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1、第十一章 数字式传感器,11.1 光栅传感器 11.2 旋转角编码器 11.3 感应同步器 11.4 磁 栅,0755-83376489,第十一章 数字式传感器,模拟式传感器模拟量 传感器 数字式传感器数字量 数字式传感器的优点： 测量精度与分辨率高，无读数误差； 抗干扰能力强，稳定性好，易于远距离传输； 易于与微机接口，便于信号处理和实现自动化测控。 数字式传感器分类： 脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编 码器； 数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。,0755-83376489,11.1 光栅传感器,物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等 光栅 线位移长光栅长度测量 计
2、量光栅：莫尔条纹现象 （透射式和反射式） 角位移圆光栅角度测量,0755-83376489,11.1 光栅传感器,10.1.1光栅传感器的结构和原理 10.1.1.1结构：,0755-83376489,图10-1 黑白透射 式光栅示意图,11.1 光栅传感器,结构: 照明系统：普通白光源，GaAs固态光源 等； 光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅； 光电接收元件：光电池或光敏三极管。 光栅： 刻线宽度a，刻线间距b，通常a=b=W/2；或a:b=1.1:0.9； 光栅栅距（或光栅常数）W=a+b； 光栅规格：10、25、50、100线/mm。,0755-83376489,11.1 光栅传感器,
3、11.1.2工作原理 1莫尔（Moire）条纹的形成 光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻 线之间保持很小的夹角，由于遮光效应，在近于垂直栅线 方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（Moire）条纹。如 图10-2所示。 Moire条纹的间距B为,0755-83376489,图10-2 光栅和横向 莫尔条纹,（10-1）,11.1 光栅传感器,2. 莫尔（Moire）条纹的基本特性 （1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应 移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对 应关系； （2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间 距B，由B=W/知，B
4、对光栅副的位移有放大作用，鉴于 此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移； （3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合 效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果； （4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分 技术，提高测量分辨率。,0755-83376489,11.1 光栅传感器,10.1.2 光栅传感器的测量电路 10.1.2.1 光栅的输出信号 主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在 固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电 信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关 系。 光电元件输出电压uo可表示为,0755-8337
5、6489,式中，Uav输出信号的平均直流分量；Um输出信号的 幅值 ，Um=Uav。,(10-2),11.1 光栅传感器,光栅输出信号的光电转换电路及其输出信号波形如图10-3 所示。,0755-83376489,图10-3 光栅输出信号 （a）光电转换系统示意图（b）输出信号波形,11.1 光栅传感器,光栅传感器测位移x的原理： 当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周 期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉 冲，则位移量x为 x=NW (10-3) 式中，N脉冲数；W光栅栅距。 输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为 (10-4) 由上式可见，当2x/W=n，即x
6、=W/2、W、3W/2、 时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为 Ku =2Um/W (10-5),0755-83376489,11.1 光栅传感器,11.1.2.2 辨向原理 计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。,0755-83376489,图10-4 光栅辨向原理图,11.1 光栅传感器,辨向原理： 在相距B/4位置设置两个光电元件1和2，得到两个相位差 /2的Moire条纹正弦电压信号u1和u2，然后送到辨向电路中 去处理。正向移动（A）时，Y1输出脉冲，计数器作加法计 数；反向移动（ ）时，Y2输出脉冲，计数器作减法计 数。由此辨向，进行位移的正确测量。,0755-833
7、76489,11.1 光栅传感器,11.1.2.3 细分技术 细分技术就是当Moire条纹变化一个周期时，输出若干个 计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。 1.机械细分(位置细分或直接细分) 在一个Moire条纹间距上相距B/4依此设置四个光电元件。 当Moire条纹变化一个周期时，可以获得依此相差/2的四个 正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图10-5），实现 四细分。,0755-83376489,图10-5 四倍频机械细分法,11.1 光栅传感器,2.电子细分（正、余弦组合技术） 电子细分只需在一个Moire条纹间距上相距B/4的位置 设置两个光电元件，获得相差/2的两个正弦信号 u1
8、=Umsin(2x/W)； u2=Umcos(2x/W) （10-6） （1）四倍频细分 由u1、u2及其各自的反相信号u3、u4，可以获得依此相 差/2的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四 细分。,0755-83376489,11.1 光栅传感器,（2）电阻电桥细分 图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所 示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载 电阻无穷大，则电桥输出电压uo为 (10-7),0755-83376489,电桥平衡条件 R2u1+R1u2=0 令 2x/W=，则式（10-6）改写为 u1=Umsin 和u2=Umcos ，代入上
9、式，得 tan= R1/R2 （10-8） R1/R2 x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/ 2,图10-6 电阻电桥细分原理,11.1 光栅传感器,由于R1/R2与位移x有严格的对应关系，用电桥平衡信号 （uo=0）去触发施密特电路，便发出脉冲计数信号。从式 （10-8）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是， 如果同时用u1、u2的反向信号，便可在四个象限中得到任意 的细分组合。图10-7就是这种电阻电桥10细分电路的例子。,图10-7 电阻电桥10细分电路,11.1 光栅传感器,（3）电阻链细分法 电阻链细分实质上也是电桥 细分，只是结构形式不同而已。 如图10-8所示，对任一
10、输出电 压为零时，有如下关系,10-8 电阻链细分电路,（10-9）,一、二进制码盘的结构及工作原理 二、码盘误差的分析和处理,11.2 旋转角编码器,一、二进制码盘的结构及工作原理,图11-11 6位二进制码盘,二、码盘误差的分析和处理,图11-12 4位二进制码盘展开图,二、码盘误差的分析和处理,表11-2 四位循环码与二进制、十进制数之间的关系,二、码盘误差的分析和处理,图11-13 6位循环码码盘,11.3 感应同步器,感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随 位置不同而变化的原理而制成的测位移的传感 器，其输出是数字量，测量精度高，并且能测 1m以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。,
11、0755-83376489,11.3 感应同步器,11.3.1感应同步器的结构和工作原理 结构： 直线式:滑尺（平面分段绕组，正、余弦绕 组）和定尺（平面连续绕组） 感应同步器 旋转式(圆盘式)：转子（平面连续绕组）和 定子（平面分段绕组，正、余弦组） 感应同步器的连续绕组和分段绕组相当于变压器的原边绕 组和副边绕组，利用交变电磁场和互感原理工作。,0755-83376489,11.3 感应同步器,0755-83376489,图10-19 直线式感应同步器示意图 图10-20 圆感应同步器示意图,11.3 感应同步器,原理： 图10-21画出一个简化了的直线式感应同步器结构，用来 定性地说明它
12、的输出感应电动势与相对位置之间的关系。,0755-83376489,图10-21 感应同步器的相对位置与输出感应电动势的关系 S正弦绕组；C余弦绕组；(f)感应电势与位移关系曲线,11.3 感应同步器,如图（10-21），在滑尺的余弦绕组加上激励电压。由于 绕组导片的长度远大于其端部，导片的长度与气隙之比又远 大于1，因此，为了简化，可以略去定、滑尺绕组的端部影 响，并将导片视为无限长导线。为了进一步简化，把激励的 正弦电压看成带正、负号的“直流”持续增长情况。设其相应 的激励电流方向如图中所示。 图10-21(a)所示，余弦绕组中的电流在定尺绕组中感应的 电动势之和为零。这个位置称为感应同步
13、器的零位置。 当滑尺向右移动一段距离(W8)，如图10-21(b)的位置 时，保持激励电压不变，如图所示，余弦绕组左侧导片在定 尺绕组中感应的电动势比右侧导片所感应的大，定尺绕组中 感应电动势的总和就不再为零，它的感应电流的方向如图中 所示。,0755-83376489,11.3 感应同步器,可以得出，定尺的感应电动势随着滑尺的右移而增大，在 向右移动W4位置时(图10-21(c)，达到最大值。 滑尺继续向右移动，定尺的感应电动势又逐渐减小。当移 过W2位置(图10-21(d)时又回复到零。滑尺再继续向右 移，定尺绕组中又开始有感应电动势输出，但是电动势的极 性改变了。在滑尺右移3W4位置图(
14、10-21(e)时，定尺绕组 中的感应电动势达到负的最大值。 滑尺继续向右移动，定尺中的感应电动势会逐渐减小。当 移过距离W时，回复到图10-21(a)的位置状态，定尺绕组中 的感应电动势也回复到开始时的零态。只是相对位置右移了 一个周期W。再继续移动将重复以上过程。,0755-83376489,11.3 感应同步器,可见，当滑尺绕组上加上激励电压时，定尺输出感应电动 势是滑尺与定尺相对位置的正弦函数，如图10-21(f)所示， 可以写成 （10-18） 式中，=2x/W，是位移所形成的正弦电压的相位角。 同理，如果滑尺正弦绕组加上与余弦绕组相同的激励电 流，则由于正、余弦绕组在空间位置上相差
15、/2的相位角(即 空间位置相差W/4)，在同样移动情况下，将会在定尺绕组 中产生相同的感应电动势，只不过相位差/2而已。为后面 讨论方便，可以将正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别 写成 （10-19）,0755-83376489,11.3 感应同步器,11.3.2 信号处理方式 1.鉴相法 如果滑尺的正、余弦绕组中的激励电压不是前面简化假设 的“直流”情况，而是交流激励电压，则在定尺中的感应电动 势es和ec将不再是幅值Em恒定、与相对位移成正、余弦关 系，而是幅值交变的正、余弦关系。 实际应用时，在滑尺的正、余弦绕组上供给频率相同、相 位差/2的交流激励电压，即 正弦绕组激磁电压 us=Umsint 余弦绕组激磁电压 uc=Umcost （10-20） 式中，Um激磁电压幅值。,0755-83376489,11.3 感应同步器,由于定尺和滑尺都是平面绕圈，这种“线圈”又是由导体往 复曲折构成的“匝”，它并不是平面螺线，更不是柱形螺管， 所以感抗L是非常小的，可以略去L而只考虑其电阻R，于是 上列两激励电压在各自的线圈中产生的电流是 (10-21) 这种激励电流在定尺中所感应出的电动势分别为(e= kdi/dt) (10-22) 式中，ks和kc分别为正、余弦绕组与定尺绕组间的耦合系数,0755-83376489,
