机电一体化系统设计检测系统.ppt

机电一体化Mechatronics 第3章检测系统3 1概述3 2机电一体化中常用检测装置3 3基本转换电路3 4信号放大电路3 5信号的调制与解调3 6信号处理电路 明朝晚期著名思想家 哲学家吕坤 呻吟语 中警句 鉴不能自照 尺不能自度 权不能自称 囿于物也 圣人则自照自度自称 成其为鉴为尺为权 而后能妍媸 长短 轻重于下 什么是位置检测系统 组成 位移和速度信号 位置控制单元所要求的信号形式 位置控制单元 检测元件 传感器 信号处理装置 作用 由于机电一体化系统中有各种不同的物理量需要控制和监测 而计算机系统又只能识别电量 因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分 3 1 1传感器概念和定义人体对外界和周围环境的感觉或感知 是通过五官 皮肤等来完成的 感觉器官从外界获取信息 传输到大脑神经中枢进行信息处理和加工 然后根据信息处理的结果控制肌肉产生相应的动作 在机电一体化系统中 外界信息是通过传感器进行检查和测量 然后经过计算机处理 再控制执行装置完成动作任务 传感器是人类感觉器官的工程模拟 负责信息的收集和处理 什么是传感器 国家标准 传感器通用术语 中 对于传感器的定义作了如下规定 能感受 或响应 规定的被测量 并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成 检测则是检出和测量的总称 所谓检出就是要求指示某些量的存在 但无需给出量值的大小 而测量则要求给出待测量的具体值 检测可以看做是从外界获取信息 并从中提取有用信号的过程 传感器是实现检测和传感的物理器件 在机电一体化中 传感器的功能越强 系统地自动化程度越高 在机电一体化产品中 需要检测的物理量通常是力 位移 速度 加速度等 这些物理量需要经过传感器的变换 并经过放大 调制与解调 滤波和运算等处理 将有用的信号检测出来 反馈给控制装置或进行显示 能够实现上述功能的系统 称之为检测系统 检测系统框图 检测系统一般由传感器和信号加工两部分构成 即 1 把各种非电量信号转换为电信号 这就是传感器的功能 传感器又称为 一次仪表 2 对传感器送出的电信号进行加工 使之成为合乎需要的 便于输送或显示和记录的 可作进一步处理的信号 如将阻抗变换为电压或电流 将信号放大 调制与解调 阻抗变换 线形变换 线性化 以及将信号转换成数字编号信号等 这叫电信号处理系统 通常又称为 二次仪表 随着计算机技术的发展 电信号处理系统已成为以计算机为中心的电信号处理系统 由于检测系统由传感器和各若干变换环节组成 为了保证检测过程中能够不失真地把所需信息从信号源经过其载体信号传输到输出端 而不受干扰 因此对传感器和监测系统的基本要求如下 精度 灵敏度和分辨率高 能满足机电一体化系统对检测精度和速度的要求 能满足精度和速度的要求线性度 灵敏度稳定性和重复性好 工作可靠 静 动态特性好 测量范围大 高可靠性和高抗干扰性 其它特殊要求 体积小 重量轻 价格便宜 便于安装与维修 耐环境性好等 3 1 2传感器分类传感器常用的分类有3种 1 按被测物理量分类可分为位移传感器 速度传感器 力 压力 传感器 温度传感器 湿度传感器等等 而上述传感器又可根据派生物理量加以细分 如位移传感器可包括线位移传感器 角位移传感器等 按被测物理量的分类方法明确表明了传感器的用途 使用者可以选用 2 按传感器的工作原理分类可以将传感器分为电阻式 电感式 磁电式 压电式 电容式 气电式 陀螺式 谐振式和光电式等 例如 工程上常用的电阻式应变片 其工作原理是应变可使应变片的电阻发生变化 利用这一原理可以制成测量力 力矩 应变 位移等传感器 3 按传感器转换能量的方式分类1 能量转换型又称有源传感器 或发电型传感器 即在不加外电源情况下将非电功率转换为电功率输出 如电磁式 电动式 电压式等传感器 2 能量控制型又称无源传感器 或电参量型传感器 即不能将非电功率转换成电功率的传感器 这类传感器是以被测物理量对传感器中的电参数的控制和调节作用来实现测量的目的 所以 它必须有辅助的能源 电源 如电阻式 电感式 电容式等传感器均属此类 习惯上长把工作原理和用途结合起来命名传感器 如电感式位移传感器 压电式加速度传感器等 按国家标准 传感器的命名应由主题词加四级修饰语构成 主题词传感器 第一级修饰语被测量 包括修饰被测量的定语 第二级修饰语转换原理 一般可后续以 式 字 第三级修饰语特征描述 指必须强调的传感器结构 性能 材料特征 敏感元件及其他必要的性能特征 一般可后续以 型 字 第四级修饰语主要技术指标 量程 精确度 灵敏度等 以下例如 10mm应变式位移传感器 0 70kPa电位器式差压传感器 100 160dB电容式声压传感器 1 3500kPa放大 型 应变 计 式绝压传感器 20kg压电式加速度传感器等 3 1 3传感器的静态特性传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时 传感器的输入 输出关系称为传感器的静态特性 描述传感器静态特性的主要技术指标是 线性度 灵敏度 迟滞 重复性 分辨率和零漂 1 线性度传感器的静态特性是静态标准条件下 利用一定等级的标准设备 对传感器进行往复循环测试 得到输入 输出特性 列表或画曲线 通常希望这个特性曲线为线性的 这对标定和数据处理带来方便 但实际的输出与输入特性只能接近线性 对比理论直线有偏差 如下图所示 实际曲线与其两个尖端连线 理论直线 之间的偏差称为传感器的非线性误差 取其中最大值 max与输出满度值之比作为评价线性度 或非线性误差 的指标 式中 L 线性度 非线性误差 yFS 输出满度值 2 灵敏度传感器在静态标准条件下 输出变化对输入变化的比值称为灵敏度 用S0表示 即 对线性传感器来说 它的灵敏度S0是个常数 3 迟滞传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出输入特性曲线的不重合程度称迟滞 迟滞误差表达式为 式中 H为迟滞误差 Hm为输出值在正 反行程的最大差值 4 重复性传感器在同一条件下 被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时 所得输出 输入曲线的不一致程度称为重复性 重复性误差用满量程输出的百分数表示 即近似计算精确计算 式中为重复性误差 Rm为输出最大重复性误差 yi为第i次测量值 为测量值的算术平均值 n为测量次数 5 分辨力传感器能检测到的最小输入增量称为分辨力 在输入零点附近的分辨力称为阈值 6 零漂传感器在零输入状态下 输出值的变化称零漂 零漂可用相对误差表示 也可以用绝对误差表示 3 1 4传感器的动态特性传感器测量静态信号时 由于被测量不随时间变化 测量和记录过程不受时间限制 而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号 传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小 还要显示被测量随时间变化的规律 即被测量的波形 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示 动态特性是指传感器测量动态信号时输入对输出的响应特性 动态特性好的传感器 其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律 即它们具有同一个时间函数 但是 除理想情况外 实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数 由此引起动态误差 对传感器的进一步理解 一般的理解常用物理量 温度 压力 位移 振动广义的理解图像传感器 可见光 近远红外 激光等电磁波 雷达等 学会从系统的角度理解传感器及静动态性能 3 1 5测试技术的发展概况传感器方面1 结构型 传感器早期发展的传感器 是利用物理学场的定律 电场 磁场 力场等 所构成的 结构型 传感器 其基本特征 是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映待测量 力 位移等 的变化 2 物性型 传感器利用物质特性构成的传感器称为 物性型 传感器或 物性型 敏感元件 如常见的力敏 压敏 光敏 磁敏 声敏 湿敏 色敏 气敏 味敏 化学敏 射线敏等敏感元件 物性型传感器是传感技术的重要发展方向之一 新型光纤温度传感器 3 智能传感器多功能 集成化 智能化传感器是自动化过程控制系统中的重要一环 其主要支柱是微电子与计算机技术 传感器与微型计算机结合 产生了智能传感器 HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片 测试技术应用1 产品质量测量所有重要设备及设备零部件在出厂时都要进行质量检测 齿轮测量 汽车质量检测 2 设备运行状态监控系统在电力 冶金 石化 化工 交通等行业 关键设备工作状态的监控 电厂监控 石化行业 3 生活中家用电器 利用衣量传感器来检测洗衣时衣物量的多少 从而决定设定水位的高低 利用衣质传感器来检测衣物重量 织物种类 从而决定最优洗涤温度 洗涤时间 利用水温传感器来检测开机时的环境温度和注水结束时的水温 为模糊推论提供信息 利用传感器来检测水的硬度 进而决定添加洗衣粉的量以期达到最佳洗涤效果 利用光传感器来检测洗涤液的透光率 从而间接检测了洗净程度 利用传感器监测漂洗过程中的肥皂沫的变化决定漂洗的次数 4 其它领域应用 军事 航天 雷达系统 海洋军事探测系统 现代战争的电子对抗 飞机高度 速度 气象 遥感 第3章检测系统3 1概述3 2机电一体化中常用检测装置3 3基本转换电路3 4信号放大电路3 5信号的调制与解调3 6信号处理电路 常用位移测量传感器 电容传感器 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器 变极距型电容传感器 灵敏度 变极距型电容传感器 非线性误差 变面积型电容传感器 灵敏度 变面积型电容传感器 灵敏度 电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理 把被测位移量变化成线圈自感或互感变化的装置 电感式传感器 电感式传感器 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间 等间距分布的细小条纹 又称为刻线 称为光栅 光栅检测系统 一 光栅概述 光栅式测量的主要特点 高精度 大量程动态测量 自动测量及数字显示强抗干扰能力高测量速度 光栅的类型 物理光栅 计量光栅 利用光的衍射现象 常用于光谱分析和光波波长测定 主要是利用光的透射和反射现象 用于位移测量 按基体材料透射光栅透明玻璃片 透射型光栅特点 利用透射光反射光栅金属镜面 反射型光栅特点 利用反射光 计量光栅 长光栅 圆光栅 在基体材料上刻上平行条纹 检测直线位移 在基体材料上刻上向心条纹 检测角位移 注意 圆光栅只有透射光栅 计量光栅 按形状 长光栅 径向圆光栅 切向圆光栅 光栅结构 长光栅 a栅线的宽度 不透光 b栅线间宽 透光 a b W栅距 也称光栅常数 通常a b W 2或a b 1 1 0 9常用光栅每毫米25 50 100 125 250线条 圆光栅 栅距角110mm 600 1024条70mm 100 768条 实验系统 莫尔条纹 移动平台 光栅检测装置的组成 安装要求 1 标尺光栅平行于指示光栅 2 间隙保证 0 05mm或0 1mm 光栅读数头 作用位移 光 电转换器 组成光源透镜指示光栅光敏元件 问题 光敏元件的安装 二 光栅的工作原理 光栅是根据物理学莫尔条纹的形成原理进行工作的 莫尔条纹 莫尔 出于法文Moire 意思是水波纹 发现 几百年前法国丝绸工人 正式提出 1874年英国物理学家Rayleigh的论文 关于衍射光栅的制造和理论 莫尔条纹 莫尔条纹的形成原理莫尔条纹的特性为什么莫尔条纹可实现位移检测 原因 挡光积分效应原理 在光栅线纹较宽的时候 粗光栅 是挡光积分效应 当线纹很细的时候 细光栅 光线经过光栅造成的莫尔条纹是光线衍射后产生干涉的效果 莫尔条纹的形成 长光栅莫尔条纹 播放动画 播放中 圆弧莫尔条纹 单击准备演示 播放动画 环形莫尔条纹 播放动画 播放中 单击准备演示 单击准备演示 辐射形莫尔条纹 播放动画 莫尔条纹为什么可以用来实现位移测量 对于位移的检测 应包括三个方面 方向 大小 速度 莫尔条纹是如何反映这几方面的变化的 莫尔条纹和光栅尺移动的对应关系 大小 方向 速度 莫尔条纹的其他特性 1 当用平行光束照射光栅时 所形成莫尔条纹间的光强近似呈正弦或余弦分布2 放大作用3 误差平均效应 莫尔条纹间的光强分布 W B 1 2 s y 0 1 标尺光栅2 指示光栅B节距W栅距 B 条纹的节距 W 光栅的栅距 夹角B W tan W 如 W 0 01mm 0 001 则 B 10mm放大倍数为1000倍 特点 放大不需要复杂的光学系统 光栅的放大作用 光栅的误差平均作用 栅距能否绝对一样 不一样会有什么影响 答案 1 平均化了个别栅线的间距误差 消除了短周期误差 2 不能平均累积误差 即克服不了长周期误差 莫尔条纹的节距误差取决于光栅刻线的平均误差 三 莫尔条纹位移检测 莫尔条纹位移被测位移 对应关系 莫尔条纹是一个明暗相间的带 两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗 到渐亮 一直到最亮 又从最亮经渐亮到渐暗 再到最暗的渐变过程 主光栅移动一个栅距W 光强变化一个周期 光 电转换 通常在一个节距上均匀分布四个光敏元件 从每一个光敏元件上输出的都是正弦或余弦信号 四路信号相位差90度 A cos 2 w Vt B cos 2 w Vt 2 C cos 2 w Vt D cos 2 w Vt 3 2 电信号如何反映位移 1 每一路信号每变化一个周期 表示被测物体移动了一个光栅栅距 2 信号变化越快 被测物体则移动越快 其变化频率代表了工作台的移动速度 3 四路信号的超前滞后关系反映了工作台的移动方向 结论 被测物体速度 位移大小 方向的检测 电压频率 变化次数 相位的检测 感应同步器应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件 当在滑尺的两个绕组中分别加上激励电压时 则在定尺绕组中产生感应电势 其幅值决定绕组的相对位置 两种使用方式 相位工作方式和幅值工作方式 1 相位工作方式的原理当在滑尺的两个绕组中分别加上幅值相等 频率相同的正弦和余弦激励电压时 则在定尺绕组中产生感应电压 其中k为感应系数 为定尺与滑尺的相对位移 则在定尺绕组中合成电压为 通过检测U的相位可以测量定尺与滑尺的相对位移 若感应同步器的节距为W 则滑尺直线位移x和之间的关系为 2 幅值工作方式的原理当在滑尺的两个绕组中分别加上频率和相位相同而幅值不同的激励电压 为旋转变压器的电气角 可由伺服系统产生 则在定尺绕组中产生感应电压通过检测U的幅值可以测量定尺与滑尺的相对位移 精度高可用于长距离位移测量对环境的适应性较强使用寿命长 维护简单工艺性好 维护简单 感应同步器的特点 回转编码器 光电编码器 回转编码器是一种码盘式角度 数字检测元件 分绝对式编码器盘和增量式编码器两种 绝对式编码器能够直接给出对应每个转角位置的二进制数码 便于计算机处理 增量式编码器结构简单 价格低 精度易于保证 因此目前使用广泛 1 绝对式编码器6位绝对式编码器的码盘如图所示 码盘的圆周上刻有6条码道 代表6位二进制数码的26 64种连续取值 假定处在圆周最外围的码道代表数码的最低位 离圆心最近的码道代表码的最高位 码盘上的黑色部分作遮光处理 用来表示高电平 1 白色部分做透明处理 代表低电平 0 则从里到外各码道依次对应25 24 23 22 21 20 64个扇区分别对应二进制的000000 000001 111111 如果每个码道配置一个光电转换器 隔着码盘从后侧用光源照射 则光电转换器可读取代表圆盘位置的二进制数 此种编码盘的编码方式使码值不止一位变化 可能由各种不精确的因素而导致出现读数失误 并且无法验证 因此采用新的编码技术 如格雷码Gray CODE 编制码盘 可将错码限制在只有一位上 二进制和格雷码盘比较 非单值性系统误差 问题 1011 1111 非单值性误差解决方法 采用特殊代码 102 格雷码编码盘 特点 相邻两个编码间仅有一位是不同的 结果 允许非单值性误差的出现 但可将其控制在最小的范围内 4位二进码与格雷码的对照关系 绝对式编码器的码盘可以划分多个码道 检测角位移的分辨率与码道多少有关系 即 3600 2n n是码道数也是二进制码的位数 单个光电编码盘目前最多可做成20码道 对应的最小角度值为1 24 组合码盘可达到22位 检测精度较高 绝对式编码器采用光码盘的最大特点是非接触式的 因此它的使用寿命长 可靠性高 其精度和分辨率取决于光码盘的精度和分辨率 光电码盘的缺点是结构较为复杂 光源寿命短 2 增量式编码器又称脉冲式编码器增量式光电编码器是指随轴旋转的码盘给出一系列脉冲 然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数 以此来表示转过的角位移 108 角度 脉冲旋转式脉冲发生器 输出信号类型 有A相 B相 Z相三条光栅 A相 B相两者相差900 利用B相的上升沿触发器检测A相状态 以此判断旋转方向 Z相是原点信号 这时以A B两个光电变换器的输出信号在相位上相差900 近似正弦波 经逻辑电路处理后用来判断转轴的转动方向 利用增量式编码器还可以测量轴的转速 方法有两种 分别是应用测量脉冲的频率和周期的原理