机电一体化系统常用的传感器及其检测系统

2015-1-5 10:57| 编辑:电工学习网| 查看: 19978| 评论: 0

测速发电机有负载时，电枢绕组中因流过电枢电流I而在电枢绕组电阻ra上产生电压降I·ra，如果忽略电枢反应、工作温度对主磁通φ的影响，忽略电刷与换向器之间的接触压降，则有

     在机电一体化产品中，控制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，受控变量通常是机械运动参数，如位移、速度、加速度、运动轨迹以及机器操作和加工过程参数等。这些运动参数可以用旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅、磁栅、编码器等来检测。所获得的电信息，在开环控制系统中可用于数字显示或误差补偿；在闭环控制系统中则作为反馈信息，它与给定指令值进行比较后来实现闭环控制。
     一般讲的检测装置是指用在数控机床上的位置检测装置。它们通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给控制系统。大量事实证明，对于设计完善的高精度数控机床，它的加工精度和定位精度将主要取决于检测装置。因此，精密检测装置是高精度数控机床的重要保证。
     一般来说，数控机床上使用的检测装置应该满足以下要求：
     (1) 工作可靠，抗干扰性强。
     (2) 能满足精度和速度的要求。
     (3) 使用维护方便，适合机床的工作环境。
     (4) 成本低。
     通常，检测装置的检测精度为0.001-0.01mm/m，分辨率为0.001-0.01mm/m，能满足机床工作台以1-10m/min的速度移动。

图1 传感器分类

     一、旋转变压器检测系统
     旋转变压器英文名称是 resolver ，亦称解析器、解算器等。是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化成一定函数关系的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度 -- 数字转换装置中。旋转变压器以其高精度、高可靠性，耐高低温，防水、防尘，抗振动，抗强电磁干扰等特点 , 广泛应用于要求可靠性高的各种环境中。在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、冶金、矿山、油田、水利、化工、轻工、建筑等领域的角度、位置检测系统中应用广泛。
     旋转变压器是一种输出电压随转子转角按一定的函数关系变化的精密信号元件，在计算解答装置和自动控制装置中作座标变换、三角运算和角度信号传输之用，也可用作比例调整。在同步传动系统中，可作四线控制式自整角机使用。有正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器及旋变发送机等多种类型。双通道旋转变压器具有很高的电气精度，采用粗机与精机共磁路和精确正弦绕组的特殊设计，特别适于系统的高精度角度信号传输之用。
     （一）、旋转变压器的分类
     按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器：
     1.正--余弦旋转变压器----其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。
     2.线性旋转变压器----其输出电压与转子转角成线性函数关系。线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。
     3.比例式旋转变压器----其输出电压与转角成比例关系。
     旋转变压器结构与绕线式异步电动机类似，其定子、转子铁芯通常采用高磁导率的铁镍硅钢片冲叠而成，在定子铁芯和转子铁芯上分别冲有均匀分布的槽，里边分别安装有两个在空间上互相垂直的绕组，转子绕组经电刷和集电环引出。

     （二）、旋转变压器的结构和工作原理
     结构上由定子和转子组成
     在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90°。在转子上有两个输出绕组——正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90°

图3 旋转变压器的绕组
旋转变压器是一种角度测量元件，在结构上与两相绕线式异步小型交流电动机相似，由定子和转子组成，有无刷和有刷两种类型。使用最多的是无刷旋转变压器，其结构如图所示，它由两大部分组成，一部分是分解器，分解器有定子与转子，定子与转子上分别绕有两相交流分布绕组，两绕组的轴线相互垂直。另一部分是变压器，它的一次线圈绕在与分解器转子轴同轴线的变压器转子上，与转子轴一起旋转，一次线圈与分解器转子的一个绕组并联相接，分解器转子的另一个绕组与高阻抗相接。变压器的二次线圈绕在与转子同心的定子线轴上。二次线圈的线端引出输出信号。
无刷旋转变压器的工作可靠性高，寿命长，不用维修，而且输出信号强。

     图4 有刷式旋转变压器和无刷式旋转变压器
     原理
     旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。
     旋转变压器是根据电磁互感原理工作的，它在结构设计与制造上保证了定子与转子之间空气间隙内磁通分布呈正弦规律。其中定子绕组作为变压器的一次侧，为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400 Hz、500 Hz、3000 Hz及5000 Hz。转子绕组作为变压器的二次侧，是变压器的副边。当定子绕组加上交流励磁电压时，通过电磁耦合在转子绕组中产生的感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置，两者平行时互感最大，二次侧的感应电动势也最大；两者垂直时互感的电感量为零，感应电动势也为零。
     以两极旋转变压器为例：
     设施加在定子绕组S1-S2上的激磁电压是频率为ω，随时间t变化的交流电压

则在转子绕组B1-B2中的感应电势为

其中K-变压比；

-定子绕组中交变电压的幅值； θ-转子转角，当转子和定子的磁轴垂直时 θ=0
故转子绕组中的感应电势

也是频率为ω 随时间t变化的交变电压信号，其幅值

随转子和定子的相对位置θ按正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，可间接得到θ角大小。
转子绕组中接以负载时，其绕组中流过的感应电流所产生的交变磁场将使定转子气隙中的磁通畸变，从而使输出电压也发生畸变。故实际应用中常采用四极绕组式旋转变压器。一个转子绕组做输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。

图5 两极旋转变压器

     （三）、测量方式和检测系统
     鉴相测量方式根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测转角大小的检测方式。
     鉴幅测量方式是通过检测旋转变压器转子绕组中感应电势的幅值来实现角位移检测的。
     1. 鉴相测量方式
     当定子绕组S1-S2和K1-K2中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90°的交变激磁电压

时，便可在转子绕组中得到感应电势

，根据线性叠加原理，

值为激磁电压

的感应电势之和，

由上式可知，

与定子绕组中的激磁电压同频率，但是相位不同，
相位差 θ就是被测角位移大小
控制系统图：

、

在基准信号发生器产生

产生后，经滤波整形后送入鉴相器，此时

的相位与指令信号比较得到Δθ 经功率放大后驱动电动机。
实际应用中注意，

是θ的周期函数，因此，不但测出

大小，还要测出频率或是将θ限制在180度之内，即转子转过角度小于半周。
2. 鉴幅测量方式：通过检测转子中感应电势的幅值来实现。
当定子绕组S1-S2和K1-K2中分别通以相位和频率相同、幅值不同的交变激磁电压

；
其中，分别为激磁电压的幅值，为旋转变压器的电气角。

由上式可知，是以

为角频率的交变信号，其幅值为

若电气角α已知，只要测量出

的幅值，
     便可间接求出被测角位移 θ 的大小
     （四）、旋转变压器的应用
     图中为用一对旋转变压器测量差角的原理图。图中与发送机轴耦合的旋转变压器称为旋变发送机。与接收机轴耦合的旋转变压器称为旋变接收机或旋变变压器。旋转变压器中定、转子绕组都是两相对称绕组。当用一对旋转变压器测量差角时，为了减小由于电刷接触不良而造成的不可靠性，常把定、转子绕组互换使用，即旋变发送机转子绕组

加交流励磁电压

，绕组

短路，发送机和接收机的定子绕组相对应连接。接收机的转子绕组

做输出绕组，输出一个与两转轴的差角

成正弦函数的电动势，当差角较小且用弧度表示时，该电动势近似正比于差角。可见一对旋转变压器可用来测量差角。

图3.12 一对旋转变压器测量差角的原理图

     二、感应同步器：
     （一）感应同步器的构造
     是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，分为直线式和圆盘式，分别用作检测直线位移和转角。
     直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺较长（200mm以上，可根据测量行程的长度选择不同规格长度），上面刻有均匀节距的绕组；滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，见图4-18。当余弦绕组与定子绕组相位相同时，正弦绕组与定子绕组错开1/4节距。滑尺在通有电流的定尺表面相对运动，产生感应电势。
     圆盘式感应同步器，其转子相当于直线感应同步器的滑尺，定子相当于定尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。
     从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x=θ/360*T

图3.14 直线式感应同步器

     直线式感应同步器的种类
     根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装条件等，直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、形状和种类。
     （1）标准型：标准型直线感应同步器精度高，应用最普遍，每根定尺长250 mm。如果测量长度超过175 mm时，可将几根定尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安装平整，否则极易损坏。 
     （2）窄型：窄型直线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是定尺宽度为标准型的一半。用于安装尺寸受限制的设备，精度稍低于标准型。
     （3）带型：定尺的基板改用钢带，滑尺做成滑标式，直接套在定尺上。安装表面不用加工。使用时只需将钢带两头固定即可。 
     （4）三重型：在一根定尺上有粗、中、精三种绕组，以便构成绝对坐标系统。
     （二）感应同步器的工作原理
     当向滑尺上的绕组通以一定频率的交流电压后，在感应同步器中产生了一个磁场，该磁场以同步速度移动并切割定尺导片，由于电磁感应，在定尺上感应出相同频率的感应电压，感应电压值随定、滑尺相对位置不同而变化。
     产生感应电势的原理如图所示。若定尺和滑尺的绕组（只一个绕组励磁）相重合时，如图中的A点，这时感应电势最大；当滑尺相对定尺作平行移动时，感应电势就慢慢减小，在刚好移动1/4节距的位置时，即移到B点位置，感应电势为零。如果再继续移动到1/2节距，即到C点位置，得到的感应电势值与A点位置相同。但极性相反。其后，移到3/4节距，即D点位置，感应电势又变为零......。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势（按余弦波形）变化了一个周期。
     利用感应电压的变化来进行位置检测。根据对滑尺绕组供电方式的不同以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式分为鉴相式和鉴幅式。

     图3.15 同步感应器构造图及产生感应电势的原理
     如图所示，先考虑对S绕组单独励磁，滑尺处在A点的位置时，滑尺S绕组与定尺某一绕组重合，定尺感应电动势值最大；当滑尺向右移动W/4距离到达B点的位置时，定尺感应电动势为零；当滑尺移过W/2至C点位置时，定尺感应电动势为负的最大值；当移过3W/4至D点的位置时，定尺感应电动势又为零，其感应电动势如图中曲线1所示。同理，余弦绕组单独励磁时，定尺感应电动势变化如曲线2所示。定尺上产生的总的感应电动势是正弦、余弦绕组分别励磁时产生的感应电动势之和。
     （三）测量方式与检测系统
     （1）鉴相式所谓鉴相式就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。
     如果将滑尺的正弦和余弦绕组分别供给幅值、频率均相等，但相位相差900的激磁电压，即

，时，则定尺上的绕组由于电磁感应作用产生与激磁电压同频率的交变感应电势。

图3.16 滑尺摇组位置与定尺感应电势幅值的变化关系

图3.16说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。如果只对余弦绕组A加交流激磁电压VA，则绕组A中有电流通过，因而在绕组A周围产生交变磁场在图中1位置，定尺和滑尺绕组A完全重合，此时磁通交链最多，因而感应电势幅值最大。在图中2位置，定尺绕组交链的磁通相互抵消，因而感应电势幅值为零。滑尺继续滑动的情况见图中3，4，5位置。可以看出，滑尺在定尺上滑动一个节距，定尺绕组感应电势变化了一个周期，即

式中 K——滑尺和定尺的电磁耦合系数； ——滑尺和定尺相对位移的折算角。若绕组的节距为W，相对位移为l，

同样，当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压VB时，定尺绕组感应电势为

对滑尺上两个绕组同时加激磁电压，则定尺绕组上所感应的总电势为

从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移L的变化转成感应电势相角的变化。因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移L：

（2）鉴幅式在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同，但幅值不同的交流激磁电压VA和VB。

设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为，则定尺绕组上的感应电势为

上式把感应同步器的位移与感应电势幅值KVmsin( )联系起来，当时，e＝0。这就是鉴幅测量方式的基本原理。
感应同步器鉴相测量系统的基本环节：

图3.17 感应同步器鉴相测量系统的基本环节

感应同步器鉴幅测量系统的基本环节：

图3.18 感应同步器鉴幅测量系统的基本环节

     （四）．感应同步器的特点
     由于感应同步器具有一系列的优点，所以广泛用于位移检测。安装时，要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在 0 . 25 土 0. 05mm 范围内。间隙变化也必须控制在 0.01mm 之内。如间隙过大，将影响测量信号的灵敏度。其特点如下：
     (1) 精度高感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。
     (2) 测量长度不受限制当测量长度大于 250mm 时，可以采用多块尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。
     (3) 对环境的适应性强直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。
     (4) 维护简单、寿命长定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。
     （五）、感应同步器的应用
     在感应同步器的应用过程中，除同样会遇到旋转变压器在应用过程中所遇到的角须限定在［-π,π］内的问题或要求之外，直线式感应同步器还常常会遇到有关接长的问题。例如，当感应同步器用于检测机床工作台的位移时，一般地，由于行程较长，一块感应同步器常常难以满足检测长度的要求，需要将两块或多块感应同步器的定尺拼接起来，即感应同步器接长。接长的原理是：滑尺沿着定尺由一块向另一块移动经过接缝时，由感应同步器定尺绕组输出的感应电势信号，它所表示的位移应与用更高精度的位移检测器(如激光干涉仪)所检测出的位移相互之间要满足一定的误差要求，否则，应重新调整接缝，直到满足这种误差要求时止。
     几点说明：
     感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。
     现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术。
     用途：
     长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。
     感应同步器在镗床上的应用
     镗床在加工零件前常使用块规确定零件的加工中心以保证加工精度。这种方法烦琐、效率低。在镗床的垂直方向和纵向安装感应同步器，用感应同步器和数显表可直接准确地确定零件的加工中心，既保证了精度又提高了效率。如图6-13所示为国产TX611型数显卧式镗床外观图。在主轴上上下移动的垂直坐标（y轴）装有感应同步器的定尺4和滑尺3，在上滑座横向移动的坐标（x轴）装有感应同步器的定尺2和滑尺1。该镗床采用最简单的半开启式防护罩，主要防止铁屑滑伤定、滑尺绕组，同时避免灰尘和油液的侵入。数显表5安装在可以转动的表架上，以便操作者调整视角。

图3.19 感应同步器在镗床上的应用

     该镗床坐标定位准确度在全行程为0.03 mm，加工精度可优于0.06 mm。根据标准规定，定位准确度是在全行程内每相距50 mm检一点。对于0.03 mm的定位准确度要求，在调整接长感应同步器定尺和检定精度时，长度基准可以选用精密线纹米尺（准确度为5 μm），用读数值为1 μm的读数显微镜读数。
     三、测速发电机检测系统
     测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置，实际是一种微型发电机。它能把机械转速变换成电压信号，用于速度和位置检测系统中。其输出电压与输入的转速成正比关系。在自动控制系统和计算装置中通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。
理想状态下，测速发电机的输出电压

     kk’—比例常数，n，θ—转子旋转速度及转角
     测速发电机两种用途：
     1.电压与转速成正比，通过测电压得到转速
     2.以转子转角θ为参数变量，可作为机电微分、积分器。
     自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。具体为：
     （1）输出电压与转速保持良好的线性关系；
     （2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小；
     （3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向；
     （4）温度变化对输出特性的影响小；
     （5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大；
     （6）摩擦转矩和惯性要小。
     此外，还要求它的体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、对无线电通讯的干扰小、噪声小等。
     在实际应用中，不同的自动控制系统对测速发电机的性能要求各有所侧重。例如作解算元件时，对线性误差、温度误差和剩余电压等都要求较高，一般允许在千分之几到万分之几的范围内，但对输出电压的斜率要求却不高；作校正元件时，对线性误差等精度指标的要求不高，而要求输出电压的斜率要大。
     测速发电机按输出信号的形式，可分为交流测速发电机和直流测速发电机两大类。
     交流测速发电机又有同步测速发电机和异步测速发电机两种。前者的输出电压虽然也与转速成正比，但输出电压的频率也随转速而变化，所以只作指示元件用；后者是目前应用最多的一种，尤其是空心杯转子异步测速发电机性能较好。直流测速发电机有电磁式和永磁式两种。
     （一）、直流测速发电机
     1．基本结构
     直流测速发电机在结构上与普通小微型直流发电机相同，通常是两极电机，分为电磁式和永磁式两种。
     电磁式测速发电机的磁极由铁心和励磁绕组构成，在励磁绕组中通入直流电流便可以建立极性恒定的磁场。它的励磁绕组电阻会因电机工作温度的变化而变化，使励磁电流及其生成的磁通随之变化，产生线性误差。
     永磁式测速发电机的磁极由永久磁铁构成，不需励磁电源。磁极的热稳定性较好，磁通随电机工作温度的变化而变化的程度很小，但易受机械振动的影响而引发不同程度的退磁。永磁材料价格较贵，常应用于小型测速发电机中。
     2．基本工作原理

图3.20 直流测速发电机的工作原理

在恒定磁场

下，当电枢以转速n旋转时，电枢导体切割磁力线，从而就在电刷间产生空载感应电势

，它的值由下式确定：

式中，

---电势常数，

--磁通， n ---转子转速。
从上式可以看出，空载输出电压

与转速成正比。当存在负载电阻R1和电枢回路电阻Ra时，则

由上式可以看出，当

、Ra、R1不变时，测速发电机的输出电压U与转速n成正比，测量出的大小，就可以得到转速n。
3、输出特性
测速发电机输出电压和转速的关系，即U = f (n) 称为输出特性。

图3.21 直流测速发电机的原理和特性

由上式可见，只要主磁通φ、接触电压降、电枢电阻

、负载电阻

为常数，则输出电压U与电机的转速n成线性关系。输出电压U随电机转速n变化而变化的关系曲线 U = f (n)，称为输出特性，负载电阻

的值越大时，U = f (n) 斜率越大，测速发电机的灵敏度越高。
     4、直流测速发电机的误差及其减小的方法
     电枢反应；电刷接触电阻；电刷位置的影响；温度影响；纹波的影响
     5、直流测速发电机的性能指标
     线性误差ΔU%；最大线性工作转速

；输出斜率

；负载电阻

；不灵敏区Δn ；输出电压的不对称度

；纹波系数uk
     6、自动控制系统对直流测速发电机的要求
     自动控制系统对其元件的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。据此，直流测速成发电机在电气性能方面应满足以下几项要求：
     1）、输出电压和转速的关系曲线(即为输出特性)应为线性；
     2）、温度变化对输出特性的影响要小；
     3）、输出特性的斜率要大；
     4）、输出电压的纹波要小，即要求在一定的转速下输出电压要稳定，波动要小；
     5）、正，反转两个方向的输出特性要一致，实际应用中一般都是不一致的，稍有差别。
     （二）交流测速发电机
     1．基本结构
     交流异步测速发电机是自动控制系统中应用较多的一种交流测速发电机，它的结构与交流伺服电动机相似，主要由定子、转子组成，根据转子结构的不同分为笼式转子和空心杯转子两种。空心杯转子的应用较多，它由电阻率较大、温度系数较小的非磁性材料制成，以使测速发电机的输出特性线性度好、精度高。杯壁通常只有0.2mm～0.3mm的厚度，转子较轻以使测速发电机的转动惯性较小。

图3.22 交流异步测速发电机结构

     (1—空心杯转子；2—外定子； 3—内定子；4—励磁绕组；5—输出绕组 )
     空心杯转子异步测速发电机的定子分为内、外定子。内定子上嵌有输出绕组，外定子上嵌有励磁绕组并使两绕组在空间位置上有相差90°电角度。内外定子的相对位置是可以调节的，可通过转动内定子的位置来调节剩余电压，使剩余电压为最小值。
     2．基本工作原理
     异步测速发电机的工作原理可以由图说明。图中N1是励磁绕组，接单相交流电源；N2是输出绕组，接入测量仪器作为负载。转子是杯形结构，可看成一个导条数目非常多的鼠笼转子。由于转子电阻较大，为分析方便起见，忽略转子漏抗的影响，认为感应电流与感应电动势同相位。
     给励磁绕组N1加频率f1恒定，电压U1恒定的单相交流电，转子以转速n旋转时，测速发电机的气隙中便会生成一个频率为f1、方向为励磁绕组N1轴线方向的脉动磁通φ1，φ1正比于U1：    U1=4.44f1N1 φ1。此外，杯形转子在旋转时切割φ1，而在转子中感应出电动势Er机相应的转子电流Ir，Er和Ir与磁通φ1及转速n成正比，即： Ir∝ Er∝ φ1n。转子电流Ir也要产生磁通，两者也成正比，即φr ∝ Ir。

图3.23 交流异步测速发电机原理

     磁通φr与输出绕组的轴线一致，因而在其中感应出电动势，两端就有一个输出电压U2。U2正比于φr，即U2 ∝ φr。根据上述关系就可得出， U2 ∝ φ1 ∝ U1n
     上式表明，当励磁绕组加上电源电压U1，测速发电机以转速n转动时，它的输出绕组中就产生输出电压U2，U2的大小与转速成正比。测量出U2的大小就可以得到转速n。
     3、异步测速发电机的输出特性
     在理想情况下，异步测速发电机的输出特性应是直线，但实际上异步测速发电机输出电压与转速之间并不是严格的线性关系，而是非线性的。
     造成输出电压与转速成非线性关系，是因为异步测速发电机本身的参数是随电机的转速而变化的；其次输出电压与励磁电压之间的相位差也将随转速而变化。
     此外，输出特性还与负载的大小、性质以及励磁电压的频率与温度变化等因素有关。
     4、负载阻抗对输出特性的影响
     异步测速发电机在控制系统中工作时，一般情况下输出绕组所连接的负载阻抗是很大的，所以可以近似地用输出绕组开路的情况进行分析。但倘若负载阻抗不是足够大，负载阻抗对电机的性能就会有影响。
     5、产生误差的原因及减小的措施
     气隙磁通Φd 的变化；励磁电源的影响；温度的影响
     6、异步测速发电机的主要技术指标
     线性误差；相位误差；剩余电压
     四、光栅检测系统
     光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环位置控制。
     光栅分类为：
     光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。
     按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测角位移，光栅的检测精度比较高，可达±1μm。
     （一）、光栅的构造
     主要由标尺光栅和光栅读数头组成，光栅读数头包括光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路。通常，标尺光栅固定在活动部件上（如工作台或丝杠），光栅读数头安装在固定部件上，标尺光栅和指示光栅应相互平行并保持0.05mm或0.1mm的间隙。

图3.24 光栅读数头结构原理

     （二）、光栅的工作原理
     光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如图所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a + b。通常取a = b＝W /2。
     若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，如右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。

图3.25 光栅与莫尔条纹示意图
如果改变θ角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：

图3.26 光栅条纹间距与栅距\夹角的关系

     当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。
     θ越小，B越大，θ当小于1°以后，可使B>>W，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。
     光电转换

图3.27 光电转换

     主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信弓转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图 (a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图 (b)所示的输出波形。
     辨向原理
     为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔1/4条纹间的位置上安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号

的相位差将为π/2，可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示

图3.28 辨向电路原理图

两种信号经整形后得到方波

/和

。

作为门控信号同

的微分信号一起输入到与门

、同

倒相后的微分信号一起输入到与门

。光栅右移时，

超前

，则先于

的微分信号打开了

，可从

得到向右移动脉冲输出（

称为右移动脉冲输出端）；而

倒相后的微分信号到达

时

已关闭，则

（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。
     细分原理
     如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1μm，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。
     在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差π/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图 (b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。

     若再增加光敏元件，同理可以进一步地提高测量分辨率。
     （三）、莫尔条纹的特点
     1）平行光束照射时，所形成的莫尔条纹间的光强近似正弦分布。

2）放大性

图3.31 莫尔条纹放大

     3）平均效应
     莫尔条纹是由若干条线纹共同形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响。
     4）移动规律
     光栅相对移动一个W，莫尔条纹移动一个B，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化。
     （四）、检测系统
     光栅检测系统是一个数字信号检测系统，由多路信号采集细分电路、放大环节、整形环节和变相电路组成。
     光栅测量系统的基本构成如图所示。光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可以用光电元件接受，图4-17中的a，b，c，d是四块光电池，产生的信号，相位彼此差900，对这些信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。

图3.32 光栅检测系统

     计量光栅测量位移最终是依靠数字转换系统完成的，实质上是由计数器对莫尔条纹计数。
     使用中，为了克服断电时计数值无法保留，重新供电后，测量系统不能正常工作的弊病，可以用机械等方法设置绝对零位点，但精度较低，安装使用均不方便。
     目前通常采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零位参考标志的方法——零位光栅，它使光栅成为一个准绝对测量系统。
     （五）、光栅在数控机床中的应用
     1. 工作台移动位移的检测
     B→W，可计算出位移x。
     2.工作台移动速度的检测
     根据光强的变化频率可推断出两光栅尺的相对位移速度。
     3.工作台移动方向的检测
     测量通过A与B的莫尔条纹相位超前滞后关系，可判断出移动方向。

图3.33 光栅在数控镗铣床上的安装位置

     五、磁栅检测系统
     磁栅位置检测系统原理与普通磁带录磁、拾磁原理相同,它是用录磁磁头将相等节距 (200μm或50μm)周期变化的电信号录到磁尺上做基准尺,检测时,用磁头再将记录在磁尺上的磁信号转化为电信号,通过检测电路将位移量变成模拟或数字信号。磁栅位置检测系统由磁尺、磁头和检测电路3部分组成。
     0磁栅是利用电磁特性来进行位置检测的。现在磁性标尺的磁膜上用录磁磁头记录一定波长的矩形或正弦形电信号，作为测量的基准标尺，它是一种物理性质标度,不仅在尺型上具有较大的灵活性,而且可制造长达15m以上的带状磁栅,此外,还能将尺基安装后进行现场磁化。检测时用拾磁磁头将记录在磁性标尺上的信号读出，通过检测电路得到位移量，供数字显示或控制用。磁栅可用于直线位移和角位移的测量，具有精度高、复制简单、安装调整方便等特点。

（一）、磁栅的构造和工作原理
磁栅位置检测装置由磁性标尺、磁头和检测电路组成。

图3.35 磁栅原理

     磁性标尺（简称磁尺）是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀等方法附着上一层10-20μm厚的硬磁性材料，并在它的表面上录制相等节距周期性变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚1-2μm的耐磨塑料保护层。
     磁尺按其基本形状不同可分为直线位移测量用的平面实体型磁尺、带状磁尺和线状磁尺，以及用于角位移测量的圆形磁尺。
     磁头是进行磁-电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电路中去。普通录音机、磁带机的拾磁磁头是速度响应型磁头，其输出电压幅值与磁通变化率成正比，只当磁头与磁带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号，所以这种磁头只能用于动态测量，而不用于位置检测。为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。
     磁通响应型磁头是利用带可饱和铁心的磁性调制器原理制成的，在用软糍材料制成的铁心上绕有两个绕组，一个是激磁绕组，一个是拾磁绕组，这两个绕组均由两段绕向相反并绕在不同铁心臂上的绕组串联而成。一定幅值的高频激磁电流在激磁绕组中产生磁通φ1，与磁性标尺作用于磁头的直流磁通φ0相加。由于磁通方向不同，各分支磁路有的被加强，有的被削弱。当磁头位于b点时，φ0=0，使磁路工作点向不同方向位移，因磁路的非线性，便在输出绕组中得到高频激磁电流的二次调制谐波的信号输出，输出电压为：

     式中，U0-感应电压系数，λ-磁尺上磁化信号的节距，x-磁头相对磁尺的位移，ω/2-激磁电流频率
     这种调制输出信号跟磁头与磁尺相对速度无关，只要计算出振幅变化的次数，并以写入的波长为单位，就可算出位移量。
     为了鉴别磁头在此尺上的移动方向，通常采用间距为（m+1/4）λ的两组磁头，如图所示，m为任意整数。从两个磁头得到的输出信号为

     U1和U2是相位相差90°的两列脉冲。至于哪个导前，则取决于磁尺的移动方向。根据两个磁头输出信号的超前或滞后，可确定移动方向。
     （二）、测量方式和检测系统
     测量方式有鉴相测量方式和鉴幅测量方式。检测系统包括激磁电路、读取信号的滤波、放大、整形、倍频细分、数字化和计数等环节。
     1.鉴相测量方式
     采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距λ，并可以通过提高内插脉冲频率来提高系统的分辨率。

图3.36 磁栅鉴相测量方式

将图中的一组磁头激磁信号移相90°，达到输出电压为

在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为

由上式可知，合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置x变化而变化。
2.鉴幅测量方式
磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为90度的两组信号

磁头H1、H2相对于磁尺每移动一个节距发出一个正余弦纤毫，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的倍频电路，所以不经常采用。

图3.37 磁栅鉴幅测量方式

     为了测量达到一定精度，磁栅要满足下列要求：
     1、磁栅基尺不导磁，其热膨胀系数与仪器或机床的相应部分相近似；
     2、磁性薄膜的剩磁Br要大，矫顽力Hc要高；
     3、长磁栅平直度要求为0?005～0?01mm/m，圆磁栅的不圆度要求为0?005～0?01mm，尺面要光滑；
     4、录磁信号幅度要均匀，节距要均匀。
     （三）、磁栅的应用