角度与角位移测量传感器课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Xian Jiaotong University,*,单击此处编辑母版标题样式,*,实用传感器技术教程,2024/10/2,1,光电编码器,1.2,第,5,章 角度与角位移测量传感器,感应同步器,5.1,5.2,自整角机,5.4,角度与角位移测量传感器性能比较,5.5,旋转变压器,1.2,5.3,2024/10/2,2,角位移测量技术是几何量测量技术的一个重要组成部分，在国民经济和国防建设中具有广泛的应用和重要的作用。如：飞机、舰船、火箭、飞船常用惯性导航仪表来保证航行方向角的准确性；弹道式导弹的发射需要掌握发射点和落点的方位角；火炮以对其垂直角和水平角的控制，保证命中目标。,2024/10/2,3,5.1,感应同步器,感应同步器是一种电磁感应式多级位置传感器，它的工作原理是,利用两个平面形绕组的互感随位置不同而发生变化,。由于它的多级结构，能够在电与磁两方面对误差起到补偿作用，所以感应同步器具有很高的精度。由于测量对象的不同，感应同步器根据它不同的运动方式，可以分为圆感应同步器和长感应同步器。圆感应同步器用于检测角度和角位移，长感应同步器用来检测直线位移。,2024/10/2,4,5.1.1,感应同步器结构与工作原理,1.,感应同步器结构,旋转式感应同步器,和,直线式感应同步器,在结构上都由两部分构成，即,固定部分和运动部分,。旋转式感应同步器构成部分称为,定子和转子,，直线式感应同步器称为,定尺和滑尺。,2024/10/2,5,如图,5-1,所示，它由定尺和滑尺组成。定尺为连续绕组，定尺两相邻导片间的间距称为节距，用字母,表示，二倍节距称为一个周期。因此，对于电角度来说，,相当于,180,。滑尺是分段绕组，两段绕组分别为正弦绕组,u,s,，余弦绕组,u,c,，正弦绕组和余弦绕组之间错开,90,相角，即相差,1/4,周期。,5.1.1,感应同步器结构与工作原理,2024/10/2,6,5.1.1,感应同步器结构与工作原理,2.,感应同步器工作原理,感应同步器的工作原理是基于电磁感应现象，当激磁绕组用一定频率的正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁 通，感应绕组与这个交变磁通耦合，便产生同频率的交变电势。这个电势的幅值与激磁频率、耦合长度、激磁电流、两绕组间隙、两绕组的相对位置等多因素有关。,2024/10/2,7,定尺绕组中感应电势的变化,2024/10/2,8,3.,电气参数及特点,（,1,）精度,精度是根据基本误差的大小确定的。感应同步器的基本误差包括,零位误差,和,电气误差,两种。由于感应同步器是线性感应元件，它的磁路和电路都不会饱和，因此，无论是连续绕组励磁，还是分段绕组励滋，其误差部是一样。,按照误差产生的原因来说，可分成三大类：,原理性误差、工艺性误差和条件性误差,。,原理性误差是由于设计的不完善而固有的，例如谐波磁场和谐波磁动势的存在而产生的误差。工艺性误差是由于工艺不完善、产生的几何尺寸精度不够导致的误差，例如刻线不准，表面不平、不均匀等等。条件性误差是由于测试或运行时外界条件不当而引起的。,2024/10/2,9,3.,电气参数及特点,（,2,）阻抗,图,5-3,（,a,）所示 为感应同步器的等效电路。由于感应同步器磁路基板的磁导率很低，几乎和空气的磁导率一样，整个磁路的磁导率很小，因此在通常的激磁信号频率,f,2,10kHz,的频率范围内，绕组的感抗远小于电阻，大约感抗只有电阻的,2,。这样，初级励磁电压绝大部分都落在电阻上，用来产生电动势的仅是很小的一部分。因而，初级励磁电流与次级电流近乎同相，而次级输出电动势和初级励磁电压的相位移角度几乎相差,90,。感应同步器中各向量之间的关系如图,5-3,（,b,）所示。,2024/10/2,10,3.,电气参数及特点,图,5-3,感应同步器向量图,可见，感应同步器的阻抗主要是电阻，阻抗的绝对值也很小，一般在几欧姆到几十欧姆。对于感应同步器，只需要测量两个阻抗：定子开路阻抗,Zs,和转子开路阻抗,Zr,实际上，感应同步器的运行相当于开路状态。,2024/10/2,11,3.,电气参数及特点,（,3,）励磁电压,感应同步器的励磁电压一般都较低，大约为零点几伏至几伏。因为绕组导体截面很小，励磁电流一般为,0.1,0.5A,。励磁电源频率一般为,2,10kHz,。,（,4,）输出电压,由于感应同步器转子和定子之间的气隙很大，初、次级两边的耦合相当松。通常以输出最大电压,U2m,和电压传送比,VTR,表征输出电压的大小。由于感应同步器转子和定子之间的耦合较松，所以最大输出电压,U2m,通常在几毫伏到十几毫伏之间。感应同步器在规定间隙条件下，激磁电压的基波分量与最大空载输出地基波分量之比称为电压传送比。它变化范围很大，通常在几十到几百之间。,2024/10/2,12,3.,电气参数及特点,（,5,）零位及零位电压,感应同步器的零位,定义,为：两相绕组单相激磁，连续绕组输出，或者连续绕组激磁，两相绕组输出时，其输出电压的基波同相分量为零时，两相绕组和连续绕组之间的相对位置。感应同步器处于零位时的输出电压称为零位电压。,2024/10/2,13,5.1.2,感应同步器信号处理,对感应同步器的信号处理，根据工作要求和精度的不同有鉴相型、鉴幅型、幅相型等。下面介绍鉴相型和鉴幅型两种方法。,1.,鉴相型,鉴相型是根据感应电势的相位来鉴别位移量。,如果在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别供给频率相同，相位相差,90,的交流励磁电压，即,（,5-1,）,（,5-2,）,2024/10/2,14,5.1.2,感应同步器信号处理,式中，,Um,为励磁电压峰值。,两个励磁电压在定尺绕组上感应出电势分别为,（,5-3,）,（,5-4,）,式中，,W,为二倍节距；,x,为定尺与滑尺相对位移。,2024/10/2,15,5.1.2,感应同步器信号处理,叠加后，在定尺绕组上总的感应电势为,（,5-5,）,式中，,x,=2,x,/,W,称为感应电势的相位角，它在一个周期内与定尺和滑尺的相对位移,x,有一一对应关系。,由此可见，,通过鉴别感应电势的相位，可以测出定尺与滑尺之间的相对位移。,2024/10/2,16,5.1.2,感应同步器信号处理,2.,鉴幅型,如果滑尺上正弦绕组和余弦绕组供以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别信号位移量，称为,鉴幅型,。,当加到滑尺绕组的励磁电压为,（,5-6,）,（,5-7,）,2024/10/2,17,5.1.2,感应同步器信号处理,它们在定尺绕组上感应电势为,（,5-8,）,（,5-9,）,定尺绕组上总的感应电势为,（,5-10,）,2024/10/2,18,5.1.2,感应同步器信号处理,利用函数变压器使励磁电压幅值为,（,5-11,）,（,5-12,）,式中，,d,为励磁电压的电相角，则感应电势可写成,（,5-13,）,可见，感应同步器定尺绕组上感应电势与定尺和滑尺间的相对位移角,x,与励磁电压角之差相关联。,2024/10/2,19,5.1.2,感应同步器信号处理,设在原始状态时，,d,x,。当位移增量,x,较小时，其感应电势增量为,（,5-14,）,上式说明，位移增量,x,较小时，感应电势增量,e,与,x,成正比。通过鉴别,e,即可测出,x,的大小。,2024/10/2,20,5.1.3,感应同步器应用,图,5-4,测试台水平倾角位置控制系统,2024/10/2,21,5.1.3,感应同步器应用,图,5-5,旋转式感应同步器及其数显系统原理,2024/10/2,22,5.2,光电编码器,光电编码器作为一种高精度的角度测量的传感器，它是集光、机、电、精密技术与一体的高技术结晶。通过光电转换，可将传输给轴的机械量、旋转位移等参量转换成相应的电脉冲或数字量输出。它具有体积小、重量轻、功能全、频率高、分辨率高、可靠性好、耗能低、坚固耐用等特点。目前，作为传感元件它已经广泛应用于天文望远镜、军事雷达、定向陀螺仪、机器人及精密转台等系统中。,2024/10/2,23,5.2.1,光电编码器原理与分类,图,5-6,光电编码器结构原理,2024/10/2,24,5.2.1,光电编码器原理与分类,1.,增量型光电编码器,增量型编码器在码盘转动时，通过对狭缝遮挡和透过光产生的光脉冲计数来测量码盘转动的角度。通常，增量型编码器的码盘另外增加一个码道用于产生定位或零位信号，通过零位信号及码道输出的脉冲数就可以判断码盘当前的位置。,增量型编码器的分辨率以码盘上光栅的线数或每转脉冲数（,CPR,）表示，即码盘每旋转一周，光电检测器产生的计数脉冲数。,2024/10/2,25,5.2.1,光电编码器原理与分类,2.,绝对型光电编码器,图,5-7,绝对编码器码盘,2024/10/2,26,5.2.2,光电编码器主要参数,光电编码器主要技术参数如下,（,1,）输出脉冲数,/,转,编码器的轴旋转一圈所输出的脉冲数。,（,2,）最高频率响应,在,1,秒内能响应的最大脉冲数。,（,3,）最高转速,可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲能够被响应。,2024/10/2,27,5.2.2,光电编码器主要参数,（,4,）信号输出方式,1,）电压输出,由共射级晶体管电路输出，其输出电压随输出电流变化有所变化。,2,）集电极开路输出,直接从晶体管的集电极输出，使用时需要外加电源。,3,）推挽输出,当输出信号“,1”,时，上端晶体管导通，下端晶体管截止；当输出信号“,0”,时，上端晶体管截止，下端晶体管导通。推挽输出方式能够增加输出驱动能力，可以增加信号的传输距离。,2024/10/2,28,5.2.2,光电编码器主要参数,4,）线驱动输出,按照,RS-422A,标准的数据传送电路，可使用双绞线电缆进行长距离传送。,（,5,）轴允许负荷,表示可加在轴上的最大负荷，有径向负荷和轴向负荷两种。径向负荷对于轴来说是垂直方向的受力，与偏心、偏角等有关。轴向负荷对于轴来说是水平方向的受力，与推、拉轴的力有关。这两个力的大小，影响轴的机械寿命。,2024/10/2,29,5.2.3,光电编码器应用,图,5-8 Z,电机旋转一周的相位分解图,图,5-9,电脑绣花机控制信号产生电路,2024/10/2,30,5.3,旋转变压器,5.3.1,旋转变压器基本原理,1.,正余弦旋转变压器,2024/10/2,31,5.3,旋转变压器,图,5-11,正余弦旋转变压器的原理结构,2024/10/2,32,5.3.2,旋转变压器信号处理,把旋转变压器输出的这两相载有位置信息的电压变换成为可识别的角度数据的操作，称为,轴角变换,，也叫作,位模转换,。旋转变压器输出的是两相调幅的正弦波，其中能够描述角度信息的物理量是幅值和相位。依据检测信息形式的不同，把旋转变压器输出信号的处理方式分成,鉴相,和,鉴幅,两种类型。,2024/10/2,33,5.3.2,旋转变压器信号处理,1.,鉴相式,鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器定子绕组中感应电势的相位来确定转子角度的检测方式。这种测角方式是在旋转变压器的正余弦输出端接入一个相移相加器，将正弦或余弦输出信号中的一路相移,/2,的电角度，再和剩余的另一路相加，对相加后的函数进行检测得到转子的磁极位置。,2024/10/2,34,5.3.2,旋转变压器信号处理,2024/10/2,35,5.3.2,旋转变压器信号处理,2.,鉴幅式,图,5-14,鉴幅式工作方式原理框图,2024/10/2,36,5.3.2,旋转变压器信号处理,3.,旋转变压器数字信号转换器（,RDC,）,为了方便与计算机接口的需要，经常通过旋转变压器数字转换器将旋转变压器输出的含有轴角量的模拟信号转换成数字信号。,AD2S80A,是,AD,公司生产的专用的旋转变压器,-,数字转换芯片，一方面，它能够提供高精度的数字信号输出，供计算机系统使用，另外它还有模拟速度输出信号，可供用户作为速度反馈信号使用。它是一种特殊的模数转换器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。它具有精度高、分辨率可变、单片高度集成等优点，可用于自整角机、旋转变压器、感应同步器的数字转换。,2024/10/2,37,5.3.3,旋转变压器应用,1.,旋转变压器应用于数字炮控伺服系统,图,5-21,数字炮控伺服系统的半自动工作模式的原理框图,2024/10/2,38,5.3.3,旋转变压器应用,2.,基于旋转变压器反馈的运动控制器,2024/10/2,39,5.4,自整角机,自整角机是一种将转角变换成电压信号，或将电压信号变换成转角，通过两个或两个以上的组合使用，以实现角度的传输、变换和接收。在现代技术领域的各个部门中，自整角机广泛应用于自动控制等方面。由包括自整角机在内所组成的同步联接系统，是以电信号为联系，使远距离的两根或多根机械转轴能够精确地保持相同的转角变化，或者同步旋转，实现角度位置的远距离传输、变换和指示。,2024/10/2,40,5.4.1,自整角机工作原理,1.,结构与原理,自整角机一般采用三相绕组方式，基本结构包括一个转子和一个或者三个能够旋转的定子线圈绕组。一个基本的自整角机控制发送器结构如图,5-23,所示。三个定子绕组,a,、,b,和,c,是结构完全相同的三组绕组，沿定子内圆均匀分布，空间互查,120,，成,Y,型排列。定子绕组又称为三相对称整步绕组。转子绕组通常通过集电环和电刷从,Rl,和,R2,端引出。,图,5-23,自整角机控制发送器结构,2024/10/2,41,5.4.1,自整角机工作原理,2.,工作方式,自整角机根据运行方式不同，分为力矩式自整角机和控制式自整角机。力矩式自整角机可以远距离传输角度信号，主要用于自动指示系统；控制式自整角机主要用于随动系,统，作为检测元件，将转角信号转换为电压信号。,2024/10/2,42,5.4.1,自整角机工作原理,（,1,）力矩式自整角机,在力矩式自整角机系统中，接收方机械轴角位置的跟随转动是由自整角机自身产生的力矩实现的，见图,5-24,。,发送方的自整角机称作力矩式自整角发送机，而接收方的自整角机称作力矩式自整角接收机。发送机和接收机的原端为单相绕组，由交流电源供电激磁，负端为三相绕组，端点依次互相联接。当发送机转子偏转某一角度时，其定子绕组输出一个相应的电压，使接收机的转子沿同一方向偏转同一角度。当发送机的转子以某一速度旋转时，接收机的转子也以同一速度跟随旋转，使两者的转轴协调动作，这种同步联接系统通常用来进行远距离的信号传输和指示。如远距离指示液面高度、阀门开度、电梯、矿井提升高度等。,2024/10/2,43,5.4.1,自整角机工作原理,图,5-24,力矩式整角机结构原理,2024/10/2,44,5.4.1,自整角机工作原理,图,5-25,为利用力矩式整角机指示液面位置的示意图，浮子随液面上升或下降，通过绳索带动自整角发送机转子转动，自整角接收机的转子便会带动指针随之转动，准确指出液面高低。,由于这一系统中的自整角机最后是以所输出的力矩带动负载工作的，故称为力矩式自整角机。但它的力矩是有限的，只适于接收机轴上负载很轻，而且角度传输精度要求又不太高的控制系统中。力矩式自整角系统为开环控制系统。,2024/10/2,45,5.4.1,自整角机工作原理,图,5-25,力矩式整角机指示液面位置示意图,2024/10/2,46,5.4.1,自整角机工作原理,（,2,）控制式自整角机,在控制式自整角机系统中，接收方的机械轴角位置的跟随转动是由接于系统中的伺服电动机驱动来实现的。图,5-26,所示为控制式自整角机的原理图。,图,5-26,控制式自整角机的结构原理,2024/10/2,47,5.4.2,自整角机主要参数,1.,力矩式自整角机的主要参数,（,1,）接收误差,由于摩擦力矩以及发送机存在的电气误差等因素，接收机不能与发送机完全同步，两者之间的角差称为接收误差。接收误差是分为静态误差和动态误差两种。静态误差是指发送机缓慢移动，并固定在某一位置上，此时，接收机与发送机转子之间的转角差。动态误差是指发送机以某一速度旋转，接收机跟随发送机旋转，两者之间的角度之差。,2024/10/2,48,5.4.2,自整角机主要参数,（,2,）零位误差：,在力矩式自整角发送机中，当转子励磁后，发送机转子从基准电气零位开始，每转过,60,，总会有两根输出线之间的空载电压等于零，此位置称为理论电气零位。实际电气零位与理论电气零位存在着差异，两者之差称为力矩式自整角机的零位误差。用角分表示，习惯上以累积误差的形式表示，即取各点零位误差中正负最大误差绝对值之和的一半表示，它的大小决定发送机的精度。,2024/10/2,49,5.4.2,自整角机主要参数,（,3,）比整步转矩,它是指失调角为,1,时，自整角机轴上的整步转矩，比整步转矩的大小表征克服摩擦力矩和反应力矩的能力。比整步转矩是自整角接收机一项重要的性能指标，它直接影响力矩式自整角系统的灵敏度。,（,4,）阻尼时间,所谓阻尼时间，就是指强迫接收机转子失调,1772,，放松后，经过衰减振荡达到协调位置所需的时间。阻尼时间越短，表示接收机的跟随性越好。,2024/10/2,50,5.4.2,自整角机主要参数,2.,控制式自整角机的主要参数,（,1,）电气误差,当控制式自整角机在静态运行下到达新的协调位置，即输出电压等于剩余电压时，发送机转子转过的角度与自整角变压器转子所转过的角度之差称为电气误差或静态误差。以角分表示，其允许范围为,3,10,。它的大小直接影响系统的精度，控制式自整角机精度等级就是根据电气误差分类的。,（,2,）剩余电压,剩余电压也称零位误差。理论上，当接收机转子和发送机转子处在协调位置时，接收机的输出电压应等于零。但实际上输出电压不为零。当接收机和发送机处在协调位置时，输出绕组的端电压被称为剩余电压，它会降低系统的灵敏度。,2024/10/2,51,5.4.2,自整角机主要参数,（,3,）比电势,比电势是控制式自整角机在失调角为,1,时自整角变压器的空载输出电压，比电势是自整角变压器一项重要的性能指标，它直接影响系统的灵敏度。比电势越大，灵敏度越高。,（,4,）相位移,自整角机得相位移是在次级开路情况下，次级输出电压相对于初级励磁电压在时间上的相位差。相位移的大小主要与阻抗参数有关。励磁频率高、几何尺寸大的自整角机相位移相对较小。一般自整角机的相位移都在,10,以下。,2024/10/2,52,5.4.3,自整角机数字信号转换器（,SDC,）,ZSZ,系列转换器是国产的自整角机,-,数字转换器，它采用跟踪技术、模块化结构和二阶伺服原理设计。输入信号来自三线自整角机信号，输出信号是与,TTL,电平兼容的并行自然二进制码数字量，主要用于角度位移量的检测与控制。它与美国,AD,公司,SDC17,系列转换器兼容。,2024/10/2,53,5.4.3,自整角机数字信号转换器（,SDC,）,1.,结构与原理,图,5-27 ZSZ,系列转换器原理框图,2024/10/2,54,5.4.3,自整角机数字信号转换器（,SDC,）,2.,引脚功能,2024/10/2,55,5.4.3,自整角机数字信号转换器（,SDC,）,3.,连接方式,图,5-29,输入比例电阻连接方式,2024/10/2,56,5.4.3,自整角机数字信号转换器（,SDC,）,图,5-30 ZSZ,系列芯片的数字接口电路,2024/10/2,57,5.4.4,自整角机应用,1.,精密位置检测系统,利用一台自整角机和一个,SDC,模块可组成一个轴角编码装置，完成轴角的数字检测。如系统要求的静差很小，可选用由高精度等级的自整角机和输出位数更多的,SDC,模块组成的轴角编码装置。但有时无法满足设计要求，特别是在高精度角位置检测和数字式伺服随动系统中。为了使轴角编码装置的测量误差满足数字伺服系统静差的设计要求，可采用粗精两路通道的轴角编码装置，经粗精两路信号组合后得到更多位数的数字信号输出。,2024/10/2,58,5.4.4,自整角机应用,（,1,）系统构成及原理,2024/10/2,59,5.4.4,自整角机应用,（,2,）位置信号合成,2.,雷达方位角测量系统组成,方位角测量是大型雷达设备、各种导航系统以及一些控制系统感知自身状态的重要途径。因此，方位角测量系统的研究成为极为重要的课题。雷达测量精度是指雷达测量的目标参数估计值相对于目标真实参数值之间的准确程度。,2024/10/2,60,5.4.4,自整角机应用,图,5-32,雷达方位角测量系统,2024/10/2,61,5.5,角度与角位移测量传感器性能比较,传感器类型,测量范围,精度,线性度,分辨力,特点,滑线变阻式,0,360,1,F.S,0.1,0.36,3.6,结构简单，测量范围宽，输出信号大，抗干扰能力强，精度较高。分辨力有限，存在接触摩擦，动态响应差,自整角机,360,0.1,2,0.5,F.S,对环境要求低，有标准系列，使用方便，抗干扰能力强，性能稳定，可在,1200,转,/,分钟下工作。精度不高，线性范围较小,旋转变压器,360,2,5,小角度时,0.1,编码盘式,360,0.7,10,-3,分辨力高，精度高，易数字化，非接触测量，寿命长，功耗小，可靠性高。电路比较复杂,光栅式,360,0.5,0.1,精度高，易数字化，能动态测量，既可用于整圆测量，也可以用于非整圆测量。对环境要求较高,磁栅式,360,0.5,5,结构简单，易于数字化，录磁方便，成本低，需磁屏蔽,感应同步器,360,0.5,1,0.1,精度较高，易数字化，能动态测量，结构简单，对环境要求较低。电路较复杂,陀螺式,30,70,漂移率,2,/min,0.001,/h,2,能测量动坐标转角，机械陀螺精度低，采用新型结构和原理时,精度高，结构复杂，工艺要求高,2024/10/2,62,