第三章 测量模块

四 电容式——把力的变化转化为电容量的变化
受力→电容极距变化→电容变化
五 电感式——把力的变化转化为电感量的变化
第七节
霍尔式电流传感器
原理：霍尔效应
霍尔效应：当金属或半导体薄片置于 磁场中，有电流通过时，在垂直于电 流和磁场的方向上将产生电动势。
第八节
作用：
信号调理电路
放大及变换
滤波（噪声抑制）
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（二）莫尔条纹： 长短光栅节距 W 、平行放量、矩光栅 倾斜角。 长短光栅的刻线相交，光照时，会产 生明暗交替相间、间距相等的条纹（称 为莫尔条纹）
P/2/W=tg(/2)= /2
W=P/
休息
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1.莫尔条纹的放大作用 W=P/, P=0.01mm, =0.11°=0.002rad W=0.01/0.002=500*0.01=5(mm) 2．莫尔条纹的误差均化作用 莫尔条纹由若干光栅刻线干涉形成，即许多条刻线才 能生成 一定密度的莫尔条纹，平均了节距误差． 3．利用莫尔条纹测位移 1）光栅横向移一个节距W 莫尔条纹上下移动一个莫尔条纹节距Ｂ（莫尔条纹明 暗变化一个周期，检测莫尔条纹的明暗变 化，就可测得光栅横向移动的距离．） 2）根据莫尔条件的移动方向，可以辨别光栅的移动方向 ， 光栅右移，莫尔条纹下移．
第三章 测量模块
测量模块：传感器+信号调理+测量系统 作用：信号采集处理，把机械模块的状 态和性能参数转为电信号，并作信号转 换和信号处理，提供给检测和控制。
常用传感器（被测量）：位移、速度、 加速度、力（转矩）、压力
第一节
机械量传感器分类
一 传感器：将被测变量变换为其他形式的信号的装置。 通常是将非电量转化为与之友确定对应关系的电量输出 的器件或装置。
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2．鉴幅方式，滑尺加同频同相不同幅的励磁电压 US=Umsin电sinwt UC=Umcos电sinwt 定尺感应信号： U=KUmsin电sinwtcos机–KUmcos电sinwtsin机 =KUmsin(电-机)sinwt 证明定尺电压幅值是机的函数，只要测出幅度，就可以求 得机,也就可以得位移. 当位移为X时，调电,令电＝机，使U＝0,边位移边测U, U=KUmsinsinwt=KUm sinwt KUm KUm X 可以对位移增量进行高精度的细分，若要使分辩率为 1m，即 ，把U放大，调节增益使U的幅值达到门槛电 平，产生一个脉冲。对脉冲计数，同时修改电，使电＝机，使 U＝0，当位移又有1m的增量时，又产生一个脉冲。总位移量就是 计数值乘上0.001mm。
i
N
R R 2 n 60
p84
图 3-18
N根导线
2 RBNL E Ei NEi （ ）n Ke n 60 i 1
--- 输出直流电压与转速成正比
6 输出特性
二
码盘式转速传感器
1 脉冲频率法 在给定的采样时间△t秒内，测量编码器产生的脉冲数 N1 ，设编码器每转脉冲数为N。则转速n
隔离
阻抗变换匹配
一 前置放大
1 电压跟随器——放大倍数为1的运放
（1） 电路：同相输入,反相端直接连输出端
（2） 特点：
位移传感器
U j E0 sinω t
转子是输出绕组
P77
余弦乘法器：US*COS (Φ)
, 正弦乘法器：UC*SIN(Φ)
余弦乘法器：US*COS (Φ)
, 正弦乘法器：UC*SIN(Φ)
二、感应同步器
（一）结构和原理 1．直线感应同步器结构 由定尺、滑尺组成. 在钢基尺上贴铜箔绕组，绕组节距 2τ=2mm 定尺：250mm，连续绕组 滑尺：两个绕组（正弦绕组、余弦绕组）,相距1／4节距(τ/2)
• 可重现性 ——在长时间内，由两个方向趋近同一个输入， 多次测量所得输出的最大差值。
线性度——输入输出特性曲线与直线的紧密程度,由实际特性曲线与对应所选直线 之间的变化量与满量程的百分比确定。
独立线性度直线 基于零位的线性度直线 基于端点的线性度直线 最小二乘线性度——由标定曲线的输入输出数据，通过 最小二乘拟合计算获得。
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对脉冲计数（1个脉冲对应1m ），同时修改电，使电＝ 机，使U＝0，当位移又有1m的增量时，又产生一个脉冲。总 位移量就是计数值乘上0.001mm。
休息
下课
三、光电编码器
––––把机械转角位移变成电脉冲
1．结构：
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圆光栅：玻璃圆盘，真空镀膜法镀上一层不透光的金属膜和感光 材料，用照相腐蚀制成等距的透光和不透光的线纹，线距为 P 。里 圈有一条透光线纹，产生零位信号Z。 指示光栅:有两条透光线纹A、B，相距1/4 P，产生A、B两路相位 相差/2的信号。
R 1E R
其中
——应变，
E ——半导体的弹性模量
1——压阻系统。
作用：测力
三 压电式——利用压电元件的压电效应
•压电元件——石英晶体，压电陶瓷 •压电效应——压电元件沿一定方向受外力作用而变形时， 其相应的相对的表面产生极性相反的电荷，电荷与外力的 大小成正比，电荷极性取决于变形方向。 •压电效应可逆——振动源 •应用：静态力，压力，动态和恶劣环境下力的测量。
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下课
2．工作原理 滑尺的正弦绕组加激磁电压,定子感应电压随滑尺位移 而变化，定子感应电压与定子和滑尺的位置关系如下图.
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结论: • 滑尺的正弦绕组加激磁电压，定尺得到的感应电压是余弦波形。 又因为滑尺余弦绕组与正弦绕组错开1／4节距（即 /2），所以在 滑尺的余弦绕组的激磁下，定尺的感应电压应是按正弦规律变化。 •滑尺移一个节距2τ（2mm），感应电势变化2角度。 当移动量为X mm时，感应电势变化机角度， 则 2τ/2= X/ ,即X= （τ /）. （弧度）（mm) =（ （度）/360）× 2τ =（ （度）/360）× W (P80) (二）感应同步器应用 感应同步器与旋转变压器一样，有鉴相与鉴幅两种应用方式 1．鉴相方式(P79) 滑尺绕组，加同频同幅不同相的电压 US=Umsinwt–––定子感应电压为K.Umsinwt.cos UC=Umcouwt–––定子感应电压为-K.Umcoswt.sin 叠加：得定子感应电压为 U=KUmsinwtcos–KUmcoswtsin =KUmsin(wt–)= KUmsin(wt–x. / τ) ----输出电压的相位角与滑尺线位移成正比。
三 动态特性: 快速变化量 的性能 用时域和 频域的两种 描述方法。 1.时域指标 由阶跃响应定义.
四. 性能要求和改善措施 1. 性能要求 P75 2. 改善措施 （1）差动技术 (2) 平均技术 (3) 稳定性技术 (4) 屏蔽隔离 (5) 闭环技术
第三节
一、旋转变压器 —— 角位 移测量，精度5″～30″ 1．结构：定子+转子 （两极电机） P76 2．工作原理 图3-6 变压器工作原理： 定子是输入绕组： 在Ｗs1—Ｗs2，加
(一)结构：
长光栅（标尺光栅）装在机床移动部件上 短光栅（指标光栅）固定在机床的固定部件上
休息
下课
光栅：透射光栅、反射光栅 •透射光栅：在涂有感光材料的光学玻璃表面，刻上等间隔光栅线 纹。光源可以垂直入射，光敏元件直接接受光照。 优点: 信噪比好，刻线密度大. 缺点：玻璃易破损，热胀系数与机床金属不一致，影响测量精 度。（用于2m以下的位移测量） •反射光栅：在不锈钢上经照相腐蚀（或刻线）制成。 优点 : 与机床金属热膨胀系数一致，可做成长光栅，用于大位移 场 合。 缺点：反射后，莫尔条纹反差大，刻线密度低,在50线/mm以下。 光栅读数头：光电转换，把位移量转换成脉冲信号输出。光栅线纹 太密，线纹计数有困难，利用莫尔条纹放大后,再测量.
休息
下课
5．主要参数： 每转脉冲数 60，120，180，360，720（电光计数控制） 2000，2500，3000，5000（一般数控机床） 10000,20000，25000，30000（高精度伺服系统） 高分辨率脉冲编码器通过细分电路来实现。
休息
下课
四、光栅（直线光栅测直线位移、图光栅测角位移）
休息
下课
2．工作原理： 每过一个光栅节距，在光电元件上形成明 ––暗 ––明变化一个 周期的光信号，经光电转化为近似的正弦信号，经放大，整形变成 矩形脉冲，脉冲数与角位移成正比。A、 B 两路相位相差 /2，正转 时B超前90O，反转时A超前90O, 用于辨别进给方向。
休息
下课
3.方向判别 (图3-13)
•力学模型：二阶微分方程
一 电阻应变式——电阻应变效应 应变片粘合在弹性元件上，构成桥路。 弹性元件受力→应变→电阻变化→电桥输出电压
R G ， R
其中

l l --- 应变，G --- 标定系数
作用：测力
二 压阻式——半导体压阻效应
在半导体材料基片上扩散电阻，组成电桥，基片做弹 性敏感元件，基片受力变形，阻值变化，电桥产生输出。
休息
下课
第四节
一 直流测速发电机
速度传感器
微型的直流发电机，输出与转速成正比的直流电压。 1 分类：电磁式——磁场由电磁线圈产生 永磁式——磁场由永久磁铁产生 2 灵敏度：0.5V～20v/(Kr/min)
3 线性度：0.2%～0.1%
4 wk.baidu.com用：测量转速
5 工作原理：电磁感应原理 每根导线 E LBV，V
N1 60 n N t
(r/min)
低速时，编码器脉冲频率太低。在△t秒内漏检一个脉冲， 影响很大。
2 脉冲周期法 测一个或N2个编码器脉冲所对应得时间间隔t, 设编码器每转脉冲数为N，则
N 2 60 n N t
（1）精度高。误差±1个时钟脉冲 （2）高速时，用多个脉冲间隔来提高精度
3，按能量转换关系分类
能量转换型（无源）： 能量控制型（有源）：
四
传感器的发展
第二节
性能指标 — 输入输出关系特性
工作特性、静态特性、动态特性
一、工作特性
性能、质量、环境 1.测量特性（性能） 量程：被测量的上下限定义 阈值：能产生输出变化的被测量的最小变化量
分辨率：被测量连续变化时，输出以离散阶梯形式变化， 阶梯的大小定义为分辨率。
第五节
dv d x a 2 , dt dt
2
加速度传感器
若直测 v, x , 经微分，误差会放大。
a F / m，
, 固定m , 测力F ，间接算 a.
质量-弹簧-阻尼系统
二 结构 : 应变式结构：a→ma→悬臂梁弯曲→应变片测变形量x. 压电式结构：a→ma→压电元件变形→电荷Q。
压阻式结构：a→ma→半导体压阻元件变形→电阻率变化.
压阻效应：
三
分类
压电式加速度计对低频（静态）信号不敏感
第六节
力、扭矩和压力传感器
•由弹性元件把力、扭矩、压力转换成位移或应变
•应变——单位长度的位移
•弹性元件：柱型，环型，悬臂梁型，棒型，筒型，膜片， 膜盒。
•传感元件：电阻应变式，压阻式，压电式，电容式。弹 性变形范围大，灵敏度高，测量频带宽。
二 静态特性——被测量是常量或者缓慢变化的量。
• 精度——输出与被测变量理想值的一致程度。 • 误差——测量值与理想值之差。 精度表示法： ① 以被测量表示（如±1℃）
② 满量程的百分数（如±1%）
③ 输出值的百分数（如±1%） • 重复性 —— 在相同条件下，连续几次测量所得输出之间 的最大差值.
被测量：位移，速度，加速度，力，力矩，压力。
输出：力，位移，电压，电阻等。 二 调理电路:将传感器输出的信号放大，滤波，使其 与控制器或显示装置或A/D转换器相适应。
三
传感器的分类 P71 表3-1
1，按被测量分类：力、速度、温度 2，按工作原理（信号转换原理）分类： 结构型：传感器的结构变化实现信号转换，电容传感器 物性型：敏感元件材料本身物理特性的变化实现信号转换 压力式加速度计
灵敏度：输出变化量与对应的输入变化量的比值。
2.工作特性（质量）
可靠性：在给定的时间周期内，能在给定条件下（环境限制， 超量程范围，输出漂移量）工作的可能性。 漂移：在给定的时间内，产生的不希望的变化。 零漂:输入为零时的漂移。 灵敏度漂移:灵敏度变化。 3.环境影响: 零位温漂:在给定的温度范围内的零漂。 灵敏度温漂:在给定的温度范围内的灵敏度变化。