《伺服運動控制系統(tǒng)》許O）bushxuh@伺服運動控制系統(tǒng)控制器執(zhí)行器實際輸出期望輸出傳感器高精度的伺服運動控制系統(tǒng)：負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)第二章位置和速度傳感器傳感器類型速度傳感器位移傳感器加速度傳感器力傳感器旋轉變壓器；感應同步器；光電編碼器；光柵尺；磁尺；速度傳感檢測門捷列夫：檢測是認識自然的手段，有檢測才有科學。西門子：檢測就是去認識。開爾文：凡存在之物，必以一定的量存在。信息論：檢測是獲取信息的過程。組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的關鍵部分；決定了整個控制系統(tǒng)的控制精度。測量就是用專門的技術工具靠實驗和計算找到被測量的值（大小和正負），測量的目的是為了在限定時間內(nèi)盡可能正確地收集被測對象的未知信息，以便掌握被測對象的參數(shù)和對其運動、變化過程的控制。檢測系統(tǒng)組成：被測系統(tǒng)傳感器信號調(diào)理數(shù)據(jù)顯示和記錄觀察者敏感元件被觀測對象變換信號處理傳輸測量電路顯示裝置第一過程第二過程術語敏感元件：感受被測參數(shù)；變化轉換另一種物理量傳感器：感受被測參數(shù)；變化轉換另一種易于傳輸物理量變送器：一種特殊的傳感器，使用同一的動力源，輸出為標準信號。被測參數(shù)：待測參數(shù)：直接測量：間接測量：通過測量與待測參數(shù)有函數(shù)關系的其它量，經(jīng)數(shù)學處理得到待測參數(shù)的量值。矩形面積的測量？檢測系統(tǒng)

靜態(tài)特性：當輸入系統(tǒng)的被測物理量為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關系。線性度、靈敏度、重復性、遲滯、分辨率、精度。測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性基本要求：1。當輸入系統(tǒng)的被測物理量為零，系統(tǒng)的輸出為零；2。輸入與輸出成唯一的對應關系。檢測儀表的基本性能測量范圍和量程：量程＝測量上限值－測量下限值輸入輸出特性：

靈敏度：表征系統(tǒng)對輸入量變化的響應能力。（靈敏度）ΔxΔy（輸出變化量）（輸入變化量）分辨率：表征系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化的能力。死區(qū)回差線性度△max正行程反行程輸出值輸入值△max量程×100%△max輸出值輸入值△max量程×100%輸入值輸出值漂移：儀表的輸入未變化其輸出發(fā)生的變化穩(wěn)定性：重復性和再現(xiàn)性：同一量、多次測量可靠性：出故障的概率誤差絕對誤差：儀表輸出值與真值（約定真值）間的差值△x＝x－x0相對誤差：絕對誤差與約定真值比的百分數(shù)，

δ＝△x/量程×100%儀表基本誤差：標準條件下，全量程范圍內(nèi)的各輸出誤差中絕對值最大的為儀表基本誤差。精度或精準度：指示值和被測量真值的符合程度。各不確定度之和。滿刻度相對誤差大小來衡量準確度等級：用儀表滿刻度相對誤差略去百分號…，0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，…，準確度與準確度等級ThrottleAdjustmentSystems

動態(tài)特性：系統(tǒng)對隨時間變化的輸入量的響應特性。時域特性時間，s0123450t位移，mmy98%，響應時間10%~90%，上升時間超調(diào)量衰減度~~檢測系統(tǒng)頻率特性：頻帶：檢測系統(tǒng)增益保持在值內(nèi)的頻率范圍檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)的滯后？k/(Ts+1)1e-гs一階系統(tǒng)的穩(wěn)定性？時滯特性0гx1(t)x2(t)L(x2(t))L(x1(t))=X1(t)X1(t))e－гsx2(t)＝x1(t－г)時滯環(huán)節(jié)的輸出信號x2(t)比其輸入信號x1(t)滯后一定時間г，GH（s）＝e－гst根軌跡閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程：1+G（s）·

GH（s）＝01+〔k/(Ts+1)〕e－гs＝00jωσ+jπ-jπ時滯系統(tǒng)的主根軌跡，г＝1（s）時即使是一階系統(tǒng)，由于時滯的存在，也可能使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定；普通一階系統(tǒng)。開環(huán)增益取得再高也不會不穩(wěn)定，但有時滯環(huán)節(jié)后，增益的取值受限了。時滯系統(tǒng)k/(Ts+1)1e-гs測量元件、控制器、執(zhí)行機構等環(huán)節(jié)在傳遞信號過程中都會產(chǎn)生時滯現(xiàn)象。穩(wěn)定性分析作業(yè)：帶時滯環(huán)節(jié)的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析傳感器和敏感元件是兩個不同的概念。傳感器技術傳感器也是一種換能元件，它把被測的量轉換成一種具有規(guī)定準確度其他量或同種量的其他值，因此，把傳感器稱為換言之能器涵義更為廣泛。

敏感元件是指直接感受被測物理量并對其進行轉換的元件或單元。而傳感器則是敏感元件及其相關的輔助元件和電路組成的整個裝置，其中敏感元件是傳感器的核心部件。傳感器也泛指將一個測物理量按照一定的物理規(guī)律轉換為另一物理量的裝置。傳感器也泛指將一個測物理量按照一定的物理規(guī)律轉換為另一物理量的裝置。傳感器的分類

常用的傳感器的分類有按被測物理量進行的分類，如測量力的力傳感器，測量速度的速度傳感器。也可按傳感器的工作原理或傳感過程中信號轉換的原理分類，這可分為結構型和物性型。傳感器的分類

結構型傳感器由敏感元件和變換器組成，敏感元件又叫彈性元件，如：梁、膜片、柱、簡、環(huán)等可將力、重量、壓力、位移、扭矩、加速度等多種被測信號轉換為中間變量（即非直接輸出量）。變換器將彈性敏感元件輸出的中間變量轉換成電參量的變化作為輸出量。所謂結構型傳感器是指根據(jù)傳感器的結構變化來實現(xiàn)信號的傳感器。物性傳感器是根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理特性的變化而實現(xiàn)信號的轉換。如壓電加速度計是利用了傳感器中石英晶體的壓電效應，光敏電阻是利用材料在受光照作用下改變電阻的效應等。它沒有中間轉換結構，與結構型對應而言，它只有變換器。傳感器的分類

對于電量可直接檢測，而對于非電量的檢測實際上是非電量的電測，是將非電量轉換成電量再加以測量。按待測量來分類，大致可分為物理量、化學量和生物量三大類。

傳感器的分類

ThrottleAdjustmentSystems類別檢測量及檢測對象物理量機械量幾何量長度、位移、應變、厚度、角度、角位移運動學量速度、角速度、加速度、角加速度、振動、頻率、時間力學量力、力矩、應力、質量、荷重流體量壓力、真空度、液位、粘度、流速、流量溫度溫度、熱量、比熱電量電流、電壓、電場、電荷、電功率、電阻、電感、電容、電磁波磁場磁通、磁場強度、磁感應強度光光度、照度、色、紫外光、紅外光、可見光、光位移濕度濕度、露點、水分放射性射線X、化學量氣體、流體、固體分析、pH值、濃度生物量酶、微生物、免疫抗原、抗體光電導效應基礎效應

在光輻射作用下，材料的導電性發(fā)生變化，這種變化與光輻射強度呈穩(wěn)定的對應關系，這種現(xiàn)象就是光電導效應。光電導效應IphvU霍耳效應在一塊通電的半導體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側會出現(xiàn)一個電壓，如圖1中的VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應，是由科學家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。VH稱為霍爾電壓。

（a）霍爾效應和霍爾元件這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側偏轉和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場。霍爾電場產(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時，片子兩側建立起一個穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓，其大小與激勵電流、磁場強度、材料有關。ThrottleAdjustmentSystems當具有壓電效應的材料受到沿一定方向的外力作用而變形時，在其某兩個表面上將產(chǎn)生極性相反的電荷。常見的壓力材料有石英晶體（又稱水晶）、鈮酸鋰（LiNbO3）、鎵酸鋰（LiGaO3），鍺酸鉍（Bi12GeO20）等單晶和經(jīng)極化處理的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT），還有高分子壓電薄膜聚偏二氟乙烯（PVDF），壓電半導體（ZnO、CdS）等。壓電效應利用電壓所產(chǎn)生的電場控制半導體表面電流的效應的稱為半導體表面場效應。它是絕緣柵場效應晶體管（如MOS場效應管）基本的工作原理。如果這種控制作用隨環(huán)境氣體、溶液離子濃度等化學物質而變化，則可構成氣敏、離子敏、生物敏等半導體場效應化學傳感器。半導體表面場效應磁致伸縮效應

磁致伸縮材料是一種鐵、鎳合金材料，被外界磁場磁化時，其體積或者長度發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為磁致伸縮效應。這一現(xiàn)象是磁致伸縮材料的內(nèi)部磁疇按照外界磁場磁化方向排列的對外的宏觀顯示。電致伸縮效應

？1.半導體敏感材料半導體材料可以將多種非電量轉換為電量，無論是光、聲、熱、磁、氣、濕等都可以利用相應的半導體材料進行傳感，特別是硅半導體材料，工藝十分成熟，很容易將傳感器微型化、集成化、多功能和智能化。新型敏感材料2.光導纖維光導纖維由三層構成，其中央有個細芯稱為纖芯，直徑只有幾十微米，纖芯的外面有一層薄薄的包層，光纖最外層為保護層，其折射率大于包層，包層的折射率遠小于纖芯這樣的構造可以保證入射到光纖內(nèi)的光波以全反射的方式集中在纖芯內(nèi)傳輸。光在纖芯與包層的交界面上，無數(shù)次反射呈鋸齒形狀路線向前傳播，最后從光纖芯另一端傳出。新型敏感材料新型敏感材料3.高分子材料有機高分子的分子骨格幾乎都是由強化學鍵的鍵構成的，高分子集合體固體的特征是非晶結構，高分子材料在電氣特性上主要表現(xiàn)為絕緣性。不過高分子材料也可以作為敏感材料，主要可以用作壓電、熱釋電、光電材料等。如：電導性高分子薄膜、壓電式熱釋電材料（PVDF）。新型敏感材料4.石英晶體化學成分為SiO2，石英晶體俗稱水晶，理想形狀為六角錐體，是電絕緣的離子型晶體電解質材料，具有壓電效應、光的雙折射效應等。新加工工藝1.薄膜加工工藝薄膜成膜的主要方法是蒸發(fā)、濺射以及化學氣相淀積。蒸發(fā)和濺射都需要在真空中進行。薄膜成膜的主要設備是真空鍍膜機，真空鍍膜機的鐘罩為薄膜成膜提供真空環(huán)境。(1)蒸發(fā)：真空泵把淀積室（鐘罩）內(nèi)的氣壓抽至在1.33×10-2Pa以下，然后采用電阻加熱、電子轟擊等辦法加熱蒸發(fā)源材料，迫使蒸發(fā)材料表面的原子或分子離開材料表面，并淀積在基片上。蒸發(fā)材料可以是金屬、非金屬或熱穩(wěn)定性良好的化合物。(2)濺射：濺射是材料表面受到具有一定能量的離子的轟擊而發(fā)射的現(xiàn)象，其基本原理是利用電場作用將惰性氣體電離，而正離子將向陰極方向高速運動，撞擊陰極表面，把自己的能量傳遞給處于陰極的濺射材料的原子或分子逸出而淀積到基片上，形成所需要的薄膜。新加工工藝(3)化學氣相淀積(CVD)：使用加熱、等離子體和紫外線等各種能源，使氣態(tài)物質經(jīng)化學反應（熱解或化學合成）形成固態(tài)物質淀積在襯底上的方法，叫作化學氣相淀積，簡稱CVD技術?；瘜W氣相淀積的基本結構主要包括：反應氣體輸入部分、反應激活能源供給部分和氣體排出部分。新加工工藝(4)分子束外延：所謂外延是指以某點為中心向外生長，分子束外延（MBE）是一種利用分子射束在單晶襯底上生長單晶層的外延方法。它已成為研制GaAs集成電路和集成光路不可缺少的技術，為表面物理、表面化學的基礎研究和研究新型傳感器提供了最佳環(huán)境和工藝條件。新加工工藝新加工工藝2.光學曝光微加工工藝在光學曝光加工中，一般需要具有一定圖形的掩模板（簡稱掩模），掩模上的圖形區(qū)和非圖形區(qū)對光線的吸收和透射性不同，將光線照射在具有特定電路圖形的掩模上，就會將掩模上的電路圖形轉印到硅片的抗腐蝕劑上，然后通過顯影、刻蝕和淀積金屬等工藝，即可獲得集成電路的圖形布線。新加工工藝3.激光微細加工激光微細加工具有直接寫入、低溫處理等獨特的優(yōu)點，在微電子、光電子、集成光學、光電集成電路等領域都能發(fā)揮廣泛的作用。激光微細加工方法主要有：激光輔助氣相淀積、激光輔助固相淀積、激光輔助液相淀積、激光輔助化學摻雜、激光退火。4.光纖制造技術石英玻璃光纖的制造工藝主要包括預制雙層超純石英玻璃光纖棒、拉絲制成光纖、涂覆。新型傳感器件1.光電位置傳感器件（PSD）光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電器件，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關。PIN型PSD的斷面結構示意圖Ｐ層Ｉ層Ｎ層①②③新型傳感器件2.電荷耦合器件（CCD）當光透過片子頂面或背面照到光敏元時，光敏元中便會因光子的轟擊而產(chǎn)生電子—空穴對，即光生電荷。入射光越強則光生電荷越多，無光照的光敏元則無光生電荷。通過轉移柵進行電荷的轉移，根據(jù)輸出的先后則可以辨別出電荷包是從哪位光敏元來的，而且根據(jù)輸出的電荷量的多少，可知該光敏元的受光強弱。輸出電荷經(jīng)放大器放大后，變成一個個脈沖信號，電荷多，脈沖幅度大，電荷少，幅度小，這樣便完成了光電模擬轉換，實現(xiàn)了圖像信號到電信號的轉變。新型傳感器件3.光纖傳感器光纖位移傳感器是利用光纖傳輸光信號的功能，根據(jù)探測到的反射光的強度來測量被測反射表面的距離。光從光源耦合到輸入光纖射向被測物體，被測物體將入射光反射回另一根光纖（輸出光纖），光敏檢測器產(chǎn)生與接受到的光強成正比的電信號，被測物體與光纖探頭的距離同接受到的光強成對應關系，由此可以檢測出被測物體的位移量。新型傳感器件4.集成傳感器 集成傳感器是將敏感元件、信號調(diào)理電路、補償電路、控制電路或電源等制作在同一芯片上，使傳感器具有很高的性能。硅電容式集成傳感器集成溫敏傳感器集成磁敏傳感器

新型傳感器件機器人傳感器機器人傳感器是一種能把機器人目標物的特征和參數(shù)轉換為電量輸出的裝置。內(nèi)部、外部視覺、觸覺、接近覺、聽覺、嗅覺、味覺？？檢測元件旋轉變壓器

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系，或保持某一比例關系。

旋轉變壓器

旋轉變壓器是一種精密角度、位置、速度檢出裝置

u1(t)=Umsinω0tu2(t)=Umcosω0t

ubr(t)=k[u1(t)cosθ+u2(t)sinθ]=kUmsin(ω0t+θ)旋轉變壓器由定子、轉子組成。定子的兩個繞組相互垂直。特性K為定子繞組和轉子繞組的有效匝數(shù)比。轉子繞組中產(chǎn)生的感應電壓的幅值Um不變，相位與轉角θ相同。激勵信號的角頻率ω0一般遠高于工頻。正/余弦旋轉變壓器（XZ）、線性旋轉變壓器（XX）、比例旋轉變壓器（XL）特性激勵電壓30V以下激勵信號頻率：400Hz、（1、2、4）kHz摩擦力矩小10bit：0~1024（r/s）；12bit：0~260(r/s)；

14bit：0~65(r/s)；16bit：0~16.25(r/s)常用可編程正弦波振蕩器AD2S99和旋轉變壓器/數(shù)字轉換器AD2S80A組合使用。光柵柵距：0.002~0.005mm的物理光柵；柵距：0.004~0.025mm的計量光柵；直線式透射光柵、莫爾條紋式光柵計量光柵：透射、反射長光柵、圓光柵組成光柵尺反射式光柵透射式光柵圓光柵摩爾條紋式光柵光柵是運用光的衍射效應來測量直線位移或角位移的光學傳感器。波繞過障礙物繼續(xù)傳播，也稱繞射。衍射時產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)，叫衍射圖樣。光的衍射摩爾條紋當θ很小時，莫爾條紋的節(jié)距W為：W=ω/θ這表明莫爾條紋的節(jié)距是光柵柵距的1／θ倍。

條紋間距光柵尺

辨向光路設置電位器橋細分光柵尺信號處理電路設計電路原理圖電路制作實物演示用分立元件設計并制作完整的光柵信號處理電路，實現(xiàn)直線光柵輸出信號的辨向、細分、計數(shù)功能。作業(yè)：光電碼盤（a）二進制編碼盤(b)循環(huán)編碼盤光電編碼器光電編碼器是一種旋轉式位置傳感器，在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中廣泛應用于角位移或角速率的測量，它的轉軸通常與被測旋轉軸連接，隨被測軸一起轉動。它能將被測軸的角位移轉換成二進制編碼或一串脈沖。光電編碼器分為絕對式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器

辨向、計數(shù)、分辨率光電編碼器的測量準確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關，能分辨的角度α為：α=360°/n分辨率=1/n例如：碼盤邊緣的透光槽數(shù)為1024個，則能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°QDZ4096型的一圈輸出212個脈沖。所謂的脈沖辨向和計數(shù)。脈沖的辨向和計數(shù)既可用軟件實現(xiàn)也可用硬件實現(xiàn)。增量式光電編碼器A、B組脈沖相差90°A為前向脈沖，B為后向脈沖。三相中的另一相C0相為盤上的單獨一個窄縫一周只產(chǎn)生一個脈沖為原點零位脈沖，用于基準點定位。使用PLC采集數(shù)據(jù)可選高速計數(shù)模塊，使用工控機采集數(shù)據(jù)時，用高速計數(shù)板卡，使用單片機采集數(shù)據(jù)，建議帶光耦的輸入端口。一般采用TTL電平。易于小型化，響應快，結構簡單，掉電數(shù)據(jù)丟失，有誤差累積現(xiàn)象。ZG系列：ZG60、ZG100；LEC系列（LED燈）絕對式編碼器絕對式編碼器記憶物體的絕對位置、角度、圈數(shù)。徑向有若干同心碼道，每條碼道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成。接觸式、光電式、電磁式不要計數(shù)器，直接輸出數(shù)字碼。碼道越多，分辨率越高?？啥噢D絕對式編碼器常用GSB14-B、JX65-14、JX110-16型號絕對式編碼器循環(huán)碼盤（或稱格雷碼盤）光源格雷碼編碼軸的位置二進制碼循環(huán)碼軸的位置二進制碼循環(huán)碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000格雷碼格雷碼不是權重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接進行比較大小和算術運算，也不能直接轉換成物理信號，要經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進制碼,再由上位機讀取。解碼的方法是用‘0’和采集來的4位格雷碼的最高位（第4位）異或，結果保留到4位，再將異或的值和下一位（第3位）相異或，結果保留到3位，再將相異或的值和下一位（第2位）異或，結果保留到2位，依次異或，直到最低位，依次異或轉換后的值（二進制數(shù)）就是格雷碼轉換后自然碼的值.霍爾傳感器－速度測量霍爾器件分為:霍爾元件和霍爾集成電路兩大類，前者是一個簡單的霍爾片，使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。型號Vcc/V線性范圍/mT

工作溫度/℃靈敏度S/mV/mT

靜態(tài)輸出電壓Vo/Vmintyp

maxmintyp

maxUGN35018～12±100－20～＋853.57.0－UGN35034.5～6±90－20～＋857.513.530.05

霍爾元件

它的霍爾電壓發(fā)生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成。使用時在電路背面放置一塊永久磁體，當用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉過時，一對霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)差分