力矩传感器、应变式力 /力矩复合式传感器
标尺光栅移动方向 向左 向右 向左 向右
莫尔条纹移动方向 向上 向下 向下 向上
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② 位移放大作用：
莫尔条纹的间距B与两光
栅条纹夹角之间关系：
B
W
2sin
W

2
放大倍数：
K B 1
W
③ 均化误差作用：
越小，放大倍数K（或 莫尔条纹间距B）越大。
莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成的，它反映了形成条纹的光栅刻线 的平均位置，对各栅距起了平均作用；