一、作用及其组成
§ 6.1 检测技术概述
第六章 检测系统技术
是机电一体化系统的一个重要组成部分,将机电一体化系统自身的、作
业对象的、作业环境的工作状态参数进行检测,并将检测到的状态参数
从物理变化量变为电信号,提供给信息处理及控制系统,以有效的控制
机电一体化系统执行机构的动作。
机电一体化一体化系统检测系统实质,
非电量 电量 显示
检测系统组成原理如下图,
§ 6.1 检测技术概述
传感器的作用,用于检测各种物理量(如位移、速度、角度、力、力矩
压力、温度等),并转化为电量信号(如电压、电流、电容、电感)输
出;
信号处理电路的作用,将传感器输出的电量变成具有一定功率的电压、
电流或频率信号,以推动后级的显示电路、数据处理电路等;
数据处理装置,用来对测量结果处理、计算、分析,数据处理信号通常
送到执行机构或显示器中去,以控制被控对象及显示处理的各种数据。
非电量 传感器 信号处
理电路
显示器
数据处
理装置
执行
机构
电量 U0(I0,f)
二、检测系统的传感器
§ 6.1 检测技术概述
? 传感器的功能及分类
传感器( sensor)也叫变换器 (transducer)、换能器、探测器,其输出
的信号有不同的形式,电压、电流、频率、脉冲 等,以满足信息的传输
、处理、记录、显示、控制等要求。
两个功能,敏感作用(被测对象 信号拾取)
变换作用(被测非电量 电量输出)
分类








§ 6.1 检测技术概述
? 传感器的功能及分类
? 按工作原理不同分
物理型传感器:利用一些材料物理特性变化(如集成传感器),有潜力
结构型传感器:利用弹性片、金属片、电容电感等结构元件(如一
般的电阻、电容、电感传感器)
? 传感器的选用
传感器千差万别,测量同一种测定量,可以采用不同工作原理的传感器,
注意以下几个方面,
? 测量条件
? 传感器的性能
测量的目的;测定量的选定;测量的范围;输入信号的带宽;要求的精
度;测量所需时间等
§ 6.1 检测技术概述
? 传感器的使用条件
精度;响应速度;稳定性;模拟还是数字信号;输出量及电平;被测对
象特征的影响;校准周期;过载输入保护等
放置的场所;环境(温度、湿度、振动);测量的时间(寿命周期);
传输距离;与设备连接方式;供电电源;价格
三、模拟式和数字式传感器检测系统
? 模拟式检测系统
电阻、电容、电感、压电、磁电、热电式等传感器输出模拟信号,其检
测系统如图示,
§ 6.1 检测技术概述
? 数字式检测系统
光栅、磁栅、光电编码器、激光干涉仪等传感器输出 增量码信号,信号
变化的周期与被测位移成正比的信号,其检测系统如图示,
传感器 量程变换 放大器 解调器 滤波器
运算电路 A/D 计算机 显示、执行机构
振荡器用于对传感器信号, 调制,,以提高输出信号的抗干扰能力;
并对, 解调, 提供参考信号,,解调, 是使信号恢复原有形式。
有的传感器可不进行调制与解调,直接阻抗匹配、放大、滤波等。
振荡器
§ 6.1 检测技术概述
























显示
执行
机构
辨向电路
传感器输出多为正弦波信号,经放大、整形后变成数字脉冲信号,
进入计数器、计算机,为提高分辨率,采取细分电路;
辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数;
脉冲信号所对应的被测来年感不便于读出和处理时,需进行脉冲当
量变换电路。
三、模拟式和数字式检测系统比较
§ 6.1 检测技术概述
模拟式系统:精度低、易受干扰影响、不便于长距离传输、有 A/D转换,
成本高
数字式系统:分辨率高、抗干扰强、易于长距离传输、易于计算机控制,
应用广泛)
§ 6.2 位移和速度检测装置
在机电一体化系统中位移和速度检测装置使用非常广泛,下面主要
介绍这两类检测传感器
一,光电编码器
光电脉冲编码器的结构
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 a,b,z,通
过信号处理装置的整
形、放大等处理后输
出如图所示的 6项 A、
B,Z 和取反信号。
? 工作原理
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。
? 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
?,, Z 的作用
利用 A, 等差分输入消除远
距离传输的共模干扰
A
A B
§ 6.2 位移和速度检测装置
§ 6.2 位移和速度检测装置
光栅检测装置基本结构示意图
1— 光源,2— 透镜,3— 指示光栅,
4— 光电元件,5— 驱动电路,6— 标
尺光栅
二,光栅
光栅检测装置的结构
§ 6.2 位移和速度检测装置
? 光栅分类
按检测位移性质
长光栅
圆光栅
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,每毫米内线纹不宜过多,常用线纹数为
4,10,25,40,50。
按制造光栅材料
玻璃光栅
金属光栅
§ 6.2 位移和速度检测装置
莫尔条纹节距 W 与光栅节距 ω和倾角 θ 之间的关系,
2sin/
???W
?
??W由于 θ 很小,因此
光栅横向移动一个节距 ω,莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距 W,
用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。
光栅尺横向莫尔条纹及其参数
? 光栅原理 ( 莫尔条纹)
§ 6.2 位移和速度检测装置
? 放大作用; ?
使栅距的节距误差平均化; ?
根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向
莫尔条纹的特点,
细莫尔条纹干涉原理
是由光线通过线纹衍射后产生的
干涉结果,平面的光波照射到
扫描 板上,通过衍射分成 1,0,
-1光波,它们在相位栅标尺上被
衍射,光强的大部分反射在 1,
和 -1衍射级次中。这些光波在扫
描掩膜光栅上再次相遇,重新衍
射和干涉,此时,主要生成 2个
序列波,它们以不同的角度离开
扫描掩膜。光电元件将这些光强
转变成电信号。
§ 6.2 位移和速度检测装置
1— 转子轴,2— 外壳,3— 分解器定子,4— 分解器定子绕组,
5— 变压器一次线圈,6— 变压器转子,7— 分解器转子绕组,
8— 分解器转子,9— 变压器二次线圈,10— 定子线轴
三,旋 转变压器
旋转变压器结构示意图
§ 6.2 位移和速度检测装置
? 旋转变压器原理
?
分解器绕组的结构保证了定子与转子之间的气隙磁通呈正、余弦规
律分布。 防止气隙磁通畸变加上相互垂直的绕组,因此,当转子旋
转时,转子绕组内产生感应电势随转子偏转角 θ 机 呈正弦规律变化。
即,或
其中,Us, Uc 为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压,k为变压比。
机?c o sckUU ??机?sinskUU ??
§ 6.2 位移和速度检测装置
?旋转变压器的应用 ?
鉴相方式
在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率相同的
正弦、余弦激磁电压,
转子旋转后,两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得
总感应电压为,
因此,只要检测出转子输出电压的相位角,就知道了转子的转角 θ机 。
)机机机 ???? ???? tkUkUkUU mcs c o s (c o ss i n
tUU ms ?sin? tUU mc ?co s?
? 鉴幅方式
给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同的激磁电
压,
则在转子绕组上得到感应电压为
不断修改激磁调幅电压幅值的电气角 θ电, 使之跟踪 θ机 的变化, 并测量
感应电压幅值即可求得机械角位移 θ机 。
tUU ms ?? s ins in 电? tUU mc ?? s inco s 电?
tkUkUkUU mcs ????? s i nc o s (c o ss i n )机电机机 ????
§ 6.2 位移和速度检测装置
1.激光的特点
? 高 单 色性 激光的谱线宽度很窄,比普通光源提高了几万倍,
是最好的单色 光 源。
? 高平行度 激光是向特定方向发射的,它的发散角很小,已达
到几分,甚至可小到 1秒 。
? 高亮度 激光的光能高度集中,亮度特别高, 一台红宝石激
光束的亮度比太阳表面亮度亮 200 亿倍 。
? 高相干性 相干性是相干光波在叠加区产生稳定的干涉条纹
所表现的性质, 可用时间相干性和空间 相干 性来描述 。 时 间 相
干性是指光源在不同时刻发出的光束的相干性, 激光的相干长
度可达几十公里,比普通光源提高了几十万 倍 。空间相干性是
指同一时间内由光源不同部位发出的光波的相干性,激光在任何
传播方向上都具有良好的空间相干性 。
四、激光测量系统
§ 6.2 位移和速度检测装置
2.激光干涉仪原理
( 1)迈克尔逊干涉仪结构
迈克尔逊干涉仪
由四个光学元件(两块平板玻璃 P1 P2和两块平面反射镜 M1 M2)和一个
精密的移动机构组成。
M1
v
§ 6.2 位移和速度检测装置
( 2)迈克尔逊干涉仪的测量原理
由光源 S来的光,被半反射膜分成二束走向不同的光。根据平面镜
成像的性质,光线 S2 在 M M2之间的光路可以用它在 M中的虚像 M2’ 来代
替。这样,M2’位于参考镜 M1的附近。 M1和 M2’构成一, 虚平板,,中间为
空气介质,虚平板的厚度为 h,在观察系统中看到的干涉图样就是由虚
平板所产生的干涉现象。两相干光束之间的光程差为 2h,当 2h=Kλ,即
h=1/2λ 时,观察屏 P上的光的强度最大,呈亮条纹。当 h=( 2K+1) λ /4
时,观察屏 P上的光强度为零,出现暗条纹。
在迈克尔逊干涉仪中,M2是固定的,而 M1则是由精密丝杠带动可以
平移。改变 M1和 M2’之间的距离 h,也即改变 S1和 S2的光程差。当光程差发
生变化时,观察屏上的干涉条纹将明暗交替变化。 M1每平移 λ /2距离,
干涉条纹则移动一个条纹间隔,明亮变化一次。因此,只要对条纹计数,
便可以测得 M1的距离。
§ 6.2 位移和速度检测装置
( 3)迈克尔逊干涉仪的改进
图示迈克尔逊干涉仪使用的光源是白光, 而激光干涉仪采用激光
作光源 。 这样, 干涉一般不需要补偿板 P2,另外, 采用光电元件
计数, 光电元件将光强的变化转换为电压的变化 。 设动镜 M1的起
始位置出现暗条纹, M1位移 X后, 光强既非最强, 亦非最弱, 则表
明 X既不是 λ /2的整数倍, 也不是 λ /4的整数倍 。 经光电元件转换
出的电压 UX可写为,
UX=UMsin[2πX/(λ /2)]
此式描述一正弦波,将此正弦波整形为方波,送入计数器即可读
出条纹的明亮变化次数 k。
§ 6.2 位移和速度检测装置
3,双频激光干涉仪
双频激光干涉仪
是同一激光器发
出的光分成频率
不同的两束光产
生干涉。 得到的
是按频率变化的
交流调频信号,
信噪比高,可实
现高分辨率测量。
单频激光仪 得到
的是直流调幅信
号,有直流漂移
的干扰问题。因
此双频激光测量
受环境干扰 (气
压、温度、湿度 )
影响要比单频激
光测量时小得多,
测量精度高。
双频激光干涉仪的工作原理
§ 6.2 位移和速度检测装置
?工作原理
有负载时输出电压,
nkn
R
R
C
U
z
a
e ?
?
?
?
1
0
n— 测速发电机转速,
Ce— 与电机极对数和电枢绕组有关的系数,
?0— 电枢磁通,
Ra— 电枢回路总电阻,
Rz— 测速发电机负载电阻。
五、测速发电机
1、直流测速发电机
§ 6.2 位移和速度检测装置
直流测速发电机的输出特性
尽管对于不同负
载电阻,测速发
电机的输出特性
不同。
在理想状态下,
直流发电机的输
出电压与转速呈
线性关系。
? 输出特性
§ 6.2 位移和速度检测装置
2、交流异步测速发电机
工作原理,
在 N1绕组上施加稳定的交流电
压,测量另一与之垂直绕组上的
感应电压 U2
交流异步测速发电机原理
输出电压,nCU 12 ?
C1为比例常数
绕组产生磁场 ->转子导体
在磁场中运动运动产生电
流 ?转子电流产生磁场 ->
磁场产生感应电流
§ 6.2 位移和速度检测装置
主要误差
a) 线性误差
b) 相位误差
c) 剩余电压
转子杯电流对定子
的作用
异步测速发电机相
量图
§ 6.2 位移和速度检测装置
可绕 Z轴,X轴 η 轴转动,利用位移传感器测量惯性平台
与定轴的角度,得出平台本身的各种倾角,来控制平台
的姿态。
六、陀螺仪测角
三自由度陀螺仪