數(shù)控機(jī)床中傳感器在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用.ppt

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第7章位移傳感器 7 1機(jī)械位移傳感器7 2光柵位移傳感器7 3磁柵位移傳感器7 4接近傳感器7 5轉(zhuǎn)速傳感器7 6多普勒傳感器7 7液位傳感器7 8流量及流速傳感器7 9實(shí)訓(xùn) 7 1機(jī)械位移傳感器 7 1機(jī)械位移傳感器機(jī)械位移傳感器是用來測量位移 距離 位置 尺寸 角度 角位移等幾何學(xué)量的一種傳感器 根據(jù)傳感器的信號輸出形式 可以分為模擬式和數(shù)字式兩大類 如圖6 1所示 機(jī)械傳感器根據(jù)被測物體的運(yùn)動形式可細(xì)分為線性位移傳感器和角位移傳感器 機(jī)械位移傳感器是應(yīng)用最多的傳感器之一 品種繁多 機(jī)械位移傳感器 數(shù)字式 模擬式 光柵式磁柵式 電位器式電阻應(yīng)變式電容式螺旋管電感式差動變壓器式渦流式光電式霍耳器件式微波式超聲波式 圖7 1機(jī)械位移傳感器的分類 7 1 1電位器式位移傳感器1 電位器的基本概念圖7 2是電位器的結(jié)構(gòu)圖 它由電阻體 電刷 轉(zhuǎn)軸 滑動臂 焊片等組成 電阻體的兩端和焊片A C相連 因此AC端的電阻值就是電阻體的總阻值 轉(zhuǎn)軸是和滑動臂相連的 在滑動臂的一端裝有電刷 它靠滑動臂的彈性壓在電阻體上并與之緊密接觸 滑動臂的另一端與焊片B相連 圖7 2電位器的一般結(jié)構(gòu) 圖7 3是電位器電路圖 電位器轉(zhuǎn)軸上的電刷將電阻體電阻R0分為R12和R23兩部分 輸出電壓為U12 改變電刷的接觸位置 電阻R12亦隨之改變 輸出電壓U12也隨之變化 常見用于傳感器的電位器有 線繞式電位器 合成膜電位器 金屬膜電位器 導(dǎo)電塑料電位器 導(dǎo)電玻璃釉電位器 光電電位器 圖7 3電位器電路 2 電位器的主要技術(shù)參數(shù) 1 最大阻值和最小阻值 指電位器阻值變化能達(dá)到的最大值和最小值 2 電阻值變化規(guī)律 指電位器阻值變化的規(guī)律 例如對數(shù)式 指數(shù)式 直線式等 3 線性電位器的線性度 指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差 4 滑動噪聲 指調(diào)電位器阻值時 滑動接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓的大小 7 1 2電容式位移傳感器電容式位移傳感器的形式很多 常使用變極距式電容傳感器和變面積式電容傳感器進(jìn)行位移的測量 1 變極距式電容傳感器圖7 4是空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器工作原理圖 一個電極板固定不動 稱為固定極板 極板的面積為 另一極板可左右移動 引起極板間距離d相應(yīng)變化 7 4變極距式電容傳感器工作原理圖 變極距式電容傳感器的初始電容C0可由下式表示 C0 0A d0 只要測出電容變化量 C 便可計(jì)算得到極板間距的變化量 即極板的位移量 d 除用變極距式電容傳感器測位移外 還可以用變面積式電容傳感器測角位移 7 1 3螺管式電感位移傳感器螺管式電感位移傳感器主要由螺管線圈和鐵芯組成 鐵芯插入線圈中并可來回移動 當(dāng)鐵芯發(fā)生位移時 將引起線圈電感的變化 線圈的電感量與鐵芯插入線圈的長度有如下的關(guān)系 鐵芯隨被測物體一起移動 導(dǎo)致線圈電感量發(fā)生變化 其檢測位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米 缺點(diǎn)是靈敏度低 7 1 4差動變壓器如圖7 6所示 初級線圈L1加交流勵磁電壓Uin 次級線圈上由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓 由于兩個次級線圈相反極性串接 所以兩個次級線圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反 當(dāng)鐵芯處于中心對稱位置時 則UOUT1 UOUT2 所以UOUT 0 當(dāng)鐵芯向兩端位移時 UOUT1大于或小于UOUT2 使UOUT不等于零 其值與鐵芯的位移成正比 圖7 6差動變壓器結(jié)構(gòu)原理圖 7 2光柵位移傳感器 7 2光柵位移傳感器7 2 1莫爾條紋由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)器件稱為光柵 如圖7 7所示 用玻璃制成的光柵稱為透射光柵 它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕 每條刻痕處是不透光的 而兩刻痕之間是透光的 光柵的刻痕密度一般為每厘米10 25 50 100線 刻痕之間的距離為柵距W 圖7 7光柵結(jié)構(gòu)放大圖 如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝 且讓它們的刻痕之間有較小的夾角 時 這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋 這種條紋稱莫爾條紋 如圖7 8所示 莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶 它由一系列四棱形圖案組成 如圖7 8中d d線區(qū)所示 圖7 8中f f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的 圖7 8莫爾條紋 莫爾條紋有兩個重要的特性 1 當(dāng)指示光柵不動 主光柵左右平移時 莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動 查看莫爾條紋的上下移動方向 即可確定主光柵左右移動方向 2 莫爾條紋有位移的放大作用 當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時 莫爾條紋移動一個條紋間距B 當(dāng)兩個等距光柵的柵間夾角 較小時 主光柵移動一個柵距W 莫爾條紋移動KW距離 K為莫爾條紋的放大系數(shù) 條紋間距與柵距的關(guān)系為 當(dāng) 角較小時 例如 30 則K 115 表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大 這樣 可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動 可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移 可以實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量 7 2 2光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖7 9所示 由主光柵 指示光柵 光源和光電器件等組成 主光柵和被測物體相連 它隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生移動 當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時 莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移 用光電器件記錄莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目 便可知主光柵移動的距離 也就測得了被測物體的位移量 圖7 9光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 7 2 3光柵位移傳感器的應(yīng)用光柵位移傳感器 測量精度高 分辨率為0 1 m 動態(tài)測量范圍廣 0 1000mm 可進(jìn)行無接觸測量 容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化 在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 特別是在量具 數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制 工作母機(jī)的坐標(biāo)測量等方面 7 3磁柵位移傳感器 7 3磁柵位移傳感器磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺 它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0 02mm厚的Ni Co P磁性薄膜 并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長 錄上磁性刻度線而構(gòu)成的 因此又把磁柵稱為磁尺 磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個個小磁鐵按NS SN NS 的狀態(tài)排列起來 如圖7 10所示 圖7 10磁柵的基本結(jié)構(gòu) 磁柵的種類可分為單型直線磁柵 同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等 磁柵主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測元件 磁柵和其它類型的位移傳感器相比 具有結(jié)構(gòu)簡單 使用方便 動態(tài)范圍大 1 20m 和磁信號可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵 磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7 11所示 它由磁尺 磁柵 磁頭和檢測電路組成 圖7 11磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)磁尺與磁頭之間產(chǎn)生相對位移時 磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組 在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓 該電壓隨磁尺磁場強(qiáng)度周期的變化而變化 從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出 圖7 12是磁信號與靜態(tài)磁頭輸出信號波形圖 磁頭輸出信號經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成電脈沖信號并以數(shù)字形式顯示出來 圖7 12磁信號與磁頭輸出信號波形圖 7 4接近傳感器 7 4接近傳感器接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件 利用位移傳感器對所接近的物體具有的敏感特性來識別物體的接近 并輸出相應(yīng)開關(guān)信號 通常又把接近傳感器稱為接近開關(guān) 常見的接近傳感器有電容式 渦流式 霍耳效應(yīng)式 光電式 熱釋電式 多卜勒式 電磁感應(yīng)式 微波式 超聲波式 7 4 1電容式接近傳感器電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān) 由高頻振蕩電路 檢波電路 放大電路 整形電路及輸出電路組成 如圖7 13所示 被測物體越靠近檢測電極 檢測電極上的電荷就越多 電容C隨之增大 使振蕩電路的振蕩減弱 直至停止振蕩 振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號向外輸出 圖7 13電容接近傳感器的電路框圖 7 4 2電感式接近傳感器由高頻振蕩電路 檢波電路 放大電路 整形電路及輸出電路組成 如圖7 14所示 檢測用敏感元件為檢測線圈 它是振蕩電路的一個組成部分 當(dāng)金屬物體接近檢測線圈時 金屬物體就會產(chǎn)生渦流而吸收振蕩能量 使振蕩減弱以至停振 振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號輸出 圖7 14電感式接近傳感器工作原理框圖 7 4 3熱釋電紅外傳感器接近電路當(dāng)一些晶體受熱時 在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷 這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象 稱為熱釋電效應(yīng) 能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體 又稱熱釋電元件 熱釋電紅外傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器 它用于防盜 報(bào)警 來客告之及非接觸開關(guān)等設(shè)備中 圖7 15為熱釋電紅外報(bào)警器電路 由熱釋電傳感器 濾波器 輸出轉(zhuǎn)換器 比較器 驅(qū)動器和報(bào)警電路組成 圖7 15熱釋電紅外報(bào)警器電路原理 7 5轉(zhuǎn)速傳感器 7 5轉(zhuǎn)速傳感器7 5 1磁電式轉(zhuǎn)速傳感器如圖7 16所示 由永久磁鐵 感應(yīng)線圈 磁盤等組成 在磁盤上加工有齒形凸起 磁盤裝在被測轉(zhuǎn)軸上 與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時 磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小的變化 從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化 感應(yīng)線圈會感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢 其頻率為 f Z n 根據(jù)測定的脈沖頻率 即可得知被測物體的轉(zhuǎn)速 如果磁電式轉(zhuǎn)速傳感器配接上數(shù)字電路 便可組成數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量儀 可直接讀出被測物體的轉(zhuǎn)速 當(dāng)被測轉(zhuǎn)速很低時 輸出脈沖電勢的幅值很小 以致無法測量出來 所以 這種傳感器不適合測量過低的轉(zhuǎn)速 其測量轉(zhuǎn)速下限一般為50轉(zhuǎn) 秒左右 上限可達(dá)數(shù)百千轉(zhuǎn) 秒 圖7 16磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 7 5 2光電式轉(zhuǎn)速傳感器圖7 17所示 由裝在輸入軸上的開孔盤 光源 光敏元件以及縫隙板所組成 輸入軸與被測軸相連接旋轉(zhuǎn) 從光源發(fā)射的光 通過開孔盤和縫隙照射到光敏元件上 使光敏元件感光 產(chǎn)生脈沖信號 送測量電路計(jì)數(shù) 測得轉(zhuǎn)速 為了使每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)增加 以擴(kuò)大應(yīng)用范圍 需增加圓盤的開孔數(shù)目 目前多采用圖7 18所示的開縫隙盤結(jié)構(gòu) 光電脈沖變換電路如圖7 19所示 圖7 1 直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原理1 開孔盤2 縫隙板3 光敏元件4 光源 圖7 18光電轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)1 光源2 透鏡3 指示盤4 旋轉(zhuǎn)盤5 光電元件 圖7 19光電脈沖變換電路原理圖 7 6多普勒傳感器 7 6多普勒傳感器7 6 1多普勒效應(yīng)假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化 則發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的頻率與接收機(jī)收到信號的頻率就不同 此現(xiàn)象是由奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的 所以稱為多普勒效應(yīng) 發(fā)射機(jī)發(fā)射出的無線電波向被測物體輻射 被測物體以速度v運(yùn)動 如圖7 20 a 所示 被測物體做為接收機(jī)接收到的頻率為 f1 f0 v 0 如果把f1做為反射波向接收機(jī)發(fā)射信號 如圖6 20 b 所示 接收機(jī)接收到的信號頻率為 f2 f1 v 1 f0 v 0 v 1 由于被測物體的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度 則可近似認(rèn)為 0 1 則 f2 f0 2v 0 由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率 即 Fd f2 f0 2v 0 圖7 20多普勒效應(yīng)示意圖 7 6 2多普勒雷達(dá)測速被測物體的運(yùn)動速度v可以用多普勒頻率來描述 多普勒雷達(dá)的電路原理如圖7 21所示 它由發(fā)射機(jī) 接收機(jī) 混頻器 檢波器 放大器及處理電路等組成 發(fā)射信號和接收到的回波信號經(jīng)混頻器混頻 兩者產(chǎn)生差頻輸出 差頻的頻率正好為多普勒頻率 Fd 2vcos 0 Kv Hz 圖7 21多普勒雷達(dá)檢測線速度工作原理圖 7 7液位傳感器 7 7液位傳感器液位傳感器按測定原理可分為 浮子式液位傳感器 平衡浮筒式液位傳感器 壓差式液位傳感器 電容式液位傳感器 導(dǎo)電式液位傳感器 超聲波式液位傳感器 放射線式液位傳感器 7 7 1導(dǎo)電式水位傳感器如圖7 22所示 電極可根據(jù)檢測水位的要求進(jìn)行升降調(diào)節(jié) 當(dāng)水位低于檢知電極時 兩電極間呈絕緣狀態(tài) 檢測電路沒有電流流過 傳感器輸出電壓為零 如果水位上升到與檢知電極端都接觸時 由于水有一定的導(dǎo)電性 因此測量電路中有電流流過 指示電路中的顯示儀表就會發(fā)生偏轉(zhuǎn) 同時在限流電阻兩端有電壓輸出 如果把輸出電壓和控制電路連接起來 便可對供水系統(tǒng)進(jìn)行自動控制 圖7 22導(dǎo)電式水位傳感器基本工作原理圖 圖7 23是一種實(shí)用的導(dǎo)電式水位檢測器的電路原理圖 電路主要由兩個運(yùn)算放大器組成 IC1a運(yùn)算放大器及外圍元件組成方波發(fā)生器 通過電容器C1與檢知電極相接 IC1b運(yùn)算放大器與外圍元件組成比較器 以識別儀表水位的電信號狀態(tài) 采用發(fā)光二極管作為水位的指示 導(dǎo)電式水位傳感器 在日常工作和生活中應(yīng)用很廣泛 它在抽水及儲水設(shè)備 工業(yè)水箱 汽車水箱等方面均被采用 圖7 23導(dǎo)電式水位檢測器電路原理圖 7 7 2壓差式液位傳感器壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的 如果液體的密度恒定 則液體加在測量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比 因此通過壓力的測定便可得知液面的高度 如圖7 24所示 當(dāng)儲液缸為開放型時 其基準(zhǔn)面上的壓力由下式確定 P h h1 h2 圖7 24開放罐測壓示意圖 P P1 P2 h1 h2 0 h3 h2 h1 0 h3 0 h2 h2 需要測定的是h1高度 因此移動壓力傳感器的零點(diǎn) 把零點(diǎn)提高 h2 就可以得到壓力與液面高度h1成比例的輸出 當(dāng)儲液缸為密封型時 見圖7 25 壓差 液位高度及零點(diǎn)的移動關(guān)系如下 同樣 只要移動壓差式傳感器的零點(diǎn) 就可以得到壓差與液面h1成比例的輸出 圖7 25密封罐測壓示意圖 圖7 26是壓差式液位傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 它由壓差傳感器和電路兩部分組成 壓差傳感器實(shí)際上是一個差動電容式壓力傳感器 它由動電極感壓膜片 固定電極隔壓膜片等組成 當(dāng)被測的壓力差加在高壓側(cè)和低壓側(cè)的輸入口時 該壓力差經(jīng)隔液膜片的傳遞作用于感壓膜片上 感壓膜片便產(chǎn)生位移 從而使動電極與固定電極之間的電容量發(fā)生變化 圖7 26壓差式液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 7 8流量及流速傳感器 7 8流量及流速傳感器流量及流速傳感器的種類有 電磁式流量傳感器 渦流式流量傳感器 超聲波式流量傳感器 熱導(dǎo)式流速傳感器 激光式流速傳感器 光纖式流速傳感器 浮子式流量傳感器 渦輪式流量傳感器 空間濾波器式流量傳感器 7 8 1電磁式流量傳感器1 電磁式流量傳感器的工作原理及使用如圖7 27所示 在勵磁線圈加上勵磁電壓后 絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中 當(dāng)導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時 電極上便會產(chǎn)生如下式所示的電動勢 管道內(nèi)液體流動的容積流量與電動勢的關(guān)系為 可以通過對電動勢的測定 求出容積流量 1 鐵芯2 電極3 絕緣導(dǎo)管4 勵磁線圈5 液體圖7 27電磁式流量計(jì)工作原理圖 2 電磁式流速傳感器電路如圖7 28所示 勵磁電壓信號為方波信號 由方波發(fā)生器發(fā)出的方波信號一路經(jīng)勵磁放大器功率放大后 送入傳感器的勵磁線圈進(jìn)行勵磁 另一路作為采樣 鑒相脈沖信號 流動液體在電極上產(chǎn)生的信號經(jīng)輸入回路阻抗變換和前置放大 再由主放大器進(jìn)行放大 放大后的信號經(jīng)采樣 倒相 鑒相 所得信號濾去雜波后由直流放大器放大輸出 為檢測到的流速信號UOUT 用于自來水 工業(yè)用水 農(nóng)業(yè)用水 海水 污水 污泥 化學(xué)藥品 食品 礦漿等流量檢測 傳感器 輸入回路 前置放大器 主放大器 勵磁放大器 直流放大器 濾波器 方波發(fā)生器 采樣 倒相 鑒相器 UOUT 流動液體 圖7 28電磁式流速傳感器的電路框圖 7 8 2渦輪式流速傳感器渦輪式流速傳感器是利用放在流體中的葉輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行流量測試的一種傳感器 葉輪轉(zhuǎn)速的測量如圖7 29所示 葉輪的葉片可以用導(dǎo)磁材料制作 由永久磁鐵 鐵芯及線圈與葉片形成磁路 當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時 磁阻將發(fā)生周期性的變化 從而使線圈中感應(yīng)出脈沖電壓信號 該信號經(jīng)放大 整形后輸出 作為供檢測轉(zhuǎn)速用的脈沖信號 圖7 29渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 7 9實(shí)訓(xùn) 7 9實(shí)訓(xùn)太陽能熱水器水位報(bào)警器電路如圖7 30所示 裝調(diào)該太陽能熱水器水位報(bào)警器電路 進(jìn)行水位報(bào)警實(shí)驗(yàn) 過程如下 1 準(zhǔn)備電路板 晶體管 電極 報(bào)警器等元器件 認(rèn)識元器件 2 裝配水位報(bào)警器電路 3 將三個探知電極安置于水盆的不同水位高度 接通水位報(bào)警器電路 給水盆中慢慢加水 4 在正常水位 缺水水位 超高水位對電路的報(bào)警效果進(jìn)行電路調(diào)整 5 進(jìn)行正常水位 缺水水位 超高水位時電路的報(bào)警實(shí)驗(yàn) 6 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果記錄 圖7 30太陽能熱水器水位報(bào)警器