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作者:王崇飛 (1999-09-02);修改:王崇飛 (2000-05-05);核可:徐業良 (2000-05-08)
附註:本文為元智大學機械系大四自動化機械設計實務課程教材。

位移感測元件簡介

一個物體在空間中運動的自由度共有六個,如圖1所示分別是沿著XYZ三軸平移以及繞著三軸旋轉,因此要描述物體在空間中運動的軌跡,可以藉由合成的方式,先單獨考慮平移或旋轉運動,再予以合成。此外,在一般的機械儀器中「系統定位」是最常需要進行的一項校正工作,而其中牽涉到的物理量就是位置的量測,其中包含了相對之位移與角度位移,從人體身高的量測到建築土木丈量,甚至到全球定位系統(GPS),都是需要運用不同技巧量取位置資料。

1 空間中六個自由度

一、位移感測元件之種類與原理

不論是在日常生活中或是在一些機構設施中兩大類。,都經常需要測量長度或距離,因此用來量測這類物理量的感測器不論是在種類上或是作動原理上都相當的多,在實務運用上大致可以分為固定量測與變動量測兩類。所謂固定量測是以簡單的位置感測器如光電開關、極限開關感測、量取固定的位置、長度,且固定量測的輸出是一固定的訊號。相對的變動量測則是以位移感測元件將運動長度、位置檢出,因此輸出是一變動的訊號,這類的感測器包括了俗稱電阻尺的線性電位計(linear potential meter),線性可變差動變壓器(linear variable difference transformer, LVDT)、電容式測微器、光學尺、以及雷射測距儀等。以下便針對各種位移感測器之原理與相關規格加以討論。

q線性電位計

線性電位計的基本原理是將線性的位移變化以電阻的變化輸出,如圖2所示之電路圖,當位移產生時帶動簧片(wipers)改變電阻R1之阻值,而R2則為參考電壓輸出,因此利用R1R2之電壓差便可換算出位移量;由於電位計的內部是利用接觸式簧片改變電阻值,造成輸出電壓之改變,因此在使用壽命方面有一定的年限,一般為來回往復次,此外在量測的範圍方面典型的範圍多在1m以內,最大可達19m,解析度則為25μm,準確度為全刻度之0.01-0.05%

2線性電位計內部電路圖

q線性可變差動變壓器LVDT

線性可變差動變壓器構造圖圖3所示,其工作原理是由振盪器產生一高頻的參考電磁場,並內建一支可動的鐵磁主軸以及兩組感應線圈,當主軸移動造成強度改變由感應線圈感應出兩電壓值,相比較後即可推算出移動量,若需感測移動的方向則只需在電源側再加入一組一次線圈,藉由感應電壓的相位判讀出運動方向。一般的量測範圍為0.1mm1m,解析度為0.1μm,精確度為全刻度之0.01-0.05%

3 LVDT結構示意圖

q電容式測微器

電容式測微器主要利用電容效應,當物件至感測器間之距離改變時,即會改變電容值,應用此一原理可擷取待測物件細微幾何形狀之尺寸。由於電容效應存在於各個物質間,因此在感測器的設計上必需考慮到雜訊防治的保護措施,如圖4(a)所示之結構圖在感測器外圍加上兩層封裝以杜絕外界干擾,圖4(b)則為感測器的等效電路圖。電容式測微器由於利用電容效應因此解析度相當高,一般電容式感測器的量測範圍為±0.13mm,解析度為0.1μm,精確度則為全刻度之0.1-0.2%,同時電容式測微器為非接觸式量測,因此理論上壽命為無限長。

    

(a)結構封裝示意圖                                      (b)等效電路圖                     

4 電容式測微器

q光學尺

前面所介紹的感測器都是利用電磁效應進行感測,另外還有利用光學原理進行量測的元件,這類元件絕大部份都是屬於非接觸量測,光學尺就是其中之一。光學尺的原理是利用光電晶體與光電感測器組合製成的光學編碼器與光學繞射效應,在構造上光學尺有一組光學感測器與一把刻劃有狹縫之玻璃主尺以及一組訊號讀取頭,光學尺的光學編碼器是與移動物件一起運動,當物體移動時光源也一併移動,光源透過主尺時產生繞射,藉由讀取繞射條紋之數目便可經由轉換算出物體移動量。

三、角度感測元件之種類與原理

角度感測元件的種類依照元件內部結構來分,可以劃分成接觸式與非接觸式,以接觸式而言最具代表性的是旋轉電位計(rotational potential meter),而以非接觸式而言則有旋轉可變差動變壓器(rotational variable difference transformer, RVDT),以及角度編碼器(encoder),以下將針對各種角度感測器之原理與相關規格加以討論。

q旋轉電位計

旋轉電位計的基本原理是將旋轉的角度變化以電阻的變化輸出,與之前所介紹之線性電位計原理相同。由於是利用旋轉簧片(wipers)改變電阻值,造成輸出電壓之改變,因此在使用壽命方面有一定的年限,一般為轉,此外在量測的範圍方面最多可達10轉,解析度則為5秒,準確度為全刻度之0.02-0.1%

q旋轉可變差動變壓器RVDT

旋轉可變差動變壓器RVDT的原理則是利用角位移改變差動線圈之電感,以及變壓器之感應電壓,與之前所介紹之線性可變差動變壓器LVDT原理相同;RVDT內部結構雖然是非接觸式,沒有磨耗的問題,不過由於荷重的緣故,因此壽命與轉軸軸承壽命相同,此外在量測的範圍方面為±60°,解析度為25μrad,準確度為全刻度之0.05-0.1%

q角度編碼器(Encoder)

角度編碼器的基本原理如圖5所示,一旋轉軸帶動刻有細長槽的圓盤,兩側分別擺放發光二極體與光電晶體,發光二極體光線若透過刻槽讓光電晶體接受到,將啟動光電晶體形成通路,所以當圓盤不斷旋轉光電晶體將持續送出開路與通路訊號,我們只要記錄訊號出現的數目即可計算出旋轉角度。當然圓盤的刻橫分劃越細密,所能量測的角度位置精度越高,若要測量正反轉位置時,則可以藉由不同的刻畫方式將每一個位置區分開來,獲得絕對位置的角度變化。

5 角度編碼器的作動原理

5所示之作動原理是一般增量型角度編碼器,由於增量型編碼器極容易誤讀,同時也無法記錄每一個角度,也就是若在量測中突然斷電則所有資訊將全部遺失,因此在編碼器的設計中又產生了絕對型角度編碼器。

絕對型角度編碼器是以多組光電感測器來讀取一組位置資訊,因此可以利用二進位碼(Binary code)將圓分成若干等分,如圖6(a)所示,而每個角度都由一固定的編碼代表,此外由於必需考量到雜訊的抑制、判別正反轉、以及防止誤讀提高可靠度,因此絕對型角度編碼器在編碼方式上又多採用格雷碼(Gray code)編碼,如圖6(b)所示,格雷碼與一般二進位碼最大的差異在於格雷碼每次只變動一個位元,因此不易產生誤讀,兩者編碼方式如表1所示。

(a)二進位碼編碼                  (b)格雷碼編碼     

6 絕對型編碼器

1 十進位、二進位、格雷碼之比較

十進位

二進位碼

格雷碼

0

000000

000000

1

000001

000001

2

000010

000011

3

000011

000010

4

000100

000110

5

000101

000111

6

000110

000101

7

000111

000100

8

001000

001100

9

001001

001101

四、線性電阻尺之應用實例

根據自行車運動相關研究報告指出,微量的車身結構變化即能造成騎乘效果的改變,因此若能將虛擬實境模擬訓練與可調式動態機構設計結合於一體,則能由位置資料的回饋獲知自行車運動力學研究所需之數據資料,同時也能提供自行車選手一個動態模擬的訓練平台,讓訓練更具成效。

在「結合虛擬實境之多功能自行車訓練測驗機」設計案例中,設計的重點在於能將車身結構的幾何形狀量測出來,同時搭配上虛擬實境與致動器以及控制系統模擬進行車手之訓練,因此在設計幾何形狀量測系統時便需要考慮到感測器的解析度與精確性,相同的在控制系統方面也需考慮其精確性,以確保系統整體的穩定性,本設計案例之整體架構如圖7所示。

7 自行車訓練機控制系統流程圖

在圖7中可以看出一項完整的機電整合系統就是由控制器、感測器、與致動器三者組成,在本設計案例中運用到的感測器有線性電位計、角度解碼器、以及近接開關,而在致動器方面則使用到了步進馬達與伺服馬達,至於在控制器方面則是利用個人電腦控制,而各個組件之間的資訊流通則是利用ADC界面卡與馬達驅動器。

在此設計案例中,由於車架幾何尺寸的變化量對於實驗評估相當重要,同時位移變化量又不是很容易準確的量測,因此在設計上利用四組線性電位計裝置在四個不同的位置上量測車架之幾何尺寸變化。使用線性電位計在本案例中的優點包括:電位計的體積小安裝容易,電位計之輸出訊號容易經由轉換達成控制,電位計之成本較低。

電位計在實務應用上還需搭配上一只轉換器(transmitter)才能使用,轉換器一般工業界俗稱「錶頭」,其功用是將交流電源轉換成穩定的直流電源供應給電位計,同時將電位計的輸出電壓訊號加以比對,並且將比對後的訊號放大輸出,轉換器的整體功能就好似一差動放大器,先提供元件一固定電壓源,再與元件的回饋電壓相比較,同時放大輸出。電位計與轉換器之連結如圖8所示,其中電位計共有三條接線分別是電源輸入、共接點、以及電壓輸出,而轉換器則有八個端子,分別是訊號輸出、電源輸入、以及電位計訊號輸入輸出。

8 電位計與轉換器之連結

五、角度編碼器之應用實例

在「結合虛擬實境之多功能自行車訓練測驗機」設計案例中,由於考量到調整座椅、車架角度之頻率極高,若採用一般的旋轉電位計測量角位移,則會因為簧片的磨耗使得量測數據不穩定,有可能產生使用上不安全的疑慮,因此我們利用非接觸式的光學角度編碼器感測角位移。

角度編碼器在使用上相當方便,由於其輸出訊號是一數位式的訊號,因此在實務上多利用一界面卡將訊號蒐集,並將訊號傳送至微電腦之中央處理單元運算。在硬體的安裝上就如同使用ADC一樣,先將編碼器資料蒐集卡與編碼器連線,同時以驅動軟體驅動界面卡,便完成編碼器與界面卡的安裝,圖9為編碼器安裝配置圖。

9 編碼器安裝配置圖

角度編碼器的選用常以每轉多少輸出脈衝訊號為基準,同時也要注意所使用的電壓與電流大小,例如12V 15mA 500脈衝/轉;角度解碼器通常有五組接點,為電源、地線、A相、B相及C相,ABC相三組為輸出訊號接點,其中A相與B相訊號相差90度相角,如此便可以判別出正轉或是反轉,C相則為每轉一圈輸出一個脈衝訊號。

六、實驗設計

q實驗一 線性電位計線性度實驗

線性電位計的內部構造是由可變電阻所構成,因此線性電位計也有功率消耗的問題,其功率為,隨著功率消耗所產生的問題是熱量的生成,當所使用的電壓源為線性電位計之額定電壓時,所產生的熱量可以藉由線性電位計之機殼以自然對流方式消散,當輸入電壓超過額定值時,會造成電阻表面材質因受熱而改變電阻值,使得輸出電位漂移(drift),若輸入電壓持續的升高則有可能造成線性電位計因過熱而燒毀。

線性電位計在工業上的應用多使用於精密機械中,例如需要精確定位的伺服定位系統或是量測儀器儀表中,一般的線性電位計之解析度雖然可以達到25μm,但是由於電位計的內部是利用接觸式簧片改變電阻值,造成磨耗使得電阻值改變,影響輸出電壓之線性度,因此線性電位計在使用一段時間後電位計的線性度會變差。

所謂線性度是指線性電位計在不同位置下與輸出電壓之關係,理論上來說一支理想的線性電位計在每移動一固定步徑長度時,其輸出電壓的改變量應該為定值,本實驗的目的就是要利用簡單的設備量測線性電位計之線性度,同時藉由實驗的進行幫助同學更加瞭解線性電位計的特性與使用方法。

AD卡的實驗中曾利用AD/DA卡擷取不同形態之訊號,請利用AD/DA卡擷取電阻值變化之系統,規劃一套可以測定線性電位計線性度的實驗方法與實驗平台。本實驗的重點包括:如何驅動線性電位計使其能夠作固定步徑長度的運動,如何量測電位計的輸出電壓,以及如何測定線性電位計之運動步徑長度,此外更重要的是如何訂定測試標準。因此在設計本實驗之前請先蒐集線性電位計之相關技術資料,以及構思該使用何種致動器驅動線性電位計,才能達到精密定位的功能。

q實驗二 角度編碼器轉角控制實驗設計

角度編碼器應用的場合相當多,例如在電腦周邊設備上也常利用角度編碼器作定位的工作,印表機送紙定位系統、印字頭定位系統、以及滑鼠內軌跡球的位移轉換器…等,都是利用角度編碼器的原理製作。

請利用本文所介紹之角度編碼器感測一旋轉轉盤之角度變化量以及旋轉方向。本實驗之目的在於學習如何使用角度編碼器,以及如何利用角度編碼器資料蒐集卡擷取旋轉物件之角度變化量以及旋轉方向,因此在開始設計、規劃實驗前,請先蒐集角度編碼器之相關技術資料,同時研讀本實驗所使用PCL-833編碼器資料蒐集卡之使用手冊。本實驗之重點在於利用編碼器資料蒐集卡擷取資料,並將訊號傳送至個人電腦,以編碼器資料蒐集卡所附之驅動程式將資料逐一記錄,如此便能藉由微電腦系統作進一步之控制運算,達到伺服控制的目的,旋轉轉盤以及其它相關結構可以利用樂高組件搭建,同時也可以利用樂高組件中之馬達、齒輪…等建構傳動裝置。

參考資料

1.      Slocum, A.H., 1992. Precision Machine Design, Prentice Hall.

2.      Irwin, J.D., and Kerns, J.R., 1995. Introduction to Electrical Engineering, Prentice Hall.

3.      Sedra, A.S., Smith, K.C., 1987. Microelectronics Circuits, Holt, Rinehart, and Winston.

4.      郭興家、劉新在,84年。自動化工程,高立圖書。

5.      郭興家、邱弘興,86年。機電整合,高立圖書。

6.      黃盛豐、楊慶祥,79年。工業配線實習-低壓篇,全華圖書。

7.      賴茂富、蔡鴻彰,75年。感測器原理與實驗 ,中儀科技圖書。