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1、第六章 数字式传感器数字式传感器，是指能把被测（模拟） 量直接转换 成数字量输出的传感器。数字式传感器具有下列特点： 具有高的测量精度和分辨率，测量范 围大； 信号易于处理、传送和自动控制； 稳定性好，抗干扰能力强，电磁兼容 性好。 便于动态及多路测量，读数直观； 安装方便，维护简单，工作可靠性高 。常用的数字式传感器主要有以下几种： 感应同步器； 编码器； 光栅； 容栅； 磁栅； 频率式传感器。感应同步器感应同步器是应用电磁感应原理把位 移量转换成数字量的传感器。它具有 两个平面型的印刷绕组，相当于变压 器的初级和次级绕组。通过两个绕组 的互感变化来检测其相互的位移。感 应同步器可分为两大类
2、，测量直线位 移为直线式感应同步器和测量角位移 为旋转式感应同步器。感应同步器6.1. 1.结构与类型 1.结构组成图1-1 直线式感应同步器的绕组结构 (a)定尺绕组 (b)W形滑尺绕组 (c)U形滑尺绕组定尺是长度为： 250mm 节距： W22（a2b2） 滑尺上两相绕组 中心线距应为： l1（n/21 4）W2 两绕组相差90 电角度感应同步器 通常，定尺的节距W2为2mm。定尺 可按式a2nW2/v来选择，其中v为 谐波次数，n为正整数，显然a2W2 2。 滑尺的节距W1通常与W2相等，绕组 的导片宽度同样可按式a1nW1/v来 选取。感应同步器基板上通过粘合剂4粘有一层铜箔。铜箔
3、厚度在0.lmm以下，通过蚀刻得到所需的 绕组3的图形。在铜箔上面是一层耐腐蚀 的绝缘涂层1。根据需要还可在滑尺表面 再贴一层带绝缘层的铝箔5，以防止静电 感应。感应同步器2感应同步器的类型 因被测量: 直线（位移）式 旋转式感应同步器6.1.2 感应应同步器的工作原理图6-5 感应同步器工作原理示意图图6-6 两绕组相对 位置 与感应电势的关系 S-正弦绕组；C-余弦绕组感应同步器图65: 当滑尺绕组用正弦电压激磁时，将产生同 频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上 感应出同频率的感应电势 。感应电势 的幅值除与激磁 频率、耦合长度、激磁电流和两绕组的间隙等有关外 ，还与两绕组的相对
4、位置有关。设正弦绕组上的电压 为零，余弦绕组上加正弦激磁电压，并将滑尺绕组与 定尺绕组简 化如图66所示。 当滑尺位于A点时，余弦绕组左右侧的两根导片中 的电流在定尺绕组导 片中产生的感应电势 之和为零。 当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定尺绕组导 片的 感应要比右侧导片所感应的大。定尺绕组中的感应电 势之和就不为零。感应同步器当滑尺移到14节距位置（图66B点）时，感应 电势达到最大值。若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势 逐渐减 少。到12节距时，感应电势变为 零。再右移滑尺 ，定尺中的感应电势 开始增大，但电流方向改变。 当滑尺右移至34节距时，定尺中的感应电势 达到 负的最大值。在移动
5、一个节距后，两绕组的耦合状 态又周期地重复如图66A点所示状态（曲线二） 。同理，由滑尺正弦绕组产 生的感应电势 如图66 曲线2所示。感应同步器或（6-1）或 （6-2）定尺中的感应电势 随滑尺的相对移动呈周期 性变化；定尺的感应电势 是感应同步器相对位置 的正弦函数。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别 加上正弦电压usUssint和ucUcsint，则定尺 上的感应电势 es和ec可用下式表达：其中：K耦合系数；与位移x等值的电角度，2xW2。感应同步器1鉴鉴相法所谓鉴相法就是根据感应电势 的相位来测量位移。 采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组 上分别加频率和幅值相同，但相位差为/
6、2的正弦激磁 电压，即usUmsint和ucUmcost。根据式（62），当余弦绕组单 独激磁时，感应电 势为（63）同样，当正弦绕组单 独激磁时，感应电势为（64） 正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理，总感应 电势为感应同步器（65）上式是鉴相法的基本方程。由式可知，感应电势 e 和余弦绕组激磁电压uc之相位差正比于定尺与沿 尺的相对位移x。感应同步器2鉴鉴幅法所谓鉴幅法就是根据感应电势 的幅值来测量 位移。若在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上 分别加频率和相位相同、但幅值不等的正弦激磁 电压，即usUmsinsint和uc-Umcoscost。 则在定尺绕组上产生的感应电势 分别为 感应
7、同步器根据叠加原理，感应电势为 ：（66）由上式可知，感应电势 的幅值为 KUmsin（ ），调整激磁电压值，使2xW2，则定尺 上输出的总感应电势为 零。激磁电压的中值反映 了感应同步器定尺与滑尺的相对位置。式（66 ）是鉴幅法的基本方程。=感应同步器3脉冲调宽调宽 法前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦激磁电 压，而脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上 分别加周期性方波电压，即其波形如图67（a）所示。把us，uc分别用傅里叶 级数展开，可得感应同步器若把us加到滑尺正弦绕组上，则定尺感应电势 es应 为各次谐波所产生的感应电势 之和，即（69）(6-7)(6-8)感应同步器若把uc加到滑
8、尺余弦绕组上，同样可得到定尺感应电 势为各次谐波产生的感应电势 之和，即（610）es、ec的波形均为一系列的尖脉冲，如图67（b） 。感应同步器当正弦、余弦绕组同时分别以us、uc激磁时，根 据叠加原理，定尺中的总感应电势为eesec。 从上面的es、ec表达式中可知：感应电势除基波 分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若使用性 能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基波成分， 这时可认为感应电势为（611）它表明了滑尺、定尺间的相对位移与激磁脉冲 的宽度之半的关系。感应同步器6.1.3 数字测测量系统统 1鉴相法测量系统图6-8 鉴相法测量系统原理框图通过感应同步器将 代表位移量的电相 位变化转换
9、成数字 量。鉴相法测量系 统通常由位移相 位转换，模一数转 换和计数显示三部 分组成感应同步器2鉴鉴幅法测测量系统统 此系统的作用是通 过感应同步器将代 表位移量的电压幅 值转换 成数字量。 图图6-9 鉴鉴幅法测测量系统统原理图图鉴相法和鉴幅法测 量系统都是一个闭 环伺服系统，只是 反馈量不同。在使 用中，都受最大运 动速度的限制，且 后者的运动速度及精度都较前者低。感应同步器6.1.4 感应应同步器的接长长使用 图图6-10 感应应同步器定尺接长误长误 差示意图图在使用中，滑尺 要全部覆盖在定 尺上，当测量长 度超过150mrn时 ，需要用多块定 尺接长使用。定 尺接长后全行程 的测量误差
10、一般 要大于单块定尺的最大误差，这是因为接缝处的误差与每块 定尺的误差曲线的不一致性所致。但是，用适当的连接方 法可以减小全行程测量误差，使它接近于单块定尺的最大 误差。编码器编码器以其高精度、高分辨率和高可 靠性而被广泛用于各种位移测量。编 码器按结构形式有直线式编码器和旋 转式编码器之分。由于旋转式光电编 码器是用于角位移测量的最有效和最 直接的数字式传感器，并已有各种系 列产品可供选用，故本节着重讨论旋 转式光电编码器。编码器 旋转式编码器有两种： 增量编码器； 绝对编码器。 目前应用最广的是利用光电转换原 理构成的非接触式光电编码器。6.2.1光电编码电编码 器的基本结结构与原理 编码
11、器1绝对编码器图6-11 光电绝对编码器结构示意图光电编码器的码盘通 常是一块光学玻璃， 码盘与旋转轴相固联 。玻璃上刻有透光和 不透光的图形。编码 器光源产生的光经光 学系统形成一束平行 光投射在码盘上，并 与位于码盘另一面成 径向排列的光敏元件 相耦合。光学码盘通常用照相腐蚀法制作 。现已生产出径向线宽为 6.7108 rad的码盘，其精度高达 1/108。编码器图图6-12 具有分解器的19位 光电编码电编码 器该编码器的码盘具有14（位）内码道和1条专用附 加码道。后者的扇形区之形状和光学几何结构稍 有改变且与光学分解器的多个光敏元件相配合，编码器其能产生接近于理想 的正、余弦波输出；
12、 并通过平均电路进行 处理，以消除码盘的 机械误差，从而得到 更为理想的正弦或余 弦波。对应于14位 中最低位码道的每一 位，光敏元件将产生 一个完整的输出周期 ，如图613所示。 图图6-13 附加码码道光敏元件输输出编码器插值器将输人的正弦信号和余弦信号接不同的系 数加在一起，形成数个相移不同的正弦信号输出 。各正弦波信号经过零比较器转换成一系列脉冲 ，从而细分了光敏元件的输出正弦波信号，于是 就产生了附加的最低有效位。如图612所示的19 位光电编码 器的插值器产生16个正弦波形。每二 个正弦信号之间的相位差为。8，从而在14位 二进制编码器的最低有效位间隔内产生32个精确 等分点。这相
13、当于附加了5位二进制数的输出，使 编码器的分辨率从1/214提高到1/214，优于1/525， 角位移小于3。 编码器2增量编码器 在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数 量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉 冲的增量码道（S1）。扇形区的多少决定了编码器 的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。例如，一个 每转5000脉冲的增量编码器，其码盘的增量码道上 共有5000个透光和不透光扇形区。中间一圈码道上 有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形 区，作为辨向码道（S2）。码盘旋转时，增量码道 与辨向码道的输出波形如图614所示。在正转时 ，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形2；反转
14、时，增量计数脉冲滞后2。这种辨向方法与光栅 的辨向原理相同。同样，用这两个相位差为2 的 脉冲输出可进一步作细分。编码器图图6-14 增量编码编码 器的输输出波形 （a）码盘码盘 正转时转时 （b）码盘码盘 反转时转时 第三圈码道（Z）上只有一条透光的狭缝，它作为码盘 的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一 个初始的零位（清零）信号。增量编码器的精度主要取 决于码盘本身的精度。用于光电绝对编码 器的技术， 大部分也适用于光电增量编码器。编码器3光电增量编码器的应用图图6-15 LEC 型小型光电电 编码编码 器外形图图(1)典型产品应用介绍图615所示为LEC型小型光 电增量编码器的外
15、形图。每 转输出脉冲数为205000， 最大允许转速为5000rmin 。 LEC型微型光电编码器的最 高分辨力为2048脉冲转。 电源电压为5V、12V和15V 三种。输出有电压输出、集 电极开路输出（OC门）和 差分线性驱动器输出三种。编码器图图6-16 （a）差分接收电电路 （b）差分线线性驱动输驱动输 出波形为了避免长距离传送时的噪声干扰，可采用差分线性 驱动器输出或OC门输出。前者在接收端用一个差分接 收器（例如Am26LS32）。这时，编码器输出是带有 极性的互补信号的电压差，而不是绝对值 。因此，噪 声干扰电平就只能引起一个无效的共模电压。其接收 电路和输出波形见图616所示。编码器(2)测量转速 图图6-17 增量编码编码 器直接用于测测量转转速（a）用编码编码 器测测量平均速度 （b）用编码编码 器测测量瞬时时速度的原理框图图编码器(3)测量线位移在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线 位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置 把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取 决于机械装置的精度。 图618（a）表示通过丝杆将直线运动转换 成 旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码 器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力 。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙 机构。图（b）是用齿轮齿 条来实现直线旋
