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1、第十章 数字式传感器光 栅1.2第10章 数字式传感器感应同步器10.110.2编 码 器10.3频率式传感器10.4第10章 数字式传感器数字式传感器: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： 1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大； 2.抗干扰能力强，稳定性好； 3.信号易于处理、传送和自动控制； 4.便于动态及多路测量，读数直观；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。 第10章 数字式传感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。 感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构 对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位 移具有精度高
2、、工作可靠、抗干扰能力强、寿命 长、接长便利等优点。第一节 感应同步器 第10章 数字式传感器结构组成第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器一、感应同步器的工作原理 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us Ussint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第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁， 其输出信号的处理方式有: 1.鉴相法2.鉴幅法3.脉冲调宽法 三种。第10章
3、 数字式传感器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V2的正弦激磁电压，即us Umsint和ucUmcost。鉴相法根据式（102），当余弦绕组单独激磁时， 感应电势为同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为第10章 数字式传感器正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理，总感应 电势为由上式可知，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。 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器鉴幅法就是根据感
4、应电势的幅值来测量位移 根据叠加原理，感应电势为鉴幅法由上式 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（106）是鉴幅法的基本方程。 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器当用感应同步器来测量位移时，与鉴幅法相类似，可 以调整激磁脉冲宽度值，用跟踪。当用感应同 步器来定位时，则可用中来表征定位距离，作为位置 指令，使滑尺移动来改变，直到，即e0时 停止移动，以达到定位的目的。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,可认为感应电势为脉冲调宽法第10章 数字式传
5、感器二、数字测量系统 鉴相法测量系统 图109为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用 是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转 换成数字量。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。 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器位移相位转换的功能是通过感应同步器将位 移量转换为电的相位移。 模数转换的主要功能是将代表位移量（定尺 输出电压的相位）的变化再转换为数字量。 鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放 大、滤波、整形后的输出信号e，以及相对相 位基准输出信号o。 相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数 模转换器、它是把加。减脉冲数转换为电的相 位变化。 模数
6、转换的关键是鉴相器。 第10章 数字式传感器由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理是： 当系统工作时，相位差小于一个脉冲当量 。若将计数器置0，则所在位置为“相对零点” 。 假定以此为基准，滑尺向正方向移动，的相位发 生变化，与之间出现相位差，通过鉴相器检出 相位差，并输出反映滞后于的高电平。 该两输出信号控制脉冲移相器，使矿产生相移， 趋近于。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止， 这时。 在这个相位跟踪过程中，插人到脉冲移相器的脉冲数 也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计 数器计数并显示，即得滑尺的位移量。 另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过 模拟仪表显示。第10章 数
7、字式传感器鉴幅法测量系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。 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器三、感应同步器的接长使用 感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静 态和动态测量。 在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常 用它作为测量元件。 与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要 求低，机械结构简单，接长方便。 目前在测长时误差约为1m/250mm，测角时误 差约为0.5”。第10章 数字式传感器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
8、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。第二节 光 栅 第10章 数字式传感器光电转换 为了进行莫尔条纹读数，在光路系统中除了主光 栅与指示光栅外，还必须有光源、聚光镜和光电 元件等。图1013为一透射式光栅传感器的结构 图。主光栅与指示光栅之间保持有一定的间隙。 光源发出的光通过聚光镜后成为平行光照射光栅 ，光电元件（如硅光电池）把透过光栅的光转换 成电信号。 第10章 数字式传感器第1
9、0章 数字式传感器当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随 莫尔条纹移动而变化。如图1014所示，在a 位置，两块光栅刻线重叠，透过的光最多，光 强最大；在位置c，光被遮去一半，光强减小 ；在位置d，光被完全遮去而成全黑，光强为 零。光栅继续右移；在位置e，光又重新透过 ，光强增大。在理想状态时，光强的变化与位 移成线性关系。但在实际应用中两光栅之间必 须有间隙，透过的光线有一定的发散，达不到 最亮和全黑的状态；再加上光栅的几何形状误 差，刻线的图形误差及光电元件的参数影响， 所以输出波形是一近似的正弦曲线， 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器数字转换原理1辨向原理 光栅的位移变成莫
10、尔条纹的移动后，经光电转换 就成电信号输出。但在一点观察时，无论主光栅 向左或向右移动，莫尔条纹均作明暗交替变化。 若只有一条莫尔条纹的信号，则只能用于计数， 无法辨别光栅的移动方向。 为了能辨向，尚需提供另一 路莫尔条纹信号，并使两信 号的相位差为/2。通常采 用在相隔14条纹间距的位 置上安放两个光电元件来实现， 第10章 数字式传感器2电子细分 高精度的测量通常要求长度精确到10.lm ，若以光栅的栅距作计量单位，则只能计到整 数条纹。例如，最小读数值为0.lm，则要求 每毫米刻一万条线。就目前的工艺水平有相当 的难度。所以，在选取合适的光栅栅距的基础 上，对栅距细分，即可得到所需要的最
11、小读数 值，提高“分辨”能力。第10章 数字式传感器四倍频细分 在上述“辨向原理”的基础上若将u2方波信号也 进行微分，再用适当的电路处理，则可以在一个 栅距内得到二个计数脉冲输出，这就是二倍频细 分。 如果将辨向原理中相隔B4的两个光电元件的输 出信号反相，就可以得到4个依次相位差为/2的 信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲信号， 实现所谓四倍频细分。 在上述两个光电元件的基础上再增加两个光电元 件，每两个光电元件间隔14条纹间距，同样可 实现四倍频细分。这种细分法的缺点是由于光电 元件安放困难，细分数不可能高，但它对莫尔条 纹信号的波形没有严格要求，电路简单，是一种 常用的细分技术第10
12、章 数字式传感器电桥细分第10章 数字式传感器用电桥细分法可以达到较高的精度，细分数一 般为1260， 但对莫尔条纹信号的波形幅值，直流电平及原 始信号Umsin与人Umcos的正交性均有严格 要求。 而且电路较复杂，对电位器、过零比较器等元 器件均有较高的要求。 第10章 数字式传感器如前所述，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
13、位光栅， 它使光栅成为一个准绝对测量系统。第10章 数字式传感器第10章 数字式传感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 。第三节 编码器第10章 数字式传感器旋转式编码器有两种增量编码器和绝对编 码器 增量编码器与前三节讨论的几种数字式传感器 有类似之处。它的输出是一系列脉冲，需要一 个计数系统对脉冲进行累计计数。 最简单的一种绝对编码器是接触式编码器 绝对编码器二进制输出的每一
14、位都必须有一个 独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该 编码器的分辨力。 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器 从编码技术上分析，造成错码的原因是从一个 码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变 。若每次只有一位码改变，就不会产生错码， 例如格雷码（循环码）。格雷码的两个相邻数 的码变化只有一位码是不同的（见表101） 。从格雷码到二进制码的转换可用硬件实现， 也可用软件来完成。第10章 数字式传感器旋转式光电编码器 接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。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。由于其精度高，可靠性好，性能稳 定，体积小和使
15、用方便，在自动测量和自动控制 技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工 业机器人都用它作为角度传感器。国内已有16位 绝对编码器和每转10000脉冲数输出的小型增量 编码器产品，并形成各种系列。第10章 数字式传感器1.绝对编码器第10章 数字式传感器光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃 上刻有透光和不透光的图形。 它们相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝 缘区，如图1020所示。 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。 码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应 每一码道有一个光敏元件。 当码盘处于不同位置时，各光敏元件
16、根据受光 照与否转换输出相应的电平信号。 第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器2.增量编码器 增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得 多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不 具有绝对码盘码道的意义。第10章 数字式传感器与绝对编码器类似，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。第10章 数字式传感器4.光电增量编码器的应用 （1）典型产品应用介绍 图1024所示为LEC型小型光电增量编码器的外形图。每转输出脉冲数为205000，最大允许转速为5000rmin。第10章 数字式传感器第10章 数字式传感器（2）测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常 用来测量转轴的转速。最简
