一、作用及其組成

§6.1檢測技術(shù)概述

檢測系統(tǒng)技術(shù)是機電一體化系統(tǒng)的一個重要組成部分，將機電一體化系統(tǒng)自身的、作業(yè)對象的、作業(yè)環(huán)境的工作狀態(tài)參數(shù)進行檢測，并將檢測到的狀態(tài)參數(shù)從物理變化量變?yōu)殡娦盘?，提供給信息處理及控制系統(tǒng)，以有效的控制機電一體化系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的動作。機電一體化一體化系統(tǒng)檢測系統(tǒng)實質(zhì)：非電量

電量顯示檢測系統(tǒng)組成原理如下圖：§6.1檢測技術(shù)概述傳感器的作用：用于檢測各種物理量（如位移、速度、角度、力、力矩壓力、溫度等），并轉(zhuǎn)化為電量信號（如電壓、電流、電容、電感）輸出；信號處理電路的作用：將傳感器輸出的電量變成具有一定功率的電壓、電流或頻率信號，以推動后級的顯示電路、數(shù)據(jù)處理電路等；數(shù)據(jù)處理裝置：用來對測量結(jié)果處理、計算、分析，數(shù)據(jù)處理信號通常送到執(zhí)行機構(gòu)或顯示器中去，以控制被控對象及顯示處理的各種數(shù)據(jù)。非電量傳感器信號處理電路顯示器數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行機構(gòu)電量U0(I0,f)二、檢測系統(tǒng)的傳感器

§6.1檢測技術(shù)概述

傳感器的功能及分類傳感器（sensor）也叫變換器(transducer)、換能器、探測器,其輸出的信號有不同的形式：電壓、電流、頻率、脈沖等，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示、控制等要求。兩個功能：敏感作用（被測對象信號拾?。┳儞Q作用（被測非電量電量輸出）分類按輸出信號性質(zhì)分§6.1檢測技術(shù)概述

傳感器的功能及分類

按工作原理不同分物理型傳感器：利用一些材料物理特性變化（如集成傳感器），有潛力結(jié)構(gòu)型傳感器：利用彈性片、金屬片、電容電感等結(jié)構(gòu)元件（如一般的電阻、電容、電感傳感器）

傳感器的選用傳感器千差萬別，測量同一種測定量，可以采用不同工作原理的傳感器，注意以下幾個方面：

測量條件

傳感器的性能測量的目的；測定量的選定；測量的范圍；輸入信號的帶寬；要求的精度；測量所需時間等§6.1檢測技術(shù)概述

傳感器的使用條件精度；響應(yīng)速度；穩(wěn)定性；模擬還是數(shù)字信號；輸出量及電平；被測對象特征的影響；校準周期；過載輸入保護等放置的場所；環(huán)境（溫度、濕度、振動）；測量的時間（壽命周期）；傳輸距離；與設(shè)備連接方式；供電電源；價格三、模擬式和數(shù)字式傳感器檢測系統(tǒng)

模擬式檢測系統(tǒng)電阻、電容、電感、壓電、磁電、熱電式等傳感器輸出模擬信號，其檢測系統(tǒng)如圖示：§6.1檢測技術(shù)概述

數(shù)字式檢測系統(tǒng)光柵、磁柵、光電編碼器、激光干涉儀等傳感器輸出增量碼信號，信號變化的周期與被測位移成正比的信號，其檢測系統(tǒng)如圖示：傳感器量程變換放大器解調(diào)器濾波器運算電路A/D計算機

顯示、執(zhí)行機構(gòu)

振蕩器用于對傳感器信號“調(diào)制”，以提高輸出信號的抗干擾能力；并對“解調(diào)”提供參考信號，“解調(diào)”是使信號恢復(fù)原有形式。有的傳感器可不進行調(diào)制與解調(diào)，直接阻抗匹配、放大、濾波等。振蕩器§6.1檢測技術(shù)概述傳感器放大器整形電路細分電路變換電路計數(shù)器計算機顯示執(zhí)行機構(gòu)辨向電路

傳感器輸出多為正弦波信號，經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號，進入計數(shù)器、計算機，為提高分辨率，采取細分電路；辮向電路辨別方向以便正確進行加法或減法記數(shù)；脈沖信號所對應(yīng)的被測來年感不便于讀出和處理時，需進行脈沖當量變換電路。三、模擬式和數(shù)字式檢測系統(tǒng)比較§6.1檢測技術(shù)概述模擬式系統(tǒng)：精度低、易受干擾影響、不便于長距離傳輸、有A/D轉(zhuǎn)換，成本高數(shù)字式系統(tǒng)：分辨率高、抗干擾強、易于長距離傳輸、易于計算機控制、應(yīng)用廣泛）§6.2位移和速度檢測裝置

在機電一體化系統(tǒng)中位移和速度檢測裝置使用非常廣泛，下面主要介紹這兩類檢測傳感器一、光電編碼器光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光攔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a、b、z，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出如圖所示的6項A、B、Z

和取反信號。

工作原理常用的脈沖編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)有：2000p/r，2500p/r，3000p/r，高分辨率的脈沖編碼器20000p/r，25000p/r，30000p/r。輸出信號的作用及其處理A、B

兩相的作用:

細分處理、角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向

Z相的作用

周向定位基準、圈數(shù)

、、Z

的作用

利用A、等差分輸入消除遠距離傳輸?shù)墓材８蓴_§6.2位移和速度檢測裝置§6.2位移和速度檢測裝置光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1—光源，2—透鏡，3—指示光柵，4—光電元件，5—驅(qū)動電路，6—標尺光柵二、光柵光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)§6.2位移和速度檢測裝置

光柵分類按檢測位移性質(zhì)長光柵圓光柵按光源照射方法透射光柵反射光柵透射光柵優(yōu)點：1）光源垂直入射，信號幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器（光柵讀數(shù)頭）的結(jié)構(gòu)簡單；2）光柵每毫米的線紋數(shù)多，減輕了電子線路的負擔(dān)。缺點：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與機床金屬部件不一致，影響測量精度。透射光柵尺的長度一般都在1～2m，常見的線紋密度為每毫米4、10、25、50、100、200、250線。反射光柵優(yōu)點：光柵和機床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，可用鋼帶做成長達數(shù)米的長光柵。安裝面積小，調(diào)整方便，適應(yīng)于大位移測量場所。缺點：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜過多，常用線紋數(shù)為4、10、25、40、50。按制造光柵材料玻璃光柵金屬光柵§6.2位移和速度檢測裝置莫爾條紋節(jié)距W與光柵節(jié)距ω和傾角θ之間的關(guān)系：由于θ很小，因此光柵橫向移動一個節(jié)距ω，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距W，用光電元件檢測莫爾條紋信號的變化就可以測量光柵的位移。光柵尺橫向莫爾條紋及其參數(shù)

光柵原理（莫爾條紋）§6.2位移和速度檢測裝置放大作用；使柵距的節(jié)距誤差平均化；根據(jù)莫爾條紋的移動方向可以辨別光柵的移動方向莫爾條紋的特點：細莫爾條紋干涉原理是由光線通過線紋衍射后產(chǎn)生的干涉結(jié)果

，平面的光波照射到掃描

板上，通過衍射分成1，0，-1光波，它們在相位柵標尺上被衍射，光強的大部分反射在1，和-1衍射級次中。這些光波在掃描掩膜光柵上再次相遇，重新衍射和干涉，此時，主要生成2個序列波，它們以不同的角度離開掃描掩膜。光電元件將這些光強轉(zhuǎn)變成電信號。§6.2位移和速度檢測裝置1—轉(zhuǎn)子軸，2—外殼，3—分解器定子，4—分解器定子繞組，5—變壓器一次線圈，6—變壓器轉(zhuǎn)子，7—分解器轉(zhuǎn)子繞組，8—分解器轉(zhuǎn)子，9—變壓器二次線圈，10—定子線軸三、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖§6.2位移和速度檢測裝置

旋轉(zhuǎn)變壓器原理

分解器繞組的結(jié)構(gòu)保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁通呈正、余弦規(guī)律分布。防止氣隙磁通畸變加上相互垂直的繞組，因此，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ機呈正弦規(guī)律變化。即：或其中，Us

，Uc

為定子正弦、余弦繞組上的激磁電壓，k為變壓比?！?.2位移和速度檢測裝置旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

鑒相方式

在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組上分別加上幅值相等、頻率相同的正弦、余弦激磁電壓，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，兩個激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓線性疊加得總感應(yīng)電壓為：因此，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ機

。

鑒幅方式給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同的激磁電壓，

則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為不斷修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角θ電，使之跟蹤θ機的變化，并測量感應(yīng)電壓幅值即可求得機械角位移θ機

?！?.2位移和速度檢測裝置1．激光的特點

高單色性激光的譜線寬度很窄,比普通光源提高了幾萬倍，是最好的單色光源。

高平行度激光是向特定方向發(fā)射的,它的發(fā)散角很小,已達到幾分,甚至可小到1秒。高亮度激光的光能高度集中,亮度特別高，一臺紅寶石激光束的亮度比太陽表面亮度亮

200億倍。高相干性相干性是相干光波在疊加區(qū)產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)，可用時間相干性和空間相干性來描述。時間相干性是指光源在不同時刻發(fā)出的光束的相干性，激光的相干長度可達幾十公里,比普通光源提高了幾十萬倍?？臻g相干性是指同一時間內(nèi)由光源不同部位發(fā)出的光波的相干性,激光在任何傳播方向上都具有良好的空間相干性。四、激光測量系統(tǒng)

§6.2位移和速度檢測裝置2.激光干涉儀原理（1）邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)

邁克爾遜干涉儀由四個光學(xué)元件（兩塊平板玻璃P1P2和兩塊平面反射鏡M1M2）和一個精密的移動機構(gòu)組成。M1v§6.2位移和速度檢測裝置（2）邁克爾遜干涉儀的測量原理

由光源S來的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。根據(jù)平面鏡成像的性質(zhì)，光線S2在MM2之間的光路可以用它在M中的虛像M2’

來代替。這樣，M2’位于參考鏡M1的附近。M1和M2’構(gòu)成一“虛平板”，中間為空氣介質(zhì)，虛平板的厚度為h,在觀察系統(tǒng)中看到的干涉圖樣就是由虛平板所產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。兩相干光束之間的光程差為2h，當2h=Kλ，即h=1/2λ時，觀察屏P上的光的強度最大，呈亮條紋。當h=（2K+1）λ/4時，觀察屏P上的光強度為零，出現(xiàn)暗條紋。在邁克爾遜干涉儀中，M2是固定的，而M1則是由精密絲杠帶動可以平移。改變M1和M2’之間的距離h，也即改變S1和S2的光程差。當光程差發(fā)生變化時，觀察屏上的干涉條紋將明暗交替變化。M1每平移λ/2距離，干涉條紋則移動一個條紋間隔，明亮變化一次。因此，只要對條紋計數(shù)，便可以測得M1的距離?！?.2位移和速度檢測裝置（3）邁克爾遜干涉儀的改進

圖示邁克爾遜干涉儀使用的光源是白光，而激光干涉儀采用激光作光源。這樣，干涉一般不需要補償板P2，另外，采用光電元件計數(shù)，光電元件將光強的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。設(shè)動鏡M1的起始位置出現(xiàn)暗條紋，M1位移X后，光強既非最強，亦非最弱，則表明X既不是λ/2的整數(shù)倍，也不是λ/4的整數(shù)倍。經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換出的電壓UX可寫為：UX=UMsin[2πX/(λ/2)]此式描述一正弦波，將此正弦波整形為方波，送入計數(shù)器即可讀出條紋的明亮變化次數(shù)k。

§6.2位移和速度檢測裝置3.雙頻激光干涉儀

雙頻激光干涉儀是同一激光器發(fā)出的光分成頻率不同的兩束光產(chǎn)生干涉。得到的是按頻率變化的交流調(diào)頻信號，信噪比高，可實現(xiàn)高分辨率測量。單頻激光儀得到的是直流調(diào)幅信號，有直流漂移的干擾問題。因此雙頻激光測量受環(huán)境干擾(氣壓、溫度、濕度)影響要比單頻激光測量時小得多，測量精度高。雙頻激光干涉儀的工作原理§6.2位移和速度檢測裝置工作原理有負載時輸出電壓：n—測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速，Ce—與電機極對數(shù)和電樞繞組有關(guān)的系數(shù)，

0—電樞磁通，Ra—電樞回路總電阻，Rz—測速發(fā)電機負載電阻。五、測速發(fā)電機1、直流測速發(fā)電機§6.2位移和速度檢測裝置直流測速發(fā)電機的輸出特性盡管對于不同負載電阻，測速發(fā)電機的輸出特性不同。在理想狀態(tài)下，直流發(fā)電機的輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。

輸出特性§6.2位移和速度檢測裝置2、交流異步測速