术的发展。未米的光机电一体化技术将制着微壁化、智能化，模块化、数字化、网络化、集 成化的方向发展 (1)微型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。从20世纪80年代开始，光 机电一体化向微光机电系统MOEMS(micro opto-electronic-mechanical systems)发展，用 来解决常规光机电一体化系统所不能解决的问题。微光机电系统是微光学、微电子和微机减 相互融合而形成的微光学结构系统。它将传统的执行机构、传感器以及信号处理与控制电路 等集成于一体。微小化是微光机电系统的重要特征，月前研制的微光机电系统主要有光盘读 取头、微机械光开关、光扫描器、微型机器人等。 (2)智能化 将人工智能、神经网络、模糊控制等现代控制理论和技术应用到光机电一休化系统或产 品中，使其具有一定的智能。 (3)模块化 标准化、模块化是光机电一体化发展的重要趋势。对于光机比一体化产品普遍使用的产 品单元，如驱动模块单元、运动控制模块单元等，进行模块化设计和生产。模块化极大促进 了光机电一体化新产品的开发。用户选用标准模块，不仅能够降低产品的开发成本、提高其 可性，还缩短了产品的制周期。 (4)数字化 嵌人式控制系统和嵌入式软件的发展，为光机电一体化产品的数字化、智能化奠定了整 础。数字化要求光机电一体化产品的软件具有高可靠性和可维护性以及自诊断能力，人机界 面对用户友好、易于使用，并且用户能根据实际需要进行定制。数字化的实现有利于远程操 作、诊断和修复。 (5)集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包 含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种，小批量生 产的自动化与高效市，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统 功能分散，并使各部分协调而父安全地运转，然后再通过硬、软件将各个层次有机地联系起 来，使其性能最优、功能最强
第2章传感器与信号处理 2.1传感器与检测系统的构成 人体对外界和周围环境的感觉或感知，是通过五官（眼、耳、鼻等）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 结果控制肌肉来产生相应的动作。在光机电一体化系统中，外界信息是通过传感器进行 检测和测沿，然后经过计算机处理、再控制执行装置完成动作任务，传盛器是人类成学 器官的工程模拟物，负责信息的收集和处理。什么是传感器？同家标准《传感器通用术 语》中，对于传感器的定义做了如下规定：“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 给出待测量的具体数值。检测可以看做是从外界获取信息，并从中提取有用信息的 过程。 传感器是实现检测和传感的物理器件。在 变换 测物理址 一制装置光机电一体化中传感器的功能越强，系统的 电盘) 放大 自动化程度越高。在光机电一体化产品中，需 荐一一兰乐☐要检测的物理量通常是力、位移、速度、加速 图2-1检测系统的构成简图 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。图2·】为检调系统的构成简图。 检测系统一般由传感器和信号加工两个部分构成。传感器将物理量转换为电信号或其他 易于计算机处理的信号，如将压力转换为电压变化等。信号加工则是将传感器转换的电信号 进行放大，滤波等处理或进行某种变换。随着计算机技术的发展，信号的加工处理以计算机 为中心进行。由于模拟信号在传输中存在衰减，易干扰等缺点，现代传感器的发展，已由模 拟型向数字型、智能型方向转变。数字传感器输出的数字编码，便于计算机处理，成为现代 传惑器发展的重要趋势 由于检测系统由传感器和各环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信息从信 号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程不失真且不受干扰。因此对传感器和检测系统 的基本要求如下。 ①精度、灵敏度和分辨率高。 ②线性、稳定性和重复性好，工作可靠。 ③静动态特性好，测量范围大。 ④抗十扰能力强 ⑤体积小，质量轻，操作简便，价格便宜
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T作原理是将直线位移、转角等机械量转换成电阳 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。旋转 型电位器的工作原理如图？2所示。在环状电阻两个固定端加上电压U,通过电刷的消动， 可以得到与电刷所在角度（位置）相对应的电压V。假定环状电阻的阻值为R,当转轴转过 角度6时，通过电制的滑动部分阻值R()为 R(=36R 2.1) 因此输出电压V可以用式(22)来表示 V-RU-300U (22) 式(2-2)表明，输出电压V与电位器的电阻R无关。因此，由于温度变化对输出心 的影响为0。 电位器具有结构简单、体积小，动态范围宽，输出信号大（一般不必放大），抗干扰能 力强和精度较高等特点，广泛用于检测各种回转角度和角位移。缺点是测量精度较低，以及 转速较高时，转轴与衬套问会出现“卡死”现象 直线型电位器有滑线位移式和线绕位移器式两种。其中滑线位移式电位器的结构原理细 图？3所示，其中U,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U。 电阻 七阻丝 图2-2旋转型电位器的工作原理 图2-3滑线位移式电位器的结构原州 直线型电位器结构简单、性能稳定。缺点是分弹率不高，易增损。 2.2.2盛应同步器 成应同北器是应用申磁感应原理来测量直线位移或角位移的传撼器。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所示分别是直线感城回 步器和圆盘式感应同步器的结构原理。现以直线感应同步器为例说明其工作原理。感应同步 器由定尺和滑尺组成，定尺上印刷有1个感应绕组，滑尺上印利有正弦和余弦两个绕绑巨 个绕组错开1/4节距，定尺和滑尺的节距相等，均为2x。标准的感应同步器，其定尺长均 为250mm,绝对精度可达2.5um,分辨率可达0.25m。定尺和消尺在安装时应保持平行.且 具有一定的间隙。 9
ui几 定 凹u☑ 7 转子 图2-4直线感应同步器的结构原理 图2-5魔式惑应问步器的结构原 Us一正弦绕组电压，U从一余弦绕维电压 直线感应同步器的工作原理如图2-6所示。当滑尺两个绕组中任一绕组通以一定须率的 交流电压时。就在感应器内产生一.个磁场，该 定R 几几U 磁场以同步速度移动并切割定尺上的绕组。由 丁电磁感应效应，在定尺绕组上产生同样频率 点 可 的感应电势，其大小取决干定尺和滑尺的空间 相位角。在a点，定、滑尺绕组对准（重合）， “ 感应电势最大。随着滑尺移动，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 的 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. d 到达e点，刚好移动一个节距，情况与“相同 滑尺移动一个节距，感应同步器变化一周，即 点 凡 2π。当滑尺移动x,感应电势以余弦变 化，即 0=2X2x=二×π 整 也就是说0和x有严格的对应关系 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，感应同步器分鉴相测 图26真线应同步器的工作原理 量和鉴幅测量。 (1)鉴相测量 滑尺的两个绕组分别通过正弦和余弦交变电压，电压幅值、频率相同，相位相差 90°。即 U=U sinot.U=Ucosut 当滑尺移动时，定尺和滑尺的两绕组不再重合，在定尺上的感应电压为 U:-KUn cosg-KUsinwtcos0 =KUo cos(0+90)=KU cos(0+90)=-KU.cosotsing 式中K一耦合系数； 10
一最大时电压，V —滑尺绕组相对定尺绕组的空间相位角，rad, 由于惑应同步器的磁路系统是线性的，应用叠加原理，定尺上的总电压为 U,=U++U=KU sinautcos-KU cosotsina =KU sin(wt-0) 只要测出定尺上的感应电压，就可以得到空间相位角，由0=就可得移动的距离x。 (2)鉴幅测量 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是颗率和相位相同而幅值不同的交流电压。根据定 尺上感应电压的幅值不同来测量相对位移。加在滑尺正、余弦绕织激磁电压幅值的大小，分 别与工作台移动的指令成正、余弦关系，即 U.-Usind sinut,U=sinat 同鉴相测量方式一样，滑尺移动时，定尺上的感应电压为 U:=U+U-KUmsind,sinatcos0-KU cos0,sinatsin =KU sin(0-0)sinot 幅值KU。sin(从一)按正弦规律随指令位移x1(0,)与丁作台实际位移量x()之差而变 化。测量心，的幅值，就可以测出定、滑尺之间的相对位移。 2.2.3光栅 在高精度的位置检测系统中，大量使用光栅作为检测反馈元件。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概和圆光栅两 种，分别用于测量直线位移和角位移。光栅的检测精度比较高，可达士lum 光栅根据制造方法和光学原理不同，划分为以下两种。 ①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册或纹，利用光 的透射现象进行检测。 ②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。 长光栅的纹路互相平行，线纹间的距离（橱距）相等。常用线路密度为4线/mm,10 线/mm,25线/mm,0线/mm,100线/mm,200线/mm,250线/mm。一个光栅元件， 其主光栅和指示光的线纹密度必须相等。国内机床上一般采用线纹密度为100线/m 200线/mm的坡璃透射光栅。光桶的光敏元件将光强信号转变为电倍号，供计算机处理 一个光敏元件只能用于计数，不能辨别方向。因此，为了确定运动方向至少应有两个光敏元 件 -般采用4个光敏元件 长光橱的结构原理如图2-7所示。光檑尺由主光栅和指示光栅组成，主光概和指示光梱 上面均匀地刻上许多线纹，形成明暗交错的线条。主光栅和指示光栅平行安装，并使指示光 概相对主光栅倾斜一个很小的角度9，用于产生如图2-8所示的莫尔条纹。 在图2-8中，光橱的栅距为W,相邻两莫尔条纹的间距为B。则它们之间满足如下关系 B=2 (2-3) 式(？3)表明，莫尔条纹的间距B只有光栅节距W的。倍。当0很小时，芡尔条纹的间 距比光册节距W放大了很多倍。例如，W一0.0lmm.0=0.1rad,莫尔条纹间距B 0.1mm。放大倍数为B/W=100。这表明光概具有光学放大作用，可大大简化电子放大电路。 11