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1、第十章 位移-数字传感器第一节 光栅传感器数字式传感器可以把输入量转换成数字量输出，直 接送入计算机进行数据处理。数字式传感器是检测技术 、微电子技术和计算机技术的综合产物，是传感器技术 发展的一个重要方向。进行位移测量的数字式传感器主要有光栅、磁栅、 容栅、感应同步器和旋转编码器等。本章将对这几种位 移数字传感器作以介绍。光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。我们 这里所讲的光栅传感器是根据莫尔条文原理制成的一种 计量光栅，计量光栅指的是测量长度的光栅，多用于直 线位移和角位移的测量。光栅传感器由光源、透镜、光栅副、光电元件四大部分组成，如图 10-1所示。按光栅形状长光栅圆光栅按光线走向
2、透射光栅反射光栅光源透镜主 光 栅指 示 光 栅光电 元件光栅副光 学 玻 璃工 业 白 玻 璃一、光栅传感器的结构栅距栅线宽度栅线缝隙宽度长光栅圆光栅图10-2 长光栅与圆光栅示意图圆光栅上的刻线：径向刻线切向刻线图10-3 圆光栅结构示意 图二、莫尔条纹形成原理（长光栅）1 主光栅 2 指示光栅将主光栅 和指示光栅刻 线面相对叠合 ，中间留很小 间隙，栅线保 持很小夹角 ，则在a方向 上会透射出明 暗相间的莫尔 条纹。栅距 一般选择主光栅和指示光栅的光栅常数（栅距） 相等，则有： 莫尔条纹斜率：莫尔条纹间距：结论：条纹间距B是栅距W的倍数，可以通过检测较 宽B条纹来检测微小的栅距变化。莫尔
3、条纹的重要特性：（1）大量栅线具有平均效应（2）放大作用放大倍数理想光强曲线实际光强曲线图10-5 莫尔条纹与输出光强信号的关系（3）x向位移与光强的对应关系当莫尔条纹的 亮带出现的时候， 相应的光电元件接 收到一个幅值比较 大的信号，暗带出 现时，接收到幅值 较小的信号，信号 的频率取决于光栅 常数W，如图10-5 所示。这样就将光 栅的位移信号变换 成了电信号。 每当光栅移动一个栅距（W），莫尔条纹明暗变化一次 ，光电元件感受到的光强按正弦规律变化一个周期（ ） ，它输出的电信号也就发生相应地变化。在去除光电元件输 出信号中的直流分量后，我们可以得到光电元件输出电压和 光栅位移之间的关系式
4、：输出信号经整形放大和微分电路变为脉冲信号，送入计数 器进行计数，计数值反映位移的大小。三、辨向电路 在实际应用中，由于位移具有方向性，即位移有正负 之分，如果采用一个光电元件则无法确定光栅的移动方向 。为此，必须设置辨向电路。为了实现这种功能，我们可 以在相距B/4的莫尔条纹位置上设置两个光电元件。辨向 电路原理方框图如图10-7所示。 图10-8 向右移动的波形 图10-9 向左移动的波形图10-8 向右移动的波形 图10-9 向左移动的波形光电元件接收到的信号和信号波形如图 v 为了增加光栅传感器的分辨率和测得比栅距更小的位 移量，以提高测量精度，若以移过的莫尔条纹数来确定位 移量，则其
5、分辨率为光栅栅距。一般可以通过增加光栅刻 线密度（机械的方法）和对测量信号进行细分（电气的方 法）的这两种方法来提高测量精度。v 第一种方法制造工艺比较麻烦，成本较高而且会给安 装和调试带来困难，因此一般不采用这种方法，而采用对 测量信号细分方法获得所需的分辨率。下面介绍几种常用 的电气细分法。四、细分电路（一）直接细分在一个莫尔条纹的 间隔B内，放置若干个光电元件来接收同一个莫尔条纹信号，从而得到多个不同相位的信号。如图获得这四个依次相差的信号后，经微分电路和辨向电路送可逆计数器进行计数，这样就将光栅的位移量 转换成了数字量。 根据电脉冲数量识别光栅位置（或速度）的变化。正向移动时加法计数，
6、反向移动时减法计数。（二）电桥细分光电信号1光电信号2输出电压桥臂电阻1桥臂电阻2电桥平衡条件：输出表达式：恰当配合的 参数，可以获得合理细分的输出电压。令选取，则可得v采用多个类似电桥，选取不同R1/R2值，就可以得到一系 列初始相位 各不相同的正弦信号，从而达到任意细分 的目的。这里令，则当输出信号的相位刚好等于 时，负载上得到的电压信号为。即输出波形在相位角处过零。这样就利用电桥细分的方法得到一个新的输出信号 ：第二节 磁栅传感器磁栅传感器主要由磁栅、磁头和测量电路三部分组 成的一种利用磁栅与磁头之间的磁作用以计算磁波数目 来进行测量的位移传感器。在大型机床的数控、精密机 床的自动控制等
7、方面了得到广泛的应用。一、磁栅结构与工作原理磁栅结构磁性基体节距d磁栅录磁示意图磁性材料长磁栅（见下图）圆磁栅磁栅的类型尺形磁栅带形磁栅同轴形磁栅N测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因 为它直接影响位移测量精度。为此需要在高精度录磁 设备上对磁尺进行录磁。当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低 或处在静止状态时，也应能够进行位置测量。 二、磁头磁头的主要作用是把磁栅上的磁信号检测出来并 转换成电信号。它是把反映空间位置变化的磁化信号 检测出来并转换成电信号输送给检测装置中的关键元 件。磁头分静态磁头和动态磁头两种。1.静态磁头-磁通响应式磁头静态磁头读
8、取信号的原理 输出电动势为一调幅波 2.动态磁头-速度响应式磁头若输出信号的周期数为n，则可以测量出位移量三、测量电路 动态磁头一般只装一个，绕组中输出正弦波，输 出信号为正弦波，只要将输出信号放大整形，然后由 计数器记录输出信号的周期个数，就可以测量出位移 量的多少。 缺点：不能辨别运动方向，测量精度低。静态磁头一般装两个互差90度的磁头，两磁头相 距，其中m为任意正整数，d为磁栅节距，能辨别运 动方向，测量精度高，其信号处理方式相对比较复杂 。主要分幅值测量和相位测量两种方法。 去掉高频载波后2倍与励磁角频率1.幅值测量在幅值测量电路中，相邻两个磁头的输出电压可用以下 两式表示：将上面的两
9、路互差90度的输出信号分别进行去除高次谐 波处理后,再进行细分和辩向处理、计数输出。2.相位测量将以上两个输出信号叠加，则可获得总输出信号为：结论：在磁矩d一定的情况下，输出电压的相位由位移 量x决定，即只要测量出输出电压相位的大小，就可以测量 出位移量的大小。相位测量是将其中一个磁头的励磁电流移相45度或输出 信号90度后，其输出信号为四、磁栅数显示表及其应用 v 容栅传感器是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量 转变成为电信号的一种传感器。 第三节 容栅传感器 一、容栅的结构形式与工作原理容栅按其结构形式可分为长容栅和圆容栅两大类。长容 栅主要用于直线位移测量，圆容栅主要用于角位移测量。长
10、容栅的结构原理如图10-19所示。 反射式容栅v 长容栅由定栅尺和动栅尺组成，国内一般用敷铜板制造 。v 圆容栅主要由以透射板作主栅、以分别置于主栅两面的 、保持最佳恒定距离的发射极板和接收极板作分体式副栅构 成。v 对于长容栅，当动栅尺沿方向平行于定栅尺移动时，每对 容栅的覆盖面积将发生周期性变化，电容量也随之发生周期 性变化，如图10-20所示 定栅尺反射电极的极距 dv常用的电极的结构形式有反射式、透射式和倾斜式。 二、容栅传感器电极的结构形式透射式容栅传感器结构示意图 三、测量电路v 容栅式电容传感器测量电路主要有调幅式和调相式测量 电路两种形式。v 1.调幅式测量原理调幅式测量原理电
11、极相对位置图v当静电极片P相对于两组动栅片A和B有位移时，差动电容 器CA、CB不等，电容静极板P上的电荷量发生变化，有 从而导致Um由原来的0发生改变，这时可以通过电子开关 改变差动电容器CA、CB的输入电压，使得QP的值减小，直 至为零。这时有:上两式中C0为初始电容量，l0为发射电极的极距， 则2.调相式测量原理v调相式测量原理如图10-23所示。 v 当两个极板相对移动x(x l0/2)而处于位置b时，反射 极片E上感应的电荷为，由于传感器的接收电极耦合发射电极的电荷，其输出电压 与接收电极的电荷成正比，可见，传感器输出一个与激励电 压同频的正弦波电压，其幅值近似为常数K，而其相位则与
12、被 测位移x近似成线性关系。只要测量出输出电压的相位就可以 测量出被测位移x。第四节 旋转编码器 v 编码器按照被测物理量的形式，可以分为角位移和直线 位移编码器 。目前，脉冲编码器每转可发出数百至数万个方 波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。数控系统通过 对该信号的接收、处理、计数即可得到电动机的旋转角度， 从而算出当前工作台的位置。我们这里主要讲述常用的旋转 编码器（角位移）。1、旋转编码器的分类按照信号的读出方式编码器可分为接触式和非接触式两种。 按照工作原理编码器可以分为绝对式和增量式两种。 二、绝对式编码器 v 绝对式编码器有许多编码方式，我们这里只介绍自然 二进制编码和循环二进
13、制码(格雷码)。 v 1.自然二进制编码器接触式四位二进制码盘 导电区 绝缘区 能分辨的最小角度为n位二进制码盘,该图n为4。 当码盘随转轴转动时，电刷上将出现相应的电位，对应 一定数码，相应的表示十进制数的015。然后将这些信号送 往信号处理显示电路，即可显示码盘转过的角度。电刷 位置十进制自然二进制码循环二进制码 DA3A2A1A0B3B2B1B0a000000000 b100010001 c200100011 d300110010 e401000110 f501010111 g601100101 h701110100 i810001100 j910011101 k1010101111 j
14、1110111110 m1211001010 n1311011011 o1411101001 p15111110002.循环二进制编码器v 循环码的特点是相邻的两组数码只有一位发生变化。 因此即使安装和制作有误差，产生的误差最多也只是最低 位的一位。循环码的码盘结构示意图如图所示 循环码码盘结构示意图 三、增量式编码器增量式码盘由圆盘、光源、光敏元件和计数器等组成， 如图所示。 计计数值值就反映了码盘转过码盘转过 的角位移m为圆盘为圆盘 上的缝缝隙数，n为计为计 数器获获得的脉冲数 四、旋转编码器的应用v增量式光电码盘测角度的原理图 输出波形图 第五节 感应同步器感应同步器是一种根据电磁感应原
15、理，利用两个平面 型电路绕组，其互感随位置而变化的原理工作的位移传感 器。按用途可分为测量线位移的直线型感应同步器和测量 角位移的圆盘型感应同步器 。 主要优点：结构简单、制造方便、对工作环境要求不 高，在大中型机床上得到广泛应用。一、结构直线型感应同步器按其使用的精度、测量尺寸的范围和 安装的条件不同，又可以设计制造成以下几种不同形状的 感应同步器。1.标准型直线形感应同步器定尺滑尺滑尺上 的绕组*感应输出信号互差90度!3.带型原理同标准型。带型感应同步器定尺不需要拼接，便 于安装，特别是对于设备安装面不易加工的场合，但由于 定尺的刚性差，测量精度要比标准型低， 2.窄型 原理同标准型。其
16、不同点是宽度窄一点，其电磁感应强 度较标准型小，因此测量精度较低。一般用于设备安装位置 受到限制的场合。 圆盘形感应同步器定子转子输出感应脉冲绕组绕组二、工作原理感应电动势最大感应电动势为0感应电动势负向最大感应电动势为0定 尺 上 滑 尺 的 正 弦 绕 组 感 应 电 势感应电动势随 滑尺的移动x周 期性变化。滑尺有2 套绕组c 余弦绕组根据电磁感 应定律，当滑尺绕 组（励磁绕组）加 正弦电压时，将产 生同频率的交变磁 通，这个交变磁通 与定尺绕组耦合， 在定尺绕组上产生 同频率的交变电动 势。 S -正弦绕组如果在滑尺上安装两个在空间上互差90度（1/4节距 ）的激磁绕组，分别通入同幅的差90度的交流电，有：正弦绕组激磁电压余弦绕组激磁电压
