第三章傳感器檢測及其接口電路3.1概述3.2位移測量傳感器3.3

傳感器檢測技術(shù)位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。

作用:檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，構(gòu)成半閉環(huán)、閉環(huán)控制。

3.1概述傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。

作用:檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，構(gòu)成閉環(huán)、半閉環(huán)控制。

根據(jù)檢測對象的不同可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。

用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。a.內(nèi)部傳感器傳感器在機器人中的應(yīng)用b.外部傳感器

具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。

用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。機器人的感覺多傳感器在移動機器人中的應(yīng)用外界環(huán)境視覺１視覺２超聲波傳感器紅外接近覺立體視覺地標識別障礙探測目標物探測景物識別內(nèi)部傳感器融合力覺觸覺環(huán)境模型定位避障操作規(guī)劃學習路徑規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃：執(zhí)行機構(gòu)控制指令感覺功能3.1概述一、定義及分類：1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機電一體化的第一基礎(chǔ)”2、分類：1)、按被測物理量的性質(zhì)分;位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等等；2)、按工作機理分；電阻式、電感式、電容式、光電式；3)、按照輸出信號的性質(zhì)分類；可分為開關(guān)型(二值型)、數(shù)字型和模擬型.

計數(shù)型（二值型+計數(shù)型）電壓，電流型（熱電偶,光電電池,壓電元件）電感，電容型（可變電容）有接點型(微動開關(guān)，接觸開關(guān)，行程開關(guān))

傳感器電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）二值型無接點型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（光電編碼器，磁尺）2、分類二、傳感器的基本特性1.傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。(1).線性度傳感器的線性度是指傳感器實際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即二、傳感器的基本特性(2).靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標準條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨校敵觥斎胩匦郧€不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示

二、傳感器的基本特性(4).重復性傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復測量時，所得輸出——輸入曲線的不一致程度，稱重復性。重復性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表示，即近似計算二、傳感器的基本特性5.分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。6.零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。3.2位移檢測傳感器

位移測量是直線位移測量和角位移測量的總稱，位移測量在機電一體化領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，這不僅因為在各種機電一體化產(chǎn)品戶常需位移測量，而且還因為速度、加速度力、壓力、扭矩等參數(shù)的測量都是以位移測量位移為基礎(chǔ)的。直線位移傳感器主要有：電感傳感器、差動變壓器傳感器、電容傳感器、感應(yīng)同步器和光柵,磁柵傳感器。角位移傳感器主要有：電容傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼盤等。3.2.1光柵傳感器

一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)

計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。

光柵用于數(shù)控機床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。其分辨率高達納米級,測量速度高達480m/min,測量行程高達100m.它是數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置。尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護罩的內(nèi)部為長光柵掃描頭光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）標尺光柵（長光柵）

指示光柵（短光柵）光柵的構(gòu)造：反射式光柵金屬反射光柵

鋼尺、鋼帶照相腐蝕、鉆石刀刻劃熱膨脹系數(shù)與機床一致，安裝調(diào)整方便，易接長，不易碎透射式光柵玻璃透射光柵

光源可垂直入射，信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡單;

刻線密度大100條/mm,細分后，分辨率達微米級;

易碎，熱膨脹系數(shù)與機床不一致，影響測量精度.透射式圓光柵固定莫爾條紋的光學放大作用

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。

光柵的刻線寬度W莫爾條紋的寬度LL≈W/θ

，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

Pθ標尺光柵圖莫爾條紋

通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

亮度電壓光柵位移O光柵位移

光柵的實際亮度變化光柵的輸出波形圖光柵輸出信號（電壓正弦波）細分點余弦信號正弦信號零位信號辨向電路及波形

如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，無法分辨位移的方向。

例：某1024p/r圓光柵，正轉(zhuǎn)10圈，反轉(zhuǎn)4圈，若不采取辨向措施，則計數(shù)器將錯誤地得到14336個脈沖，而正確值為：(10－4)×1024＝6144個脈沖。提高光柵分辨精度的措施

1）提高刻線精度和增加刻線密度有限

2）倍頻常用四倍頻方案光柵刻線密度為50線／mm，采用4個光電元件和4個隙縫，每隔1／4光柵節(jié)距產(chǎn)生一個脈沖，分辨精度可提高四倍。

將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表編碼器是將機械傳動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字信號，進行角位移檢測的傳感器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式及光電式等。光電編碼器根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。3.2.2光電編碼器（脈沖編碼器）光電編碼器的特點?非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；?允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高；光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強；?體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境；結(jié)構(gòu)復雜，價格高，光源壽命短；?碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。光電編碼器外形（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）其他光電編碼器外形（續(xù)）

拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。1、增量式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理

轉(zhuǎn)軸盤碼及狹縫光敏元件光柵板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標志ABC

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光珊板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈后續(xù)電路可利用A、A

兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠距離傳輸?shù)墓材８蓴_。

?輸出信號的作用及其處理

A、B兩相的作用√根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；√根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；√根據(jù)A、B兩相的相位超前、滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向?！毯罄m(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進行細分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。ABCP90O

Z相的作用

√被測軸的周向定位基準信號；√被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈增量式碼盤的規(guī)格及分辨率

增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù),

即脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（PPR）；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)

到10萬線

/轉(zhuǎn)

都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。

分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：

增量式編碼器的特點

編碼器每轉(zhuǎn)動一個預(yù)先設(shè)定的角度將輸出一個脈沖信號，通過統(tǒng)計脈沖信號的數(shù)量來計算旋轉(zhuǎn)的角度，因此編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)是相對的,因此旋轉(zhuǎn)角度的起始位可以任意設(shè)定.

增量式編碼器的缺點

由于采用相對編碼，因此,若因停電、刀具破損而停機，事故排除后不能找到事故前執(zhí)行部件的正確位置,掉電后旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)會丟失需要重新復位;有可能產(chǎn)生計數(shù)錯誤（由于噪聲或其它外界干擾）

ConnecttheshieldintheSubDontheencoder用屏蔽的D型接口連接編碼器ConnecttheshieldtothePGfittingoftheencoder編碼器用屏蔽的PG接口連接Connecttheshieldtotheelectronicsshieldclampoftheinverter在變換器的電路板上用線卡連接旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝

配線時應(yīng)采用屏蔽電纜,避免在強電磁波環(huán)境中使用長距離傳輸時，應(yīng)考慮信號衰減因素，選用具備輸出阻抗低，抗干擾能力強的型號ConnecttheshieldtothePGfittingoftheencoder編碼器用屏蔽的PG接口連接編碼器在定位加工中的應(yīng)用1—增量式編碼器

2—電動機

3—轉(zhuǎn)軸

4—轉(zhuǎn)盤

5—工件

6—刀具

設(shè)該增量式光電編碼器的參數(shù)為1024p/r，大、小皮帶輪的傳動比為5，若希望當加工好元件1后緊接著加工元件8，則電動機轉(zhuǎn)動了多少分之幾圈？應(yīng)等待編碼器給出多少脈沖數(shù)時，電動機停轉(zhuǎn)？編碼器在伺服電機中的應(yīng)用

利用編碼器測量伺服電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運行參數(shù)。轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）

M法是測量單位時間內(nèi)的脈數(shù)換算成頻率，因存在測量時間內(nèi)首尾的半個脈沖問題，可能會有2個脈的誤差。速度較低時，因測量時間內(nèi)的脈沖數(shù)變少，誤差所占的比例會變大，所以M法宜測量高速。如要降低測量的速度下限，可以提高編碼器線數(shù)或加大測量的單位時間，使用一次采集的脈沖數(shù)盡可能多。

T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T時間段內(nèi)有m1

個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m1例題T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時間內(nèi)測得65536個脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m1T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）

T法是測量兩個脈沖之間的時間換算成周期，從而得到頻率。因存在半個時間單位的問題，可能會有1個時間單位的誤差。速度較高時，測得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以T法宜測量低速。時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2

，則轉(zhuǎn)速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

T法測速舉例時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

M/T法測速

同時測量檢測時間和此時間內(nèi)的脈沖數(shù)來確定被測轉(zhuǎn)速。用規(guī)定時間間隔Tg以后的第一個測速脈沖去終止脈沖計數(shù)器，由計數(shù)器示數(shù)m2來確定檢測時間T。

注意，上中的60fc/P項是常數(shù)，在檢測時間T內(nèi)，分別計取測速脈沖ftach和時鐘脈沖fc的脈沖個數(shù)m1和m2，即可計算出電機轉(zhuǎn)速值。計取Tg時間內(nèi)的測速脈沖ftach的個數(shù)相當于M法，而計取T時間內(nèi)參考時鐘脈沖fc的個數(shù)m2相當于T法，所以該測速方法兼有M法和T法的優(yōu)點，在高速和低速段均可獲得較高分辯能力。.絕對式編碼器

碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；

對應(yīng)每圈都有光電傳感器；

輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；

檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120?絕對編碼盤的編碼方式

及特點

二進制編碼：√特點：編碼循序與位置循序相一致，但傳輸、讀數(shù)的錯碼率高。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120

格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120格雷碼的絕對編碼器的分度盤絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率

規(guī)格絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從4道到18道

都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。

分辨率（分辨角）α設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格n道：

其它位移檢測傳感器感應(yīng)同步器磁柵位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器激光干涉測量電子尺感應(yīng)同步器例：已知某工作臺采用直流電機絲杠螺母機構(gòu)驅(qū)動，已知工作臺行程250mm，絲杠導程l＝4mm，齒輪減速比為i=