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返回第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术目录2.1概述2.2精密机械技术2.3传感检测技术2.4伺服驱动技术返回第二章机电一体化的单元技术2.3传感检测技术传感与检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分,用于实现检测功能。检测系统主要由传感器及相应的信号处理电路构成。返回传感器:是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于处理和传输的信号测量装置。非电量信号--电量信号一.传感器的组成第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术被测量(非电量)物理量电参量电量(R、L、C)(U、I、f)敏感元件:直接感受、获取被测量并输出与被测量有确定关系的某种物理量的元件。转换元件:一般情况下不直接感受被测量,而是将敏感元件的输出转换成电参量形式的输出元件。转换电路:把转换元件输出的电路参量转换成便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。返回第二章机电一体化的单元技术气体压力传感器原理膜盒2外部与大气压相通,它的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转换电路5。敏感元件:膜盒2转换元件:可变电感3转换电路5返回第二章机电一体化的单元技术(一)分类按被测量:物理量、化学量、生物量按信号变化特征:结构型、物性型按工作原理:压电式、光电式、热电式等按输出量:开关型、模拟型、数字型二.传感器的分类及特性返回传感器按输出信号的性质分类模拟型(analog)数字型(digital)接触型(如微动开关、行程开关、接触开关)非接触型(如光电开关、接近开关)电压、电流型(如热电偶、光电池等)电阻型(如电位器、电阻应变片等)电感、电容型(如电感、电容式位移传感器)计数器(二值、十值计数器)代码型(如旋转编码器、磁尺等)传感器sensor开关型(二值型)(on-off)第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术(二)特性特性:输出与输入之间的关系(1)静态特性:被测量处于稳定状态时,传感器的输入值与输出值之间的关系。主要技术指标:量程线性度灵敏度精度分辨率迟滞性重复性返回第二章机电一体化的单元技术量程在允许误差限内传感器的适用测量范围。线性度在静态输入下,传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差与满量程值之比。100%ΔmaxγFSyL返回第二章机电一体化的单元技术灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下,输出量的变化量与输入量的变化量之比。xyS0表征传感器对输入量变化的反应能力。返回线性传感器非线性传感器传感器的灵敏度选用原则:在量程范围内,传感器的灵敏度越高越好,但要注意外界噪声的影响。第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术精度传感器的输出量与实际被测量之间的接近程度。精度一般用标定的方法来确定分辨率传感器能检测到的最小输入增量称分辨率。在输入零点附近的分辨率称为阈值返回—正反行程间输出的最大差值。HMAX%100))(21(FSHMAXHyxΔHmaxY迟滞性传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中,输出/输入特性曲线不重合的程度。第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术重复性传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得输出/输入曲线的不一致程度。零漂传感器在零输入状态下输出值的变化。100%FSmRyRγ21,maxmmmRRR返回第二章机电一体化的单元技术(2)动态特性指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。动态特性参数如:最大超调量、上升时间、稳定时间、频率响应范围、临界频率、临界速度、阻尼比等。返回传感器的发展方向(developmentofsensor)(一)新型传感器的开发从以结构型为主转向以物性型为主的过程第二章机电一体化的单元技术返回(1)同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器。(2)多种不同功能的敏感元件集成一体,成为可同时进行多种参数测量的传感器。(3)传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能。(二)传感器的集成化和多功能化(Integrationandmultifunctionalofsensor)随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展,出现了多种集成化传感器。第二章机电一体化的单元技术返回(三)传感器的智能化(Sensorintellectualization)不仅具有信号检测、转换功能,同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上,就成为智能传感器。第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术三、机电一体化中常用的传感器位移检测传感器:光栅、旋转变压器、光电编码器速度检测传感器:测速发电机、光电式、差动变压器式加速度检测传感器:应变式、压电式力、力矩检测传感器:电阻应变压力传感器、力矩传感器温度、湿度、光度检测传感器返回线位移检测传感器一、光栅位移传感器(RasterDisplacementSensor)光栅是一种新型的位移检测元件,是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。第二章机电一体化的单元技术返回(一)光栅的构造光栅(raster)是在透明的玻璃板上,均匀地刻出许多明暗相间的条纹,或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹,通常线条的间隙和宽度是相等的。光栅以透光的玻璃为载体的称为透射光栅不透光的金属为载体的称为反射光栅根据载体根据外形直线光栅圆光栅第二章机电一体化的单元技术返回根据用途:光栅尺(测直线位移)和光栅盘(测角位移)按材料:玻璃光栅和金属光栅按光源照射法:透射光栅和反射光栅(二)光栅的分类第二章机电一体化的单元技术返回直线光栅的结构第二章机电一体化的单元技术由标尺光栅1、指示光栅2、光源4、光电元件3组成,其中2、3、4装在读数头中。使用时,标尺光栅(主光栅)安装在机床活动部件上,读数头安装在机床固定部件上。两者的刻线密度相同,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。返回直线光栅的工作原理第二章机电一体化的单元技术把两块栅距W相等的光栅平行安装,且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时,由于遮光效应,光栅上会出现若干条明暗相间的条纹,即莫尔条纹,它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。夹角θ越小,莫尔条纹间距B越大。标尺光栅移动位移X:nWXn-莫尔条纹间距数返回莫尔条纹的特点①运动对应关系移动大小:光栅尺相对移动过一个栅距W,莫尔条纹就移动过一个条纹间距B。移动方向:光栅尺沿栅线垂直方向左右移动,莫尔条纹沿栅线方向上下移动。第二章机电一体化的单元技术返回②位移放大作用莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角θ(rad)之间关系:放大倍数:第二章机电一体化的单元技术1WBKWB返回③均化误差作用莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成,它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置,对各栅距误差起了平均作用,减弱了光栅制造中的局部误差和短周期误差对检测精度的影响返回光栅测量系统第二章机电一体化的单元技术通过光电元件,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:如果仅放置1个光电元件,光栅尺每移动1个栅距W,光电元件输出信号变化1个周期,经放大、整形、微分后得到1个脉冲信号,再经辨向和可逆计数器则可计算位移量。辨向:如果仅放置1个光电元件,只能确定位移大小,要实现辨向则至少需要2个光电元件(相距B/4)。U0UW/2oUm2W3W/2Wx亮暗亮暗亮WxSinUUUm20返回细分提高测量分辨率4细分(倍频)原理:在光栅移动1个栅距的位移时,得到4个计数脉冲。a差分放大器整形电路d差分放大器整形电路bc光电元件方向判别门电路可逆计数器正向脉冲反向脉冲sincos-sin-cossincos第二章机电一体化的单元技术返回光栅传感器特点(1)精度高。测长度精度可达0.5~3μm,分辨力可达0.1μm。测角度精度可达0.15``,分辨力可达0.1``,甚至更高。(2)用于高分辨力大量程测量。(3)可实现动态测量,易于实现测量及数据处理的自动化。(4)具有较强的抗干扰能力。第二章机电一体化的单元技术返回角位移检测传感器旋转变压器(RotaryTransformer)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。特点:结构简单,动作灵敏,对环境无特殊要求,输出信号大,抗干扰好。第二章机电一体化的单元技术返回2)旋转变压器构造从结构上看,旋转变压器与两相绕组式异步电动机相似,由定子和转子组成。旋转变压器又有单极对和多极对之分。正余弦旋转变压器结构D1D2-激磁绕组D3D4-辅助绕组Z1Z2-余弦输出绕组Z3Z4-正弦输出绕组定子转子双极对第二章机电一体化的单元技术返回1.旋转变压器工作原理从原理上看,旋转变压器相当于一台可以旋转的变压器。当以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,其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、余弦函数关系线性旋转变压器:输出电压与转子转角在一定转角范围内与转角成正比关系第二章机电一体化的单元技术返回鉴相式1sinmUUwt2cosmUUwt312sinsin(90)cos()mUkUkUkUwt1.旋转变压器测量方式(正余弦旋转变压器)当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的感应电势之和,即可见,转子输出电压的相位角和转子转角θ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θ,即可测得被测轴的角位移。实际使用时,把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做比较,来确定转子转角θ的大小。第二章机电一体化的单元技术返回第二章机电一体化的单元技术1.旋转变压器测量方式(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。则在一定转角范围内,其输出电压和转子转角θ成线性关系。此时输出电压为: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。31sin1cosUkUk返回应用1)位置传感器2)解算元件3)移相器第二章机电一体化的单元技术伺服电机专用绕线式旋变混合动力车专用绕线式旋变返回第二章机电一体化的单元技术2.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,它将输入轴的角度,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量。根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式两种。返回光电编码器优缺点增量式编码器:结构简单、价格低、精度易于保证应用最广泛绝对式编码器:优点:直接显示转角的数字信息,便于计算机处理缺点:进给数大于1转时,需做特别处理,必须使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,造成结构复杂、成本高返回第二章机电一体化的单元技术1.增量式光电编码器指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲,然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数,以此表示转过的角位移量。输出脉冲的编码器返回1.增量式光电编码器它由主码盘、光栅板(鉴向盘)、光学系统、光敏元件组成。返回第二章机电一体化的单元技术2.绝对式编码器把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件绝对式编码器输出代表被测轴角位移的数字量。分光电式、接触式、电磁式三种。返回2.绝对式编码器光电式码盘是在透明材料的圆盘上精确的印制上二进制编码返回第二章机电一体化的单元技术
本文标题:机电一体化的单元技术2.
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