位移、速度、位置传感器（上）

一、检测元件的作用与分类

    检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。用于检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床，尤其是高精度或大中型数控机床时，必须选用检测元件。

位移传感器         速度传感器         位置传感器

    数控机床对检测元件的主要要求：
 ①高可靠性和高抗干扰性；
 ②满足精度与速度要求；
 ③使用维护方便，适合机床运行环境；
 ④成本低。
     不同类型的数控机床对检测系统有不同的要求。一般来说，对于大型数控机床要求速度响应高，而对于中型和高精度数控机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率，一般要求比加工精度高一个数量级。
     位移检测装置的分类如下：

    直接测量:对机床的直线位移采用直线型检测元件测量，叫做直接测量。其测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。
    间接测量:对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，叫做间接测量。其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。

    在数控机床上，除了位移检测外，还有速度检测。其目的是精确控制转速。常用的转速检测元件有测速发电机、回转式脉冲发生器，脉冲编码器和频率—电压转换线路产生速度检测信号。
下面就几种常用的传感器进行详细的介绍。

二、旋转变压器

1．旋转变压器的结构和工作原理
    旋转变压器{又称同步分解器)是一种旋转式的小型交流电机，它由定子和转子组成。

图4-3所示,左边为分解器，右边为变压器。变压器的作用是将分解器转子绕组上的感应电动势传输出来，省掉了电刷和滑环。分解器定子绕组为旋转变压器的原边，分解器转子绕组为旋转变压器的副边，激磁电压接到原边，激磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz、5000Hz。其结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号的幅度大，抗干扰性强，工作可靠，为数控机床经常使用的位移检测元件之一。

如:下图所示

    旋转变压器是根据互感原理工作的。结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，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θ角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。当两者呈一定角度时，其互感按正弦规律变化，如图 4-4 所示，副边绕组中产生的感应电压为

(4— 1a )

式中， K ——变压比，即两个绕组匝数比 ；

——定子的激磁电压， ；

——定子的最大瞬时电压。

当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴平行时 ( ) ，如图 4-4(c) 所示，最大的互感电压为

(4-1b)

2 ．旋转变压器的应用

  应用旋转变压器作位置检测元件，有两种方法：鉴相型和鉴幅型应用。通常采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，见图 4-5 。

 鉴相型应用 在此状态下，旋转变压器的定子两相

正交绕组即正弦绕组S和余弦绕组C中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差的正弦交流电压(如图4-5所示)，

（4-2）

(4-3)

这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中 ( 另一绕组短接 ) 感应电动势为

    测量转子绕组输出电压的相位角，即可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位移。

  (2) 鉴幅型应用 这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即

(4-4)

(4-5)

激磁电压频率为2 ～4kHz 。
    定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势，其大小与转子和定子的相对位置即 有关，并与激磁的幅值 和 有关，即

(4-6)

若 ，则 。

   从物理概念上理解，表示定子绕组合成磁通 Φ 由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当中垂直于转子绕组线圈平面时，即 时，转子绕组中感应电动势最大。

    在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子激磁信号的( 即激磁幅值 ) ，使其跟踪 ，的变化。当感应电动势 的幅值 为零时，说明 角的大小就是被测角位移 的大小。

三、感应同步器

1 ．感应同步器的结构

    从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多极旋转变压器。利用滑尺上的激磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置电信号来实现位移检测。
    感应同步器分旋转式和直线式两种，前者用于角度测量，后者用于长度测量，见图4-6所示。

    直线式感应同步器由作相对平行移动的定尺和滑尺组成，定尺与滑尺之间有的均匀气隙。定尺表面制有连续平面绕组，绕组节距2 τ 通常为2mm 。滑尺的表面制有两组分段绕组，即正弦绕组 (S) 和余弦绕组 (C) ，两者相对于定尺绕组错开1／4 节距。

2 ．感应同步器的工作原理

    感应同步器的工作原理与旋转变压器基本上相同，使用时，在滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相对位置，如图4-7所示。按照滑尺上两个正交绕激磁的不同信号，感应同步器的测量方式分为鉴相测量方式和鉴幅测量方式两种。

(1) 鉴相方式 给绕组S 和C 分别通以幅值相同、频率相同但相位相差的交流电压，即

(4-7)

(4-8)

分别在定尺的绕组上产生感应电压：

(4-9)

(4-10)

则在定尺绕组上产生合成电压为

(4-11)

若感应同步器的节距为2 τ ，则滑尺直线位移

量x 与之间的关系为

(4-12)

在一个节距内与x 是一一相对应的。通过测量定尺感应电压的相位，即可测量出定尺相对滑尺的位移x 。图4-8 是鉴相系统的结构框图。

(2) 鉴幅方式 给滑尺的正弦绕组S 和余弦绕组C 分别通以频率相同、相位相同但幅值不同且能由指令角位移调节的交流电压，即

(4-13)

(4-14) 则感应到定尺绕组电势为

(4 -15a )

若U_{C=0，则V=0 。}

假定激磁电压的与定尺、滑尺的实际相位角不一致时，设，则

(4-15b) 当很小时，上式可近似表示为

(4 -15c ) 由上式可知，定尺上感应电势与α 成正比，即V 随指令给定的位移量与工作台实际位移量的差值成正比变化。因此通过测量V 的幅值，就可以测定位移量Δ x 的大小。

鉴幅型系统用于数控机床闭环系统的结构框图如图4-9 所示。当工作台位移值未达到指令要求值时，即，定尺上感应电压。该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当工作台移动至时，定尺上感应电压V=0 ，误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压 V 同时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制工作台的运动方向。

3 ．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±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。