第5章 檢測元件

1、回首頁機電一體化機電一體化 傳感器是將機電一體化系統(tǒng)中被檢測對象的各種傳感器是將機電一體化系統(tǒng)中被檢測對象的各種的一種變換器。主要用于機電一體化系統(tǒng)自的一種變換器。主要用于機電一體化系統(tǒng)自身和被控對象狀態(tài)的檢測。身和被控對象狀態(tài)的檢測?；厥醉摍C電一體化機電一體化位移傳感器、速度傳感器、加速位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感、力傳感器、溫度傳感器等。度傳感、力傳感器、溫度傳感器等。回首頁機電一體化機電一體化 基基本本物物理理量量 派派生生物物理理量量 線線位位移移 長長度度、厚厚度度、應(yīng)應(yīng)變變、振振動動、磨磨損損、不不平平度度 位位移移 角角位位移移 旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角、偏偏振振角角、角角振振動動 線

2、線速速度度 速速度度、振振動動、流流量量、動動量量 速速度度 角角速速度度 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速、角角振振動動 線線加加速速度度 振振動動、沖沖擊擊、質(zhì)質(zhì)量量 加加速速度度 角角加加速速度度 角角振振動動、扭扭矩矩、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動慣慣量量 力力 壓壓力力 重重量量、應(yīng)應(yīng)力力、力力矩矩 時時間間 頻頻率率 周周期期、計計數(shù)數(shù)、統(tǒng)統(tǒng)計計分分布布 溫溫度度 熱熱容容量量、氣氣體體速速度度、渦渦流流 光光 光光通通量量與與密密度度、光光譜譜分分布布 回首頁機電一體化機電一體化當(dāng)當(dāng)以一定頻率的交流電壓激勵時，以一定頻率的交流電壓激勵時，隨轉(zhuǎn)子隨轉(zhuǎn)子變化變化回首頁機電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化的高精度檢測元

3、件，有直線式和圓盤式的高精度檢測元件，有直線式和圓盤式兩類，分別用作檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。兩類，分別用作檢測直線位移和轉(zhuǎn)角。由定尺和滑尺兩部分組成。由定尺和滑尺兩部分組成。定尺一般為定尺一般為250mm250mm，上面均勻分布節(jié)距為，上面均勻分布節(jié)距為2mm2mm的繞組；的繞組；滑尺長滑尺長100mm100mm，表面布有兩個繞組，即正弦繞組和余弦繞組，當(dāng)余弦，表面布有兩個繞組，即正弦繞組和余弦繞組，當(dāng)余弦繞組與定子繞組相位相同時，正弦繞組與定子繞組錯開繞組與定子繞組相位相同時，正弦繞組與定子繞組錯開1 14 4節(jié)距節(jié)距(W)(W)。 ，其，其，而且定子，而且定子繞組中的兩個繞組也錯開繞組中的兩個

4、繞組也錯開1 14 4節(jié)距。節(jié)距?；厥醉摍C電一體化機電一體化如果將滑尺的正弦和余弦如果將滑尺的正弦和余弦繞組分別供給幅值、頻率均相繞組分別供給幅值、頻率均相等，但相位相差等，但相位相差9090的勵磁電的勵磁電壓，即壓，即UAUmsint，UB=Umcost時，則定尺上的時，則定尺上的繞組由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生與繞組由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生與勵磁電壓同頻率的交變感應(yīng)電勵磁電壓同頻率的交變感應(yīng)電動勢。動勢?？梢钥闯?，滑尺在定尺上可以看出，滑尺在定尺上滑動滑動，。即。即回首頁機電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化1)1)位移位移相位變換相位變換 功能是把感功能是把感應(yīng)同步器的機械應(yīng)同步器的機械。

5、2) 2)相位相位脈沖變換脈沖變換 功能是把功能是把代表機械位移的代表機械位移的。 3)3)脈沖計數(shù)脈沖計數(shù) 功能是將功能是將起來，由可逆計數(shù)器完成。起來，由可逆計數(shù)器完成?；厥醉摍C電一體化機電一體化 回首頁機電一體化機電一體化 光電編碼器有兩種類型，一種是增量編碼器，一種是絕光電編碼器有兩種類型，一種是增量編碼器，一種是絕對編碼器。兩者相比，增量編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低，對編碼器。兩者相比，增量編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低，而且精度易于保證等優(yōu)點，所以目前采用最多。而且精度易于保證等優(yōu)點，所以目前采用最多。 是指坐標(biāo)中的坐標(biāo)值，有是指坐標(biāo)中的坐標(biāo)值，有( (或角度或角度) )，也可，也可以稱

6、為以稱為。指被測對象從任一位置到另一不同位置所指被測對象從任一位置到另一不同位置所( (即即) )。輸出絕對位置的編碼器為輸出絕對位置的編碼器為編碼器，編碼器，輸出位移量輸出位移量( (x) )的編碼器叫的編碼器叫編碼器。編碼器?；厥醉摍C電一體化機電一體化單路光電碼盤脈沖單路光電碼盤脈沖VO碼盤輸出一系列脈沖，由計數(shù)器對這些脈沖進行加減計數(shù)，碼盤輸出一系列脈沖，由計數(shù)器對這些脈沖進行加減計數(shù)，以此表示轉(zhuǎn)過的角位移。以此表示轉(zhuǎn)過的角位移?；厥醉摍C電一體化機電一體化光電編碼器的光電編碼器的與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有有關(guān)，能分辨的角度關(guān)，能分辨的角度為：為： =360=36

7、0/ /n 碼盤的透光槽數(shù)為碼盤的透光槽數(shù)為10241024個，則能分辨的最小角度個，則能分辨的最小角度=360=360/1024=0.352/1024=0.352?；厥醉摍C電一體化機電一體化VAVB雙路光電碼盤脈沖雙路光電碼盤脈沖回首頁機電一體化機電一體化在圓盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，與之相對應(yīng)的還有兩組檢在圓盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，與之相對應(yīng)的還有兩組檢測窄縫，其節(jié)距與圓盤的節(jié)距相同。測窄縫，其節(jié)距與圓盤的節(jié)距相同。兩組檢測窄縫兩組檢測窄縫。其目的是使。其目的是使A A，B B兩個光電轉(zhuǎn)換器的兩個光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號在輸出信號在測量時，兩組窄縫是靜止不動，圓盤與被測軸一起轉(zhuǎn)動，這

8、時在測量時，兩組窄縫是靜止不動，圓盤與被測軸一起轉(zhuǎn)動，這時在，經(jīng)邏輯電路處理后用，經(jīng)邏輯電路處理后用來來?；厥醉摍C電一體化機電一體化AB正向旋轉(zhuǎn) 反向旋轉(zhuǎn)VAVB回首頁機電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。圓盤劃分最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)的是最高位。圓盤劃分1616個扇個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個4 4位二進制數(shù)，如位二進制數(shù)，如00000000、00010001、11111111。 (a) 4位二進制絕對值編碼器的編碼盤位二進制絕對值編碼器的編碼盤 (b) 4位格雷碼盤示意圖位格雷碼盤示意圖 回首頁機電一體化機電一體化1.1.可以直

9、接讀出角度可以直接讀出角度坐標(biāo)的坐標(biāo)的絕對值絕對值；2. 2. 沒有累積誤差；沒有累積誤差；3. 3. 電源切除后位置信息不會電源切除后位置信息不會丟失。丟失。但分辨率是由二進制的位但分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有決于位數(shù)，目前有8 8位、位、1010位位等多種。等多種。 回首頁機電一體化機電一體化 回首頁機電一體化機電一體化 光柵是一種較新型的位移檢測元件，它的特點是測量精度光柵是一種較新型的位移檢測元件，它的特點是測量精度高高( (可達可達lm)lm)、響應(yīng)速度快和量程范圍廣等。、響應(yīng)速度快和量程范圍廣等。光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組

10、成，兩者的光刻密度相同，光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但體長相差很多。光柵條紋密度一般為但體長相差很多。光柵條紋密度一般為lmmlmm內(nèi)內(nèi)2525，5050，100100，250250條等。條等。直線光柵的外形直線光柵的外形1-1-標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵 2-2-光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭 3-3-電纜線電纜線回首頁機電一體化機電一體化把指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并使它們的刻線把指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度相互傾斜一個很小的角度 ，這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條，這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為較粗的明暗條紋，稱為（光的干涉現(xiàn)象）

11、它們是沿（光的干涉現(xiàn)象）它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。 光柵莫爾條紋的特點是光柵莫爾條紋的特點是起起，用用W W表示條紋寬表示條紋寬度，度，P P表示柵距，表示柵距，表示光柵表示光柵條紋間的夾角，則條紋間的夾角，則 P P回首頁機電一體化機電一體化若柵距若柵距P P =0.Olmm =0.Olmm，只要，只要很小，很小，1/1/(放大倍數(shù)放大倍數(shù)) )很大很大，如莫如莫爾條紋的寬度爾條紋的寬度w w 為為10mm10mm，則放大倍數(shù)相當(dāng)于，則放大倍數(shù)相當(dāng)于10001000倍，即把光柵倍，即把光柵間距放大間距放大10001000倍，因而倍，因而。光柵

12、莫爾條紋的形成光柵莫爾條紋的形成標(biāo)尺光柵右移時，莫爾條紋上移；標(biāo)尺光柵右移時，莫爾條紋上移；標(biāo)尺光柵左移時，莫爾條紋下移標(biāo)尺光柵左移時，莫爾條紋下移回首頁機電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化測速發(fā)電機有測速發(fā)電機有和和兩種，與發(fā)電機原理相同。兩種，與發(fā)電機原理相同。為了提高檢測靈敏度，通常將測速發(fā)電機為了提高檢測靈敏度，通常將測速發(fā)電機。伺服控制中多采用直流測速發(fā)電機，其伺服控制中多采用直流測速發(fā)電機，其之間的關(guān)系如圖所示。之間的關(guān)系如圖所示?；厥醉摍C電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率來測量。轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率

13、來測量。 在計數(shù)器采樣時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號進行在計數(shù)器采樣時間內(nèi)對轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電脈沖信號進行計數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時間控制計數(shù)器閘門。當(dāng)計數(shù)器的顯示值為計數(shù)。利用標(biāo)準(zhǔn)時間控制計數(shù)器閘門。當(dāng)計數(shù)器的顯示值為N N時（總脈沖），被測量的轉(zhuǎn)速時（總脈沖），被測量的轉(zhuǎn)速n為為60NnztN N 總脈沖，總脈沖， 脈沖頻率法測轉(zhuǎn)速脈沖頻率法測轉(zhuǎn)速N N回首頁機電一體化機電一體化 將半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為將半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B B 的磁場中，當(dāng)片內(nèi)沿的磁場中，當(dāng)片內(nèi)沿l 方向電流方向電流I 流過時，在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生電動勢流過時，在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生電動勢UH，這種

14、物理現(xiàn)象稱為這種物理現(xiàn)象稱為。具有霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元。具有霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件。件。IBKUHH回首頁機電一體化機電一體化轉(zhuǎn)角HV02轉(zhuǎn)角HV0NS霍爾元件永磁體被測軸NS被測軸霍爾元件永磁體回首頁機電一體化機電一體化HVIBCII霍爾元件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵芯回首頁機電一體化機電一體化NS回首頁機電一體化機電一體化在被測物體上粘有多對小磁鋼在被測物體上粘有多對小磁鋼( (也可粘在被測物體圓周上也可粘在被測物體圓周上) )，霍爾元件固定于小磁鋼附近。當(dāng)被測物體轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)一個小霍爾元件固定于小磁鋼附近。當(dāng)被測物體轉(zhuǎn)動時，每當(dāng)一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾元件時，霍爾元件輸出一個相應(yīng)的脈沖。測得單磁鋼

15、轉(zhuǎn)過霍爾元件時，霍爾元件輸出一個相應(yīng)的脈沖。測得單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，即可位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，即可回首頁機電一體化機電一體化加速度是一個基本物理量?？梢约铀俣仁且粋€基本物理量?？梢岳纾瑧T性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過飛行器的加速度來測例如，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)就是通過飛行器的加速度來測量它的加速度、速度量它的加速度、速度( (地速地速) )、位置、已飛過的距離等。、位置、已飛過的距離等。還通過測還通過測來判斷運動機械系統(tǒng)所承受的來判斷運動機械系統(tǒng)所承受的，以便正確設(shè)計其機械強度和按照設(shè)計指標(biāo)正確控制其運以便正確設(shè)計其機械強度和按照設(shè)計指標(biāo)正確控制其運動加速度，以免機件損壞。動加速度，以免機件損壞?；厥醉摍C電一體

16、化機電一體化 加速度測量一般都是先將其加速度測量一般都是先將其，經(jīng)過，經(jīng)過加速度傳感器也有多種形式，最常用的有加速度傳感器也有多種形式，最常用的有等。等。壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)特性好、靈敏壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)特性好、靈敏度高，故應(yīng)用較為廣泛。度高，故應(yīng)用較為廣泛?；厥醉摍C電一體化機電一體化由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形，按梁上固定的應(yīng)變片之變形，便便，在已知質(zhì)，在已知質(zhì)量的情況下即可算出被測之加量的情況下即可算出被測之加速度。速度?；厥醉摍C電一體化機電一體化加速度計加速度計回首頁機電一體化機電一體化回首頁機電一體化機電一體化，通常將傳感器信號輸入電，通常將傳感器信號輸入電荷放大器放大中。荷