chapter信息传输元件.pptx

6.1.Functions 作用作用nData transmission element:Sensors 信号信号传输元件：传感器传输元件：传感器nDetecting output parameter,then transform it into voltage or digital numbers proportionally 检测输出量，并将检测输出量，并将其成比例地变换成电压或数字量其成比例地变换成电压或数字量Output analogue parameters:analogue sensors 输出模拟量输出模拟量模拟式传感器模拟式传感器Output digital parameters:digital sensors 输出数字量输出数字量数字式传感器数字式传感器6.2.Classifications and working principles 类型及其工作原理类型及其工作原理According to the parameters transmitted,it can be:根据检测传输的的物理量可分为：根据检测传输的的物理量可分为：(1)Position sensors 位移传感器（线位移和角位移）位移传感器（线位移和角位移）(2)Velocity sensors 速度传感器（线速度和角速度）速度传感器（线速度和角速度）(3)Acceleration sensors 加速度传感器加速度传感器(4)Force(pressure)sensors 力（压力）传感器力（压力）传感器(5)Flow sensors 流量传感器流量传感器（1）Position sensors 位移传感器位移传感器 输入 输出信号 种 类 检测范围 线性度（%）应用范围 线 位 移 模拟直 流直线式电位计 10-150mm (0.1-1)%实验室用 交流50,400,3000(Hz)差动变压器 25 mm(0.1-1)%一般位移检测数 字 式 感应同步器 250 mm可接长 1m 高精度位移检测直线光栅 1000-1500 mm 1m 高精度位移检测磁 栅 1m 高精度位移检测角 位 移 模拟直 流回转电位计 1转360o，多转360o40(0.1-1)%位移给定 交 流 50,400(Hz)差动变压器 10o(0.1-1)%一般角位移检测 自整角机 180o0.1-0.5度一般角位移检测旋转变压器 0-60o0.1%一般角位移检测数 字 式 感应同步器 连 续 1-5角秒 高精度角位移 检测圆光栅 模拟（1）位移传感器位移传感器电位器电位器n输出电压输出电压u与电刷位移与电刷位移x或角位移或角位移（旋转式）成正比（旋转式）成正比n分辨率取决绕线的粗细和均匀程度（塑料膜片式的例外）分辨率取决绕线的粗细和均匀程度（塑料膜片式的例外）n优点：简单、价廉、易维护优点：简单、价廉、易维护n缺点：速度低，易产生杂波，寿命短，分辨率低缺点：速度低，易产生杂波，寿命短，分辨率低n不适合小位移、高精度和长期连续工作不适合小位移、高精度和长期连续工作A 直线式直线式（1）位移传感器）位移传感器差动变压器（电感式）差动变压器（电感式）n直线式和回转式，直线式最常用直线式和回转式，直线式最常用n一次线圈加恒幅高频一次线圈加恒幅高频(1kHz,3kHz,5kHz甚至甚至10kHz)交流电交流电压激磁，二次绕组压激磁，二次绕组(差动连接差动连接)产生感应产生感应电势电势E1和和E2n铁芯中间位铁芯中间位E1=E2，输出，输出E=E1-E2=0n铁芯左右移动时，输出电压铁芯左右移动时，输出电压E的大小和的大小和极性与铁芯位移极性与铁芯位移x的大小和方向相关的大小和方向相关n优点：简单，精度较高，线性区大，无优点：简单，精度较高，线性区大，无机械摩擦，寿命长。广泛应用机械摩擦，寿命长。广泛应用n缺点：线圈几何形状不对称和存在磁环缺点：线圈几何形状不对称和存在磁环等造成不灵敏区等造成不灵敏区B 回转式回转式（1）位移传感器）位移传感器自整角机自整角机 发送机输入电压与接收机输出电压的相位角分别显示指令轴和输出轴的实时发送机输入电压与接收机输出电压的相位角分别显示指令轴和输出轴的实时转角差转角差(r-c)转角位移差传感器转角位移差传感器n优点：精度高，简单，可靠，寿命长优点：精度高，简单，可靠，寿命长n缺点：绕组不对称、不均匀时，磁路发生畸变而引起误差缺点：绕组不对称、不均匀时，磁路发生畸变而引起误差n控制用微电机，成对工作控制用微电机，成对工作n组成：发送机和接收机均有转子（组成：发送机和接收机均有转子（1个绕组）和个绕组）和定子（定子（3个定子绕组），定子绕组星形互连个定子绕组），定子绕组星形互连n工作原理：基于电磁感应工作原理：基于电磁感应指令输入轴带发送机指令输入轴带发送机，系统输出轴带接收机系统输出轴带接收机发送机转子输入指令电压发送机转子输入指令电压ui，在对应的定子绕组，在对应的定子绕组上产生感应电势，形成大小与转子绕组上产生感应电势，形成大小与转子绕组A和定子绕和定子绕组组Bi夹角相关的感应电流夹角相关的感应电流Ii流过接收机定子绕组流过接收机定子绕组Ci的电流的电流Ii在接收机转子绕组在接收机转子绕组D中产生大小与中产生大小与Ci和和D夹角相关的感应电势夹角相关的感应电势Uc（1）位移传感器位移传感器旋转变压器旋转变压器n控制用微电机，原理、结构与自整角机类似控制用微电机，原理、结构与自整角机类似n区别：定子区别：定子A和转子和转子B均为两相绕组均为两相绕组n应用范围广，精度更高应用范围广，精度更高n定子绕组定子绕组A1通激磁电压，通激磁电压，A2短接短接A2开路时，开路时，A1激磁电压产生交变磁通激磁电压产生交变磁通a在在B1，B2产生感应交变正、余弦电势产生感应交变正、余弦电势Eb1，Eb2当输出绕组接负载时，感应电流产生电枢反应磁当输出绕组接负载时，感应电流产生电枢反应磁通通b1，b2使激磁通使激磁通a畸变影响检测精度畸变影响检测精度A2短接，短接，电枢反应磁通电枢反应磁通b1，b2在在A2上产生的交变磁通上产生的交变磁通a2与与b1，b2相反而抵消其对相反而抵消其对a的影响的影响n定子和转子的一相绕组串接可提高线性度范围定子和转子的一相绕组串接可提高线性度范围n单个：检测角度，成对：检测角差单个：检测角度，成对：检测角差（1）位移传感器位移传感器感应同步器感应同步器 n高精度的位移检测元件，有直线和圆形高精度的位移检测元件，有直线和圆形n直线式：定尺（连续绕组）和滑尺（正、直线式：定尺（连续绕组）和滑尺（正、余弦相间绕组），节距均为为余弦相间绕组），节距均为为Pn绕组用印刷电路，激磁频率极高绕组用印刷电路，激磁频率极高(10kHz)n滑尺正、余弦绕组激磁，从定尺的连续绕滑尺正、余弦绕组激磁，从定尺的连续绕组输出电压组输出电压n实际是一个展成平面的无铁芯多级旋转变实际是一个展成平面的无铁芯多级旋转变压器，与旋转变压器工作原理相同压器，与旋转变压器工作原理相同n滑尺相对定尺每移动一节距，定尺输出就有变化，将其处理显示滑尺相对定尺每移动一节距，定尺输出就有变化，将其处理显示及可获得相应的位移信息及可获得相应的位移信息n根据激磁电源的供电方式分鉴幅和鉴相两类根据激磁电源的供电方式分鉴幅和鉴相两类（1）位移传感器）位移传感器感应同步器感应同步器圆形感应同步器圆形感应同步器n圆形感应同步器是直线感应同圆形感应同步器是直线感应同步器的变形步器的变形n定子：正、余弦相间多级绕组，定子：正、余弦相间多级绕组，激磁激磁n转子：连续绕组输出电压转子：连续绕组输出电压n圆盘上一般等分圆盘上一般等分108格格54对磁对磁极，每格制作极，每格制作1个印刷电路绕组个印刷电路绕组n当转子相对定子每转一格，转子输出就会产生相应的变当转子相对定子每转一格，转子输出就会产生相应的变化，将这种变化处理后显示就可获得相应的角位移信息化，将这种变化处理后显示就可获得相应的角位移信息n级数多且高频激磁，精度极高级数多且高频激磁，精度极高（1）位移传感器）位移传感器感应同步器感应同步器（鉴幅工作方式）（鉴幅工作方式）滑尺正、余弦绕组加频率、相位滑尺正、余弦绕组加频率、相位相同而幅值不等的激磁电压相同而幅值不等的激磁电压定尺绕组产生感应电压定尺绕组产生感应电压u1式中：式中：K：滑尺与定尺的电磁耦合系数：滑尺与定尺的电磁耦合系数X：滑尺与定尺的相对位移：滑尺与定尺的相对位移P：绕组的节距：绕组的节距c：与机械位移：与机械位移x相应的角位移相应的角位移（1）位移传感器）位移传感器感应同步器感应同步器（鉴幅工作方式测位移差）（鉴幅工作方式测位移差）根据叠加原理，定尺绕组上的总输出电压：根据叠加原理，定尺绕组上的总输出电压：则定尺的输出电压：则定尺的输出电压：如果滑尺激磁电压幅值取：如果滑尺激磁电压幅值取：和和频率高，角差小时，忽略动态，输出电压经放大、解频率高，角差小时，忽略动态，输出电压经放大、解调后就有：调后就有：可见，鉴幅工作时，定尺绕组上输出的是角差在闭环控制可见，鉴幅工作时，定尺绕组上输出的是角差在闭环控制系统中系统中r为指令，为指令，c使输出位移使输出位移（即即x）（1）位移传感器位移传感器感应同步器感应同步器（鉴相工作方式测位移）（鉴相工作方式测位移）正、余弦绕组分别加频率正、余弦绕组分别加频率和幅值相等，相位差和幅值相等，相位差90度的激磁电压度的激磁电压和和定尺绕组上产生电压：定尺绕组上产生电压：定尺输出电压反映机械位移定尺输出电压反映机械位移即即x，（1）位移传感器位移传感器感应同步器感应同步器（鉴相工作方式测位移）（鉴相工作方式测位移）n零值法：零值法：能使输出电压的相位超前或滞后变化的相对能使输出电压的相位超前或滞后变化的相对分频器使相频器与定尺的输出电压相位差为零，这时分分频器使相频器与定尺的输出电压相位差为零，这时分频器输出电压的相位角频器输出电压的相位角e恰好等于恰好等于c。通过数显装置便。通过数显装置便可测出可测出cn直读法：直读法：定尺输出电压整形成移相方波后与基准方波定尺输出电压整形成移相方波后与基准方波比较，形成相位差门宽，门宽内加入一串脉冲，由计数比较，形成相位差门宽，门宽内加入一串脉冲，由计数器显示脉冲数便可测出反映机械位移的相角器显示脉冲数便可测出反映机械位移的相角c变换变换放大放大控制控制电路电路相对相对分频器分频器ce（1）位移传感器位移传感器磁栅磁栅n组成：磁尺、磁头和检测电路组成：磁尺、磁头和检测电路n磁尺尺面上镀有节距为磁尺尺面上镀有节距为的的栅状栅状磁信号的磁性薄膜磁信号的磁性薄膜n磁头读取磁信号，有激磁绕组和磁头读取磁信号，有激磁绕组和输出绕组输出绕组n激磁绕组加激磁电压激磁绕组加激磁电压Us，输出绕，输出绕组对应有输出电压组对应有输出电压Uon磁尺和磁头相对运动时，磁头输磁尺和磁头相对运动时，磁头输出电压幅值是位移量出电压幅值是位移量x的余弦函数，的余弦函数，频率是激磁频率的频率是激磁频率的2倍，即倍，即（1）位移传感器位移传感器磁栅磁栅 输出幅值系数；输出幅值系数；磁栅的节距，通常为磁栅的节距，通常为0.05mm和和0.2m；磁头在磁栅一个节距范围内的相对位移；磁头在磁栅一个节距范围内的相对位移；输出信号的频率。输出信号的频率。n两个磁头的间距为两个磁头的间距为 （m为正整数），即两个为正整数），即两个磁头相对磁栅相差磁头相对磁栅相差1/4节距，输出信号的相位差节距，输出信号的相位差 n也分鉴幅和鉴相两种，经检测电路处理，利用相也分鉴幅和鉴相两种，经检测电路处理，利用相位计原理测出输出信号的相位，便可测的位移位计原理测出输出信号的相位，便可测的位移（1）位移传感器）位移传感器光栅光栅n由主光栅（标尺光栅）、指示光栅和测量由主光栅（标尺光栅）、指示光栅和测量电路组成电路组成n主光栅：条状光学玻璃（或金属板），刻主光栅：条状光学玻璃（或金属板），刻有与其间距等宽有与其间距等宽w 且且均匀的线纹，形成明均匀的线纹，形成明暗相间的线条暗相间的线条n指示光栅短，刻有与主光栅同样密度线纹指示光栅短，刻有与主光栅同样密度线纹n指示光栅与主光栅平行安放，两光栅的刻指示光栅与主光栅平行安放，两光栅的刻线互倾微小夹角线互倾微小夹角莫尔条纹莫尔条纹n光经主光栅投射，在指示光栅上出现莫尔条纹光经主光栅投射，在指示光栅上出现莫尔条纹n主光栅沿刻线的垂直方向移动，莫尔条文沿夹角主光栅沿刻线的垂直方向移动，莫尔条文沿夹角 平分线的方向移动平分线的方向移动n主光栅移动一栅距主光栅移动一栅距w，莫尔条纹移动一条纹间距，莫尔条纹移动一条纹间距B n用计数器记录下指示光栅移过的条纹数，便测出用计数器记录下指示光栅移过的条纹数，便测出主光栅的移动位移主光栅的移动位移xn原理：永磁铁在线圈中运动，原理：永磁铁在线圈中运动，线圈切割磁力线产生与速度成线圈切割磁力线产生与速度成比例的感应电势比例的感应电势B：磁场强度，：磁场强度，L：导线长度：导线长度,：磁铁速度：磁铁速度n磁铁不动，线圈运动，即动磁铁不动，线圈运动，即动圈式速度传感器圈式速度传感器n线圈的感应电势线圈的感应电势E与运动速与运动速度度v成比例成比例（2）速度传感器速度传感器 动圈式动圈式（2）速度传感器速度传感器 测速发电机测速发电机（交流式）（交流式）n定子激磁绕组和输出绕组垂直安装定子激磁绕组和输出绕组垂直安装n激磁绕组加频率、振幅恒定的电压，便产激磁绕组加频率、振幅恒定的电压，便产生脉动磁场生脉动磁场n转子不转，输出绕组不产生感应电势转子不转，输出绕组不产生感应电势n当转子旋转切割激磁磁通，在转子产生感当转子旋转切割激磁磁通，在转子产生感应电势引起电流形成转子磁通而在输出绕应电势引起电流形成转子磁通而在输出绕组中产生感应电势组中产生感应电势EnE的幅值与转子速率成比例的幅值与转子速率成比例n优点：无电刷、无杂波、空心转子惯量小优点：无电刷、无杂波、空心转子惯量小n缺点：输出电压较小缺点：输出电压较小n多用于交流伺服系统多用于交流伺服系统（2)）速度传感器）速度传感器 测速发电机测速发电机 （直流式（直流式）永磁式测速发电机永磁式测速发电机它激式测速发电机它激式测速发电机n运动转子线圈切割磁力线而产生感运动转子线圈切割磁力线而产生感应电势：应电势：幅值与转速成比例，极性与转动方幅值与转速成比例，极性与转动方向相关向相关n感应电势经换向器电刷感应电势经换向器电刷A、B引出引出n优点：简单，输出电压波动小优点：简单，输出电压波动小n缺点：长期使用后，永磁铁受振动缺点：长期使用后，永磁铁受振动后将发生减磁现象而使特性改变后将发生减磁现象而使特性改变n它激式。需配激磁稳压电源它激式。需配激磁稳压电源（2）速度传感器）速度传感器 差动变压器式差动变压器式 n直流磁化铁芯。铁芯运动二次绕组感应出与铁芯速度成比例电势直流磁化铁芯。铁芯运动二次绕组感应出与铁芯速度成比例电势n交流使二次绕组感应出与铁芯位移成比例的电势交流使二次绕组感应出与铁芯位移成比例的电势Ein交流和直流同时送入一次绕组，用一只差动变压器同时检测位移交流和直流同时送入一次绕组，用一只差动变压器同时检测位移和速度和速度n位移：两个二次绕组的电压之差；速度：一绕组中的输出位移：两个二次绕组的电压之差；速度：一绕组中的输出n70年代末日本研制成功，并应用于航空、振动台电液控制系统年代末日本研制成功，并应用于航空、振动台电液控制系统（2）速度传感器速度传感器 脉冲发生器脉冲发生器（电磁式）（电磁式）n齿轮旋转，气隙变化，导致齿轮旋转，气隙变化，导致磁阻变化，进而磁通变化，磁阻变化，进而磁通变化，线圈便产生与磁阻变化频率线圈便产生与磁阻变化频率相同的脉冲相同的脉冲n经整形后得到与转速成比例经整形后得到与转速成比例的脉冲输出信号的脉冲输出信号n如果把齿轮换成齿条，便成如果把齿轮换成齿条，便成为直线式电磁脉冲发生器为直线式电磁脉冲发生器 电磁式脉冲发生器电磁式脉冲发生器（2）速度传感器速度传感器 脉冲发生器脉冲发生器（光电式（光电式）n光源通过转盘的透光孔射光源通过转盘的透光孔射到光敏元件上，转盘旋转到光敏元件上，转盘旋转时，光电管便发出与转速时，光电管便发出与转速成比例的电脉冲信号成比例的电脉冲信号n光电脉冲信号处理方便，光电脉冲信号处理方便，脉冲频率高，检测精度高，脉冲频率高，检测精度高，被广泛应用被广泛应用 n当应变筒受拉、压力当应变筒受拉、压力F作用时，作用时，电阻电阻R1和和R2 的阻值发生变化的阻值发生变化n电桥的输出电压电桥的输出电压U，因阻值改因阻值改变而发生变化变而发生变化n电压电压U与力与力F成比例成比例n作用力转变成电压信号作用力转变成电压信号（3）力传感器力传感器 电阻式电阻式F FF F（3）力传感器力传感器 电磁式电磁式n组成：组成：弹性支架，压磁元件弹性支架，压磁元件压磁元件：多层导磁硅钢片叠成装于弹压磁元件：多层导磁硅钢片叠成装于弹性支架中性支架中孔孔1，2激磁绕组，激磁绕组，3，4装输出绕组装输出绕组n原理原理压磁元件不受力时，激磁绕组通交变电压磁元件不受力时，激磁绕组通交变电流，流，A、B、C、D四区磁阻相同，磁力线四区磁阻相同，磁力线对称分布对称分布(图图b)次级绕组无输出次级绕组无输出压磁元件受压磁元件受F力，力，A、B区磁阻增大，区磁阻增大，C、D区磁阻不变区磁阻不变磁力线扭曲而与次级绕组交链磁力线扭曲而与次级绕组交链(图图c)，产生与力产生与力F成正比的感应电势成正比的感应电势En特点：特点：输出力和输出功率大，过载能力输出力和输出功率大，过载能力强，寿命长，无位移，运行条件要求低，强，寿命长，无位移，运行条件要求低，抗干扰能力强抗干扰能力强（4）压力传感器压力传感器 n组成：垂链形膜片，组成：垂链形膜片，应变筒，输出插座，应变筒，输出插座，壳体壳体n垂链形膜片将流体压垂链形膜片将流体压力转换成总力力转换成总力n应变筒将力转换成电应变筒将力转换成电压信号压信号n工作原理同力传感器工作原理同力传感器（5）流量传感器）流量传感器容积式容积式n计量马达（椭圆齿轮流量计）带动位移传计量马达（椭圆齿轮流量计）带动位移传感器感器n将流量转化成电信号将流量转化成电信号（5）流量传感器）流量传感器压电式压电式n将流量转化成压力差将流量转化成压力差n再由压力传感器转换成再由压力传感器转换成电信号电信号（5）流量传感器）流量传感器涡轮转子式涡轮转子式n组成：涡轮，壳体，导流器和组成：涡轮，壳体，导流器和磁电传感器磁电传感器不锈钢壳体不导磁不锈钢壳体不导磁导磁不锈钢涡轮有导磁不锈钢涡轮有4-8片螺旋片螺旋形叶片形叶片非接触式磁电转速传感器装在非接触式磁电转速传感器装在壳体外壳体外n涡轮转速与流量成正比涡轮转速与流量成正比n叶片旋转与磁电传感器产生电叶片旋转与磁电传感器产生电脉冲脉冲n输出脉冲与涡轮转速成正比输出脉冲与涡轮转速成正比n测定传感器的输出测定传感器的输出脉冲数脉冲数即可确即可确定流体的流量定流体的流量