第四章智能數(shù)據(jù)感測系統(tǒng)Chapter4IntelligentDataSensingSystem

第四章智能數(shù)據(jù)感測系統(tǒng)Chapter4IntelligentDataSensingSystem第一節(jié)

概述第二節(jié)位置與速度檢測單元第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元第四節(jié)智能機床傳感器的接入及機床內(nèi)部數(shù)據(jù)訪問基礎Keypoints：

第一節(jié)概述Chapter4IntelligentDataSensingSystem檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。作用檢測位置、速度、狀態(tài)，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)，對數(shù)控機床進行監(jiān)控。

要求工作可靠，抗干擾能力強，滿足精度、分辨率、測量范圍。使用維修方便、成本低。性能指標

系統(tǒng)精度：是指在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測量積累誤差的最大值，如±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等。

系統(tǒng)分辨率：是測量元件所能正確檢測的最小位移量，如目前直線位移的分辨率為0.5μm～10μm，角位移分辨率為2"。第一節(jié)概述Chapter4IntelligentDataSensingSystem

檢測裝置的分類按檢測信號分：數(shù)字式、模擬式按測量基準分：增量式、絕對式按安裝位置關系分：直接測量、間接測量常見的檢測裝置Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元一、編碼器一種旋轉(zhuǎn)式的檢測角位移的傳感器。將角位移用數(shù)字(脈沖)形式表示，故稱脈沖編碼器。廣泛應用于NC機床的位置檢測，也常用它作為速度檢測元件。

1、編碼器分類按碼盤信號的讀取方式可分為：光電式、接觸式和電磁式以光電式的精度和可靠性最好（NC機床常用光電式編碼器）按測量坐標系又可分為：增量式和絕對式按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)分為：高分辨率

20000-30000p/r

普通分辨率2000-3000p/rChapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元2.增量式光電脈沖編碼器

（1）組成由光源、聚光鏡、光電盤、光欄板、光敏元件(光電管)、整形放大電路和數(shù)字顯示裝置等組成。1一轉(zhuǎn)軸

2－LED3一光欄板

4—零標志槽

5一光敏元件

6一碼盤

7—印制電路板

8一電源及信號線連接Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（2）工作原理光電盤安裝在被測軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動。光電盤轉(zhuǎn)動時，光電元件把通過光電盤和光欄板射過來的忽明忽暗的光信號(近似于正弦信號)轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號，通過計算脈沖的數(shù)目，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)角，并通過數(shù)顯裝置進行顯示。通過測定計數(shù)脈沖的頻率，即可測出工作軸的轉(zhuǎn)速。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（3）脈沖編碼器的辨向

光欄板上兩條狹縫中的信號A和B(相位差90°)，通過整形，成為兩相方波信號。根據(jù)先后順序，即可判斷光電盤的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，對應電動機正轉(zhuǎn)；若B相超前A相，對應電動機反轉(zhuǎn)。若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生計數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移和反向位移的脈沖序列。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（4）提高光電脈沖編碼器分辨率的方法提高光電盤圓周的等分狹縫的密度，實際上是使光電盤的狹縫變成了圓光柵線紋。增加光電盤的發(fā)信碼道，使盤上不僅只有一圈透光狹縫，而且有若干大小不等的同心圓環(huán)狹縫(稱為碼道)，光電盤回轉(zhuǎn)一周發(fā)出的脈沖信號數(shù)增多，使分辨率提高。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元3.絕對式光

電脈沖編碼器

（1）結(jié)構(gòu)絕對式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)與增量式相似，就是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，稱為絕對碼盤。絕對式脈沖編碼器是通過讀取編碼盤上的代碼(圖案)來表示軸的位置。當n=4，α=360°/24=22.5°Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（3）工作原理光源經(jīng)過柱面鏡，變成一束平行光照射在碼盤上，通過碼盤經(jīng)狹縫形成一束很窄的光束照射在光電元件上，光電元件的排列與碼道一一對應，亮區(qū)輸出為“1”，暗區(qū)輸出為“0”，再經(jīng)信息處理電路，進行放大、整形、鎖存與譯碼，輸出自然二進制代碼，從而實現(xiàn)了角度的絕對值測量。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（4）應用

在實際應用過程中，用絕對脈沖編碼器來檢測軸的位置和速度時，當編碼器旋轉(zhuǎn)超過一周時，讀出準確數(shù)值的解決方法：

在旋轉(zhuǎn)軸上安裝多個碼盤，其中一些盤是專門用來計量所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N，而另一部分碼盤是用來檢測一圈以內(nèi)的度數(shù)θ。之后將兩個碼盤所檢測的進行(N×360°+θ)的疊加。

在軟件設計時，設置一個專門的計數(shù)器，并規(guī)定碼盤上的一個專門的代碼為“零”代碼，當碼盤轉(zhuǎn)過“零”代碼時，計數(shù)器的值就被自動加一，這樣也可以實現(xiàn)既測圈數(shù)又測度數(shù)的目的。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元光柵屬于光學元件，是一種高精度的位移傳感器。

1.光柵的種類透射光柵反射光柵物理光柵計量光柵圓光柵直線光柵二、光柵尺Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元2.直線透射光柵（1）組成Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（2）直線透射光柵的工作原理由于擋光效應，在與線紋幾乎垂直方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾條紋”。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元莫爾條紋的特點

放大作用

莫爾條紋紋距B

與光柵節(jié)距w和傾角θ之間的關系：

光柵橫向移動一個節(jié)距w

，莫爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距B，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。例：當

w=0.01mm，θ=0.01rad，則B=1mm，將柵距放大100倍的莫爾條紋寬度。由于θ很小，因此

22sin/qw=BqwμBChapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元

均化誤差作用

莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，柵距之間的相鄰誤差被均化。短光柵的工作長度愈長，這一均化誤差的作用愈顯著。

莫爾條紋的移動與柵距移動的對應關系Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元兩光柵相對移動時，條紋走向取決于

的方向。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（3）辨向

為了辨別運動方向，需配置兩個彼此錯開1/4紋距的光電元件，使輸出電信號彼此在相位上差90°，若以其中的一個作為參考信號，則另一個信號將超前或滯后參考信號90°，由此來確定運動方向。（4）倍頻

倍頻又稱為細分，倍頻數(shù)就是指在莫爾條紋一個周期的范圍內(nèi)，等距離安裝的感光元件的數(shù)目，從而在一個周期內(nèi)產(chǎn)生若干個脈沖，達到細分的目的。提高倍頻數(shù)可以提高光柵的最小讀數(shù)值，提高分辨率，精密機床的測量常采用高倍頻。例：柵距

w=0.01mm，十倍頻后，最小讀數(shù)值1mm.Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元（5）特點優(yōu)點：

1）精度高測直線：精度0.5-3mm，

分辨率0.1mm2）易實現(xiàn)動態(tài)測量和自動化測量

3）較強的抗干擾能力缺點：

1）對環(huán)境要求高，怕振動，怕油污

2）高精度光柵制作成本高目前多用于精密定位的數(shù)控機床，數(shù)顯機床中也應用較多。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元旋轉(zhuǎn)

變壓器是一種角度測量裝置。1．旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)上和兩相繞線式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的一次繞組轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的二次繞組。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，分為：有刷式無刷式三、旋轉(zhuǎn)變壓器Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元1—殼體2—轉(zhuǎn)子軸3—轉(zhuǎn)變壓器定子4—旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子5—變壓器定子

6—變壓器轉(zhuǎn)子

7—變壓器一次繞組8—變壓器二次繞組

Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元

根據(jù)互感原理，定子繞組加上勵磁電壓，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電功勢。輸出感應電功勢大小與轉(zhuǎn)子位置有關，就是通過測量被測軸的轉(zhuǎn)角來間接測量工作臺的位移。2．旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元3．旋轉(zhuǎn)變壓器的應用結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便．輸出信號幅度大，抗干擾能力強，工作可靠，廣泛應用于數(shù)控機床上。應用：特點：實際使用中采用的是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩組匝數(shù)相等、互相垂直的繞組構(gòu)成。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元

感應同步器是旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來，也是一種電磁感應式的位移檢測裝置。1.感應同步器的結(jié)構(gòu)圓型感應同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測量角位移；直線型感應同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成，用于測量直線位移。四、感應同步器Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元四、感應同步器2.直線感應同步器的結(jié)構(gòu)

利用兩個平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙約為(0.25±0.05)mm；

作相對平行移動，根據(jù)交變磁場和互感原理而工作。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元W2片寬a2間隔b2定尺為連續(xù)繞組，節(jié)距W2＝2(a2＋b2)，其中a2為導電片寬，b2為片間間隙，定尺節(jié)距即為檢測周期W，常取W＝2mm?；邽榉侄卫@組，分為正弦和余弦繞組兩部分,兩繞組的節(jié)距都為W1＝2(a1＋b1)，其中a1為導電片寬，b1為片間間隙，一般取W1＝W2或W1＝W2/3。2＇121＇L1W1a1b1Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元

滑尺上有正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置上相差1/4節(jié)距，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同。若滑尺繞組加勵磁電壓，則由于電磁感應而在定尺繞組上產(chǎn)生感應電壓，其大小取決于滑尺與定尺的相對位置。3.直線感應同步器的工作原理根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元W

可以看出：滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應電勢變化了一個周期。若勵磁電壓u＝Umsinωt，那么在定尺繞組產(chǎn)生的感應電勢e為

e＝kUmcosθcosωtChapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元式中Um—勵磁電壓幅值(V)；

ω—勵磁電壓角頻率(rad/s)；

k—比例常數(shù)，其值與繞組間最大互感系數(shù)有關；

θ—滑尺相對定尺在空間的相位角。在一個節(jié)距W內(nèi)，位移x與θ的關系應為:

θ＝2πx/W

感應同步器就是利用感應電勢的變化，來檢測在一個節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對式測量。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元

滑尺上的正弦、余弦勵磁繞組提供同頻率、同幅值、相位差90°的交流電壓，即

Vs＝UmsinωtVc＝UmcosωtVs和Vc單獨勵磁，在定尺繞組上感應電勢分別為

es＝kUmcosθcosωtec＝－kUmcos(θ＋

π/2)sinωt

＝kUmsinθsinωt4.感應同步器輸出信號的處理方式

（1）鑒相方式根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應電勢e為

e＝es＋ec＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt

＝kUmcos(ωt－θ)

＝kUmcos(ωt－2πx/W)

根據(jù)上式，通過鑒別定尺輸出的感應電勢的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位置。感應同步器的鑒相方式用在相位比較伺服系統(tǒng)中。例：感應電勢與勵磁電壓相位差θ=1.8°，節(jié)距W=2mm，由θ=2πx/W可知，x=0.01mmChapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元滑尺的正弦、余弦繞組勵磁電壓為同頻率、同相位，但不同幅值，即

Vs＝UmsinθdsinωtVc＝Umcosθdsinωt式中

θd—勵磁電壓的給定相位角。

分別勵磁時，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應電勢分別為

es＝kUmsinθdcosθcosωtec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt

＝－kUmcosθdsinθcosωt

（2）鑒幅方式

根據(jù)定尺輸出的感應電勢的振幅變化來檢測位移量。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應電勢為

e＝es＋ec

＝kUm(sinθdcosθ－cosθdsinθ)cosωt

＝kUmsin(θd

－θ)cosωt

＝kUmsin(θd－2πx/W)cosωtChapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元設初始狀態(tài)θd＝θ，則e＝0。當滑尺相對定尺有一位移，使θ變?yōu)棣龋う?，則感應電勢增量為

Δe≈kUmΔxcosωt式中Δθ=2πΔx/W

由此可知，在Δx較小的情況下，Δe與Δx成正比，也就是鑒別Δe幅值，即可測Δx大小。

當Δx較大時，通過改變θd，使θd＝θ，使Δe＝0，根據(jù)θd可以確定θ，從而確定位移量Δx。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第二節(jié)位置與速度檢測單元4.感應同步器的特點

精度高輸出的電壓是許多對極感應電壓的平均值

適用性強電磁感應，不怕油污和灰塵，不易受干擾可用于長距離測量可多根定尺接長使用壽命長，維護簡單工藝性好，成本低應用廣泛

Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元機床狀態(tài)的監(jiān)控是故障診斷系統(tǒng)的關鍵。電氣系統(tǒng)故障

機械結(jié)構(gòu)故障

輔助系統(tǒng)故障常見的故障：常用的采集信號：位置信號

速度信號

壓力信號溫度信號

振動信號Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元接觸式測溫—

利用熱平衡原理，測溫敏感元件接觸被測物體，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)，具有同一溫度。利用熱輻射原理，敏感元件不必與被測物體接觸。

非接觸式測溫—

特點：測溫方法簡單、可靠，測溫精度高，但因與被測體表面接觸并吸收其一部分溫度，故會破壞被測物體表面溫度場，且響應速度較慢。

特點：不會破壞被測體表面溫度場，且響應速度較快，但測溫誤差較大。一、溫度傳感器Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元1.金屬熱電阻工作原理

利用金屬材料的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)，即熱電阻效應來測量溫度。金屬導體的電阻隨溫度上升而增加，具有正的電阻溫度系數(shù)。Rt、R0—分別為t、t0時的電阻

—電阻溫度系數(shù)，與材料有關靈敏度Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元常用熱電阻材料特性Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元2.半導體熱敏電阻的溫度特性半導體熱敏電阻有三種類型：正電阻溫度系數(shù)（PTC）型經(jīng)常用于各種溫度補償負電阻溫度系數(shù)（NTC）型用于溫度測量臨界溫度（CTR）型作為溫度開關，直接用于控制Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

1）半導體熱敏電阻的工作原理

熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的溫度敏感元件。用于溫度測量的半導體熱敏電阻具有負的電阻溫度系數(shù)電阻與溫度關系：RT，RT0—溫度為T和T0時的電阻值；

B—材料的特征常數(shù)（與材料和制造工藝有關）。電阻溫度系數(shù)：Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元2）熱敏電阻測量的特點優(yōu)點：靈敏度高，可測0.001~0.005℃的微小溫度變化；體積小、熱慣性小、響應時間很短；測溫范圍：-200~+1000℃，并且在-50~+350℃范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性缺點：非線性大、對環(huán)境溫度敏感性大，測量時易受到干擾。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元3、熱電偶工作原理

兩種不同材料的導體A、B串接成一閉合回路，如果兩接合點溫度不同，在回路中就有電流產(chǎn)生，這種因溫度不同產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象就是熱電效應，這兩種不同導體的組合就稱為熱電偶。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元熱電偶閉合回路的總電勢

對于金屬A、B組成的熱電偶回路，當溫度T>T0，nA>nB時，回路的總電勢EAB(T，T0)如下：Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元測量電路熱電偶二線測量電路

PT100二線制電橋法測量Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元采用溫度傳感器對數(shù)控機床主軸進行熱誤差補償Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元二、壓力傳感器將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件上，使物理量的變化變成應變片的應變或應力變化，從而變成電阻值變化。1、氣體、液體壓力傳感器Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元1）應變效應根據(jù)歐姆定律：

軸向應變電阻率相對變化Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元泊松比Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元2）壓阻效應處理電路：橋式電路Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元電橋平衡條件為：

R1R4=R2R3一般取

R1=R2=R3=R4=R當R

R

R

時，U0相應變化

Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元1、氣體、液體壓力傳感器1）壓阻式壓力傳感器原理

壓阻式壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應的不平衡輸出，由此可將液體、氣體的壓力轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號。其結(jié)構(gòu)如圖所示,原理如下。壓力傳感器可對工件夾緊力進行測量Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)1-引線2-硅環(huán)3-高壓腔4-低壓腔5-硅膜片a）恒壓源供電b）

恒流源供

恒壓源與恒流源供電的比較Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元處理電路

壓阻式壓力傳感器信號處理放大電路

Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

（1）高轉(zhuǎn)速拉壓力傳感器2、固體和固體之間的壓力傳感器

1）

力傳感器動力卡盤的輸入推拉力傳感器由測力桿5和旋轉(zhuǎn)應變信號耦合器兩部分組成。拉桿中部的外表面上貼有應變片9，應變片接成惠斯登全橋，整個拉桿作為測力桿使用。轉(zhuǎn)子4與回轉(zhuǎn)液壓缸的活塞桿7連接，定子與回轉(zhuǎn)液壓缸的回油罩連接，轉(zhuǎn)子4通過兩個高速滾動軸承3與定子連接，旋轉(zhuǎn)變壓耦合器的初級線圈與次級線圈之間有0.5mm左右的環(huán)形縫隙，旋轉(zhuǎn)變壓耦合器利用該環(huán)形縫隙實現(xiàn)非接觸式無線供電和無線信號傳輸。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

（2）高轉(zhuǎn)速拉壓力傳感器電氣原理2、固體和固體之間的壓力傳感器

1）

力傳感器直流電源經(jīng)DC/AC電源模塊轉(zhuǎn)換為交流電源，供給能源輸入旋轉(zhuǎn)變壓耦合器的初級線圈1b，能源輸入旋轉(zhuǎn)變壓耦合器的次級線圈1a輸出的交流電源經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓模塊后給應變電橋和轉(zhuǎn)子上的信號預處理電路供電，應變電橋的輸出信號經(jīng)過平衡補償、放大器放大后經(jīng)電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊再轉(zhuǎn)換為頻率信號向信號輸出旋轉(zhuǎn)變壓耦合器的初級線圈2a傳輸，信號輸出旋轉(zhuǎn)變壓耦合器的次級線圈2b輸出的頻率信號經(jīng)信號后處理電路放大、濾波、整形模塊為方波頻率信號，再經(jīng)頻率電壓或頻率電流模塊轉(zhuǎn)換為標準的電壓信號或電流信號。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元2、固體和固體之間的壓力傳感器

1）

力傳感器德國ISPI智能主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)1-非接觸式電流傳感器（軸向位移）2-測力環(huán)（軸向預緊力、切削力）3-感性式軸向位移測量4-應變片徑向力5-軸承內(nèi)圈非接觸式溫度測量6-壓電作動器+預緊彈簧7-軸承內(nèi)外圈溫度測量從圖中可以看出，有測力環(huán)測試軸向預緊力、切削力；有應變片，測試徑向力等。這些傳感器信息的融合，形成主軸抑振所需的信息。瑞士希菲爾公司(Fischer)提供面向主軸單元智能化的整套軟、硬件解決方案，可以對主軸的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，預測軸承的剩余使用壽命等。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元2、固體和固體之間的壓力傳感器

2）

扭矩傳感器A、接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器

接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的原理為:傳動軸由于受扭產(chǎn)生機械應變，引起貼在軸上的應變計變形，使其電阻值發(fā)生改變，從而導致應變電橋失衡，輸出與扭矩成正比的微弱電壓信號，根據(jù)材料力學中應變和扭矩的關系，得到相應扭矩大小。這里信號的傳輸采用接觸式的導電滑環(huán)和刷臂，下圖為接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測量的原理圖。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元2、固體和固體之間的壓力傳感器

2）

扭矩傳感器C、頻率信號無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器頻率信號無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器與數(shù)字信號無線傳輸型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器電源的供電方式相同，都采用無接觸耦合的電磁感應供電方式，主要區(qū)別是此類傳感器傳遞的并非純數(shù)字信號，而是通過非接觸耦合的電磁感應來傳遞頻率信號，較好地解決了旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下扭矩數(shù)值(轉(zhuǎn)矩)的測量。其結(jié)構(gòu)原理框圖如右圖所示。扭矩傳感器原理圖1-輸入能源耦合器;2-應變橋;3-放大器;4-V/F變換器;5-輸出信號耦合器;6-信號輸出電路Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

壓電式傳感器是利用壓電效應把受力的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化信號。壓電式傳感器是典型的發(fā)電式傳感器，也就是能量轉(zhuǎn)換型的。壓電轉(zhuǎn)換元件是一種力敏感元件，可測量各種動態(tài)力、機械沖擊和振動等，廣泛應用于聲學、力學、醫(yī)學和宇航領域。三、振動傳感器主軸振動測試Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

用于測量振動的傳感器主要是加速度傳感器。加速度傳感器是由彈簧、阻尼器及慣性質(zhì)量塊組成的單自由振蕩系統(tǒng)。加速度傳感器結(jié)構(gòu)

加速度傳感器實物圖1-殼體2-彈簧3-質(zhì)量塊4-壓電晶片5-輸出端Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

1、分類

Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

1、分類

在工作原理方面，振動傳感器的類型主要包括電阻類、電感電容壓電類、霍爾效應類和磁電類，其測量內(nèi)容及變換原理如表所示。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

2、壓電加速度傳感器

1）壓電式振動傳感器的測試原理

壓電式振動傳感器的測試原理：介質(zhì)在沿一定方向上施加機械壓力而產(chǎn)生變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時其表面產(chǎn)生電荷，當外力去除以后，材料內(nèi)部的電場和表面電荷也隨之消失，這種特性稱為壓電效應。壓電式振動傳感器就是利用這一特性，把基體感受到的機械振動轉(zhuǎn)化為電能量輸出。

2）典型壓電式振動傳感器的基本構(gòu)造壓電式振動傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電晶體被壓緊在質(zhì)量塊和基體之間，當加速度傳感器感受振動時，質(zhì)量塊施加一個振動力于壓電晶體上，壓電晶體中產(chǎn)生可變電動勢。通過適當?shù)脑O計，可以保證在一定的頻率范圍內(nèi)輸入加速度和輸出電勢成比例。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元

Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元3）壓電振動傳感器的特性B.靈敏度

加速度計的靈敏度定義為電輸出和機械輸出之比。從傳感器結(jié)構(gòu)可知，靈敏度是有方向性的，由于傳感器的制造誤差，其最大靈敏度方向和幾何軸不一致，最大靈敏度矢量可分解成軸向靈敏度和橫向靈敏度兩部分。真正代表壓電式振動傳感器靈敏度的是電荷靈敏度。它不受傳感器內(nèi)部電容變化和電纜長短的影響，只取決于壓電材料的壓電常數(shù)。4）壓電式加速度傳感器電路原理A.前置放大器壓電加速度傳感器可以將加速度轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的變化量。由于傳感器產(chǎn)生的電荷信號較小，容易受到噪聲干擾，需要前置放大器進行放大處理。前置放大器有電壓放大器與電荷放大器兩種。Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元A)電壓放大器壓電傳感器的電壓放大器電路如圖所示。運放左邊為壓電加速度傳感器的電壓等效電路。壓電傳感器配電壓放大器的等效電路Chapter4IntelligentDataSensingSystem第三節(jié)數(shù)控機床狀態(tài)感測單元B)電荷放大器電荷放大器電路如圖所示