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1、 计数型（二次型计数型（二次型+计数型）计数型） 电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶,Cds电池）电池） 电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）有接点型有接点型(微动开关，接触开关，微动开关，接触开关， 行程开关行程开关) 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）二值型二值型电量电量无接点型无接点型(光电开关，接近开关光电开关，接近开关)模拟型模拟型数字型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）2.2 线位移检测传感器线位移检测传感器 包括光栅位移传感器、感应同步器、磁栅位移传感器等。2.2.1 光栅位移传感器 （1）光栅的结构 在玻璃尺或玻璃
2、盘进行长刻线（一般为1012mm）的密集刻划，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是光栅。 光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等。计量光栅又分为长光栅和圆光栅。 长光栅主要用于测量长度，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。圆光栅也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，用来测量角度或角位移。 光栅上的刻线称为栅线（不透光），栅线宽度为a，缝隙（透光）宽度为b，一般取a = b，W（W = a + b）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅常数）。n（2）光栅传感器的组成及工作原理n 光栅传感器由光源
3、、透镜、主光栅（标尺光栅）、指示光栅和光电元件构成。光源和透镜组成照明系统，光线经过透镜后成平行光投向光栅。主光栅与指示光栅在平行光照射下，形成莫尔条纹。n 光电元件主要有光电池和光敏晶体管，它把莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出。n 主光栅的有效长度即为测量范围。必要时，主光栅可以接长。n 主光栅与指示光栅之间的距离d可以根据光栅的栅距进行选择，一般取d=W 2/，W为栅距，为有效光波长。n 测量系统的精度主要由主光栅的精度决定。n 莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角时，由于挡光效应(当线纹密度50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度100条/mm时)，则在近似垂直于栅
4、线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。 当光栅之间的夹角很小，且两光栅的栅距都为W时，莫尔条纹间距B（a-a间距）为： K为放大倍数。 由于值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为横向莫尔条纹。 n莫尔条纹具有如下特点：n1）运动对应关系：任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移动一个栅距W，莫尔条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距；光栅反方向移动时，莫尔条纹也作反方向移动。因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向。n2）位移放大：由于值很小，光栅具有位移放大作用，放大系数为： n3）减小误差：莫尔条纹是
5、由光栅的大量栅线共同形成的。对光栅的刻线误差有平均作用。个别栅线的栅距误差或断线等疵病对莫尔条纹的影响很小，从而提高了光栅传感器的可靠性和测量精度。 通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期2，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。式中 W栅距；x主光栅与指示光栅间瞬时位移；U0直流电压分量；Um交流电压分量幅值；U输出电压。n将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。n
6、位移量为脉冲数与栅距的乘积：n 由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。为了能够辨别方向，需要在间距为B/4的位置设置两个光电元件，以得到两个相位差为90的正弦信号，然后将信号送到辨向电路中去处理。（a）（b）n 当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件1和2分别输出如前图（a）所示的电压信号u1、u2，经过放大整形后得到相位相差90的两个方波信号u1、u2。u1经反相后得到方波u”1。u1和u”1经RC微分电路后得到两组光脉冲信号u1w和u”1w，分别加到与门Y1和Y2的输入端。对与门Y1，由于u1w处于高电平时u2总是低电平，故脉冲被阻塞Y1无输出。对与门Y2，
7、u1w处于高电平时u2也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置“1”，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数。n 同理，当主光栅反向移动时，输出信号波形如图（b）所示，与门Y2阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进行减法计数。这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数即代表光栅位移。n 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。 n 为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量，可以增加刻线密度，但这种方法制造、安装及调试困难；n 采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减
8、小脉冲当量的方法。 在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。n2.2.2 感应同步器n（1) 感应同步器结构n 感应同步器由两个印刷电路绕组构成，类似于变压器的初、次级绕组，又称平面变压器。 n 相对位移会引起两个绕组间的互感量变化，因此可以测量位移，分为直线型（直线位移）和圆盘型（角位移）。n 直线型感应同步器的基本结构： n由定尺和滑尺组成定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。n绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空
9、间相差90相角，又称为正、余弦绕组。节距节距 n（2）感应同步器的工作原理 n 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量。定尺与滑尺间的气隙应保持在0.250.05mm范围内。在滑尺上施加的正弦激磁电压为： 正弦或余弦绕组在定尺上相应产生的感应电势分别为： 式中：x机械位移；W绕组节距；正、负号表示滑尺移动的方向。 n 感应同步器的输出信号是一个反映定尺与滑尺相对位移的交变感应电势，可以通过鉴相法或鉴幅法对输出信号进行处理，得到位移信息。n 鉴相法：
10、根据感生电势的相位鉴别位移量；n在滑尺的正弦、余弦绕组上施加频率相同、幅值相同、相位差为90的交流电压励磁，即n定尺输出的总感应电势为：n将感生电势输入数字鉴相电路，可由相位得到位移。n鉴幅法：根据感生电势的幅值鉴别位移量。 n在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、幅值不同的正弦励磁电压，即n定尺绕组输出的总感应电势为：n将感生电势输入数字鉴幅电路，可由幅值得到位移。 n感应同步器的优点：n输出信号不经过机械传动机构，有较高的精度与分辨力； n基于电磁感应原理，几乎不受温度、油污、尘埃等影响，抗干扰能力强；n定尺与滑尺是非接触测量，使用寿命长，维护简单；n可以作长距离位移测量，行程从几米到
11、几十米；n工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。2.2.3 磁栅式位移传感器 （1）磁栅式位移传感器的结构 1磁性膜 2基体 3磁尺 4磁头 5铁芯 6励磁绕组 7拾磁绕组n（2）原理：n 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：U0输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。 式中： 在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向n（3) 测量方式n 鉴幅测量方式: n 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号n 两组
12、磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。 n鉴相测量方式：n将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为n在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为 则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。 2.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n2.3.1 旋转变压器n（1）旋转变压器构成n 旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90。在转子上有两个
13、输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。n（2）工作原理n 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。n（3） 测量方式n当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中
14、得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即式中: k =w1/w2旋转变压器的变压比 w1、w2转子、定子绕组的匝数n 线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内（一般为60），其输出电压和转子转角成线性关系。此时输出电压为（k取0.5时） n2.3.2 光电编码器n 角度编码器是测量角位移的最直接、最有效的数字式传感器，它把角位移直接转换成脉冲或二进制编码，分为增量编码器（脉冲盘式）和绝对编码器（码盘式）。n 按结构分为光电式、接触式和电磁式三种。光电式具有非接触、体积
15、小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特点，在数控机床、机器人位置控制等领域有广泛应用。n 光电式编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码“0或1”不透光或透光区域。n 四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数为24=16个。n 每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数字信号。标准二进制编码器(8421码盘) 红色不透光“0”角度分辨率为：（1）绝对值编码器n 由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生读数误差。n例如，当码盘由位置“0111”变为“1000”时四位
16、数要同时变化，可能将数码误读成1111、1011、1101、0001等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值性误差。n实际绝对编码器常采用二进制循环码盘（格雷码盘）；n 任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由“0”变为“1”或“1”变为“0”。n 因此，读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数有效消除非单值性误差。格雷码盘n 码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光电元件有信号才能读数，这样就不会产生非单值性误差。n（2）增量编码器一般只有三个码道，不直接输出编码。外码道产生计数脉冲的增量码道；内码道辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相同。中间码道开有一个窄缝，用于产生定位或零位信号。光电脉冲信号通过整形、放大、细分、辨向后输出脉冲信号或显示角位移，分辨率以每转脉冲数表示。n 除了测量角位移，还可通过脉冲测量转速。f为脉冲频率： 每转产生N个脉冲，在T 时间内测得m个脉冲，则转速为： 每转产生N个脉冲，测得两相邻脉冲间包含m2个时钟脉冲，时钟周期为Tc，则转速为：n增量式编码器结构2.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n2.4.
