传感器和信号处理 课件.ppt

第2章 传感器与信息处理 传感器的地位与作用 按照物理原理分类： 射线式传感器：热辐射式、γ射线式； 半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； 其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。 按照传感器的用途分类 ： 位移 速度 加速度 力和力矩传感器 视觉传感器 色彩传感器 光电传感器 其他传感器 按照传感器的用途分类 ： 检测系统的组成 传感器和检测系统的基本要求 传感器的组成 表2-1 人体五感与传感器（电五官） §2-2位移传感器 2.2.1电位器 电位器分直线型和旋转型。 电位器的工作原理是将直线位移、转角等机械量转换成电阻变化，当在电位器两固定端加上电源电压后，则在电位器电刷处就可得到电压的变化。 直线型电位器有滑线位移式和线绕位移式两种 其中滑线位移式电位器的结构原理如图所示 其中 是电阻丝的端电压。 当拉杆随待测物体往返运动时，电刷在电阻丝上亦往返滑动，并输出与位移量成正比的电压 。 直线型电位器结构简单、性能稳定。 缺点是分辨率不高，易磨损。 2.2.2感应同步器 感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移和角位移的传感器。 感应同步器分直线式和圆盘式两种。 分别用来测量直线位移和角位移。 图2-4和图2-5所示分别是直线感应同步器和圆盘式感应同步器的结构原理。 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器 其结构如图，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成 钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。 长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.25~0.05mm间隙。 感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距 滑尺和定尺的节距均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数。 标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。 感应电势的大小取决于定尺和滑尺的空间相位角 滑尺移动，感应电势下降，当两者刚好错开1/4节距时，到达b点，此时感应电势为0 滑尺继续前进，移动到1/2节距时的c位置，感应电势与a位置相同，极性相反。当到达3/4节距的d点，又回到0 到达e点刚好移动一个节距，情况与a相同。 滑尺移动一个节距，感应同步器变化一周，即2 。 当滑尺移动X时，感应电动势以 余弦变化，即 也就是说 和x有严格的对应关系。 感应同步器根据对滑尺绕组供电方式的不同以及对输出电压的检测方式不同 分为鉴相测量和鉴幅测量。 这两路信号都用它们与基准信号之间的相位差表示，且同频率、同周期。 因此，它们两者之间的相位差为δ′＝Δθ1′－Δθ2′。 鉴相器的作用就是鉴别出这两个信号的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。 如果相位差不为零，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作台移动的距离，鉴相器检测出的相位差，经放大后，送入速度控制单元，驱动电机带动工作台向减少误差的方向移动。若相位差为零，则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同，鉴相器输出电压为零，工作台停止移动。 鉴幅式系统的工作原理 进入比较器的信号有两路 一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。 另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。 感应同步器的特点 2.2.3 光栅 在高精度的位置检测系统中，大量使用光栅作为反馈元件。 光栅是利用莫尔条纹现象将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的精密测量装置 常见的光栅分为长光栅和圆光栅两种，分别用于测量直线位移和角位移。 光栅的精度比较高，可达 。 光栅根据制造方法和光学原理的不同分为以下两种： 透射光栅 在磨制的光学玻璃或玻璃表面感光材料的涂层上刻有光栅或纹，利用光的透射现象进行检测。 反射光栅 用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成，利用光的反射现象进行检测。 上式表明，莫尔条纹 的间距B只有光栅节距 W的1/θ倍。当很小时， 莫尔条纹的间距比光栅 节距W放大了很多倍。 例如，W=0.001mm，θ=0.01rad，莫尔条纹间距B=0.1mm。放大倍数为B/W=100。这表明光栅具有光学放大作用，可大大简化电子放大电路。 原理 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度 假定我们开辟一个小窗口来观察莫尔条纹的变化情况，就会发现它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期 理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。 硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。 每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。 增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度