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1、常用传感器常用传感器( 传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类( 电参量型传感器电参量型传感器( 电量型传感器电量型传感器( 光电式传感器光电式传感器( 光纤传感器光纤传感器( 数字式传感器数字式传感器2024/8/11&数数字字式式传传感感器器( (Digital Sensor) )是是一一种种能能把把被被测测模模拟拟量量转转换成换成数字量输出数字量输出的装置，可直接与计算机系统连接。的装置，可直接与计算机系统连接。&按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为四类：按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为四类：直直接接以以数数字字量量编编码码输输出出式式数数字字传传感感器器，如如
2、绝绝对对编编码码器器等；等；以以脉脉冲冲输输出出式式数数字字传传感感器器，如如感感应应同同步步器器、增增量量编编码码器及各种栅式传感器等；器及各种栅式传感器等；以以谐谐振振频频率率输输出出的的谐谐振振式式数数字字传传感感器器，如如石石英英晶晶体体频频率式传感器、弹性振体频率式传感器等；率式传感器、弹性振体频率式传感器等；集集成成数数字字式式传传感感器器，这这类类传传感感器器可可以以由由模模拟拟传传感感器器附附加加一一些些测测量量电电路路，包包括括滤滤波波电电路路、补补偿偿电电路路、模模数数转转换电路等，使输出为数字量。换电路等，使输出为数字量。数字式传感器数字式传感器2024/8/121 1感
3、应同步器感应同步器2 2编码器编码器3 3光栅传感器光栅传感器4 4磁栅传感器磁栅传感器5 5容栅传感器容栅传感器6 6谐振式传感器谐振式传感器数字式传感器数字式传感器2024/8/13&感应同步器感应同步器( (Inductive Synchronizer) )是应用电磁感应是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的数字式传感器。原理把位移量转换成数字量的数字式传感器。1.感应同步器的结构和类型感应同步器的结构和类型感应同步器具有感应同步器具有两个平面形的印刷绕组两个平面形的印刷绕组，相当于变压器，相当于变压器的初级和次级绕组，根据两个平面形绕组的的初级和次级绕组，根据两个平面形绕组的互感随位
4、置互感随位置而变化的原理而变化的原理制成的。制成的。感应同步器可分为两大类：感应同步器可分为两大类：测量直线位移的直线式感应同步器测量直线位移的直线式感应同步器测量角位移的旋转式感应同步器测量角位移的旋转式感应同步器感应同步器感应同步器2024/8/141.感应同步器的结构和类型感应同步器的结构和类型(1)结构组成结构组成以直线式感应同步器为例：以直线式感应同步器为例：两个绕组构成。两个绕组构成。感应同步器感应同步器(a)(a)定尺绕组；定尺绕组；(b)W(b)W形滑尺绕组；形滑尺绕组；(c)U(c)U形滑尺绕组形滑尺绕组 图图3.97 直线式感应同步器的绕组结构直线式感应同步器的绕组结构a.
5、a.定尺绕组定尺绕组：均匀连续分布，：均匀连续分布，节距节距W2=2(a2+b2)。b.b.滑尺绕组滑尺绕组：分正弦和余弦绕：分正弦和余弦绕组两部分，相差组两部分，相差9090电角度。电角度。为此，两相绕组中心线距应为此，两相绕组中心线距应为为l2=(n/2+1/4)W2，节距均为，节距均为W1=2(a1+b1) 。通常。通常W1=W2。2024/8/15旋转式感应同步器由定子和转子构成，转子相当于直旋转式感应同步器由定子和转子构成，转子相当于直线式感应同步器的定尺，定子相当于滑尺。线式感应同步器的定尺，定子相当于滑尺。1.感应同步器的结构和类型感应同步器的结构和类型(2)类型类型感应同步器按
6、被测量不同可分为：感应同步器按被测量不同可分为：a.a.测量线性位移的直线式感应同步器；测量线性位移的直线式感应同步器；b.b.测量角位移的旋转式感应同步器。测量角位移的旋转式感应同步器。直线式感应同步器最常见的有标准型、窄型和带型。直线式感应同步器最常见的有标准型、窄型和带型。 感应同步器感应同步器2024/8/162.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理感应同步器都是利用两个绕组间的感应同步器都是利用两个绕组间的互感随着相对位置的互感随着相对位置的变化而变化的原理变化而变化的原理进行工作的。进行工作的。下面以直线式感应同步器为例介绍其工作原理：下面以直线式感应同步器为例介绍其工作原理：
7、感应同步器感应同步器2024/8/172.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理感应同步器感应同步器定定尺尺绕绕组组中中的的感感应应电电势势随随滑滑尺尺的的相相对对移移动动呈呈周周期期性性变变化化，定尺的感应电动势是感应同步器相对位置的正弦函数。定尺的感应电动势是感应同步器相对位置的正弦函数。2024/8/183.信号处理方式信号处理方式对于不同的感应同步器，根据其对于不同的感应同步器，根据其滑尺励磁方式滑尺励磁方式不同，其不同，其输出信号的处理方式有：输出信号的处理方式有：(1)鉴相法鉴相法(2)鉴幅法鉴幅法(3)脉冲调宽法脉冲调宽法感应同步器感应同步器感应同步器定尺绕组输出信号经数字测量
8、系统输出脉冲感应同步器定尺绕组输出信号经数字测量系统输出脉冲信号。对应于不同的信号处理方法相应的有鉴相法和鉴信号。对应于不同的信号处理方法相应的有鉴相法和鉴幅法数字测量系统。幅法数字测量系统。感应同步器可通过输出信号的辨向和细分电路实现辨别感应同步器可通过输出信号的辨向和细分电路实现辨别位移方向和提高分辨力。位移方向和提高分辨力。 2024/8/19鉴鉴 相相 法法滑尺激励：正弦和余弦绕组上分别加滑尺激励：正弦和余弦绕组上分别加频率和幅频率和幅值相同，相位差为值相同，相位差为/2的正弦激励电压：的正弦激励电压：可知：感应电动势可知：感应电动势e和余弦绕组激励电压和余弦绕组激励电压uc之之相相位
9、差位差正比于定尺与滑尺的相对位移正比于定尺与滑尺的相对位移。2024/8/110鉴鉴 幅幅 法法滑尺激励：正弦和余弦绕组上分别滑尺激励：正弦和余弦绕组上分别加频率和加频率和相位相同，但幅值不等的正弦激励电压：相位相同，但幅值不等的正弦激励电压：可知：感应电势的幅值为可知：感应电势的幅值为KUmsin(-)，调整调整激励电压激励电压值，使值，使=2x/W2，定尺上的总感应电势，定尺上的总感应电势为零。为零。2024/8/111脉冲调宽法脉冲调宽法滑尺激励：正弦和余弦绕组上分别滑尺激励：正弦和余弦绕组上分别加周期性方加周期性方波电压：波电压：与调幅法相类似，可以与调幅法相类似，可以调整激励脉冲宽度
10、调整激励脉冲宽度值，值，用用跟踪跟踪。2024/8/1124.感应同步器的应用感应同步器的应用感应同步器的应用特点：感应同步器的应用特点：不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。测量精度和分辨力较高。测量精度和分辨力较高。是非接触式的，因而使用寿命长，工作可靠，抗干扰是非接触式的，因而使用寿命长，工作可靠，抗干扰能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。直线式感应同步器可以接长使用，接长长度可达直线式感应同步器可以接长使用，接长长度可达20m。感应同步器的使用非常广泛，可用于测量线位移、感应同步器的使用非常广
11、泛，可用于测量线位移、角位移以及与此相关的物理量如转速、振动等。角位移以及与此相关的物理量如转速、振动等。感应同步器感应同步器2024/8/113&编编码码器器(Encoder)是是用用于于测测量量线线位位移移和和角角位位移移的的数数字字式式传传感感器器，可输出二进制编码或脉冲信号。可输出二进制编码或脉冲信号。 &编码器的分类：编码器的分类：按按结结构构形形式式：直直线线式式编编码码器器和和旋旋转转式式编编码码器器。直直线线式式编编码码器用于测量直线位移，而旋转式编码器用于测量角位移。器用于测量直线位移，而旋转式编码器用于测量角位移。按按输输出出信信号号形形式式：绝绝对对编编码码器器( (码码
12、盘盘式式编编码码器器) )和和增增量量编编码码器器( (脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器) )。绝绝对对编编码码器器可可直直接接输输出出数数字字编编码码，可可直直接接与与计计算算机机的的并并行行接接口口相相连连。增增量量编编码码器器的的输输出出是是一一系系列列脉冲，需要附加数字电路才可得到数字编码。脉冲，需要附加数字电路才可得到数字编码。按测量方式：按测量方式：接触式、光电式和电磁式接触式、光电式和电磁式。 &本章将主要介绍旋转式编码器的工作原理及应用。本章将主要介绍旋转式编码器的工作原理及应用。编编 码码 器器2024/8/114编编 码码 器器1.绝对编码器绝对编码器工作原理：工作原理：绝对编
13、码器可直接输出与位置相对应的数字编绝对编码器可直接输出与位置相对应的数字编码，可直接与计算机的并行接口相连。码，可直接与计算机的并行接口相连。 分辨力分辨力：绝对编码器的：绝对编码器的码道数目码道数目n决定了该编码决定了该编码器的分辩力，它的分辨器的分辩力，它的分辨角度为：角度为：=360o/2/2n。编码技术编码技术：二进制码、：二进制码、十进制码和格雷码。十进制码和格雷码。2024/8/115光电编码器：编码盘、光源和光电器件。光电编码器：编码盘、光源和光电器件。编编 码码 器器1.绝对编码器绝对编码器编码盘编码盘接触式绝对编码器：编码盘和电刷。接触式绝对编码器：编码盘和电刷。绝对编码器的
14、绝对编码器的特点特点：绝对编码器输出可直接与计算机的并绝对编码器输出可直接与计算机的并行接口相连的优点，同时存在占用硬件资源多的缺点。行接口相连的优点，同时存在占用硬件资源多的缺点。绝对编码器要想提高分辨力有受到其外径、体积限制的绝对编码器要想提高分辨力有受到其外径、体积限制的缺点。缺点。2024/8/116编编 码码 器器2.增量编码器增量编码器工作原理：工作原理：增量编码器又称脉冲编码器，输出是一系列脉增量编码器又称脉冲编码器，输出是一系列脉冲，需要附加数字电路才可得到数字编码。冲，需要附加数字电路才可得到数字编码。结构：码盘、光源和光电器件。结构：码盘、光源和光电器件。分辨力分辨力：增量
15、编码器的：增量编码器的扇区数目扇区数目m决定了该编码器的分辩力，它决定了该编码器的分辩力，它的分辨角度为：的分辨角度为：=360o/ /mS2(n)S1(n)Z(1)增量编码器的码盘增量编码器的码盘码盘有三个码道：码盘有三个码道：增量码道增量码道S S1 1、辨向码道辨向码道S S2 2基准码道基准码道Z Z增量编码器的增量编码器的特点特点：增量编码器输出为脉冲信号，与计算机增量编码器输出为脉冲信号，与计算机的定时的定时/ /计数器端口相连，存在占用硬件资源少的优点。但需计数器端口相连，存在占用硬件资源少的优点。但需通过软件编程测量脉冲的频率或个数来进行测量速度或位移，通过软件编程测量脉冲的频
16、率或个数来进行测量速度或位移，因此具有软件编程较复杂的缺点。因此具有软件编程较复杂的缺点。2024/8/117编编 码码 器器3.编码器的应用编码器的应用编码器是测量位移最为直接的数字式传感器，可广泛应用编码器是测量位移最为直接的数字式传感器，可广泛应用于直线位移和角位移的直接测量和控制中。编码器输出于直线位移和角位移的直接测量和控制中。编码器输出的数字信号可直接和计算机相接口，精度高，使用方便。的数字信号可直接和计算机相接口，精度高，使用方便。在某些场合，用旋转编码器来测量线位移是一种有效的方在某些场合，用旋转编码器来测量线位移是一种有效的方法。这时需利用一套机械装置把线位移转换成角位移，法
17、。这时需利用一套机械装置把线位移转换成角位移，如丝杆、齿轮齿条、皮带传动和摩擦传动等实现线位移如丝杆、齿轮齿条、皮带传动和摩擦传动等实现线位移与角位移之间变换。与角位移之间变换。2024/8/118&光栅光栅(Raster)是由很多等节距的透光缝隙和不透光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电器件。的刻线均匀相间排列构成的光电器件。光栅传感器光栅传感器&光栅按其工作原理分类：光栅按其工作原理分类：物理光栅：基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光物理光栅：基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光波长的测量等。波长的测量等。计量光栅：基于光栅的莫尔条纹现象，依据两块光栅重计量光
18、栅：基于光栅的莫尔条纹现象，依据两块光栅重叠时形成的莫尔条纹的变化反映两光栅的相对位移量的叠时形成的莫尔条纹的变化反映两光栅的相对位移量的原理测量位移。计量光栅常用于位移的精密测量，形成原理测量位移。计量光栅常用于位移的精密测量，形成光栅式传感器。光栅传感器输出为光电脉冲，属于数字光栅式传感器。光栅传感器输出为光电脉冲，属于数字式传感器。式传感器。2024/8/119光栅传感器光栅传感器1.1.计量光栅的结构和类型计量光栅的结构和类型利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量的光栅称为计量利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量的光栅称为计量光栅。光栅。光栅的分类：光栅的分类：按其基体材料的不同：金属光栅和
19、玻璃光栅按其基体材料的不同：金属光栅和玻璃光栅。按光线的走向：透射光栅和反射光栅。按光线的走向：透射光栅和反射光栅。 按刻线的形式不同：幅值按刻线的形式不同：幅值(黑白黑白)光栅和相位光栅和相位(闪耀闪耀)光光栅；栅；按其用途不同：测量线位移的长光栅和测量角位移的按其用途不同：测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。圆光栅。固定固定2024/8/120光栅传感器光栅传感器1.1.计量光栅的结构和类型计量光栅的结构和类型光栅的分类：光栅的分类：按其用途不同：按其用途不同：测量线位移的长光栅测量线位移的长光栅W刻线刻线基体基体 图图3.111 光栅的结构光栅的结构ab测量角位移的圆光栅测量角位移的
20、圆光栅a.a.径向光栅：所有的栅线（或者其延长线）通过径向光栅：所有的栅线（或者其延长线）通过圆心的光栅。圆心的光栅。 b.b.切向光栅：所有的栅线（或者其延长线）跟同切向光栅：所有的栅线（或者其延长线）跟同心的一小圆相切的光栅。心的一小圆相切的光栅。 2024/8/121光栅传感器光栅传感器2.2.光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理光栅传感器是利用光栅的光栅传感器是利用光栅的莫尔条纹现象莫尔条纹现象工作的传感器。工作的传感器。下面将以透射式光栅传感器为例介绍光栅传感器的组成下面将以透射式光栅传感器为例介绍光栅传感器的组成和工作原理。和工作原理。(1)结构组成结构组成光栅传感器通常由光源
21、、透镜、计量光栅副（主光光栅传感器通常由光源、透镜、计量光栅副（主光栅栅/标尺光栅和指示光栅）、光电器件及测量电路等标尺光栅和指示光栅）、光电器件及测量电路等部分组成。部分组成。光栅副：包括主光栅（标尺光栅）和指示光栅。光栅副：包括主光栅（标尺光栅）和指示光栅。WW栅距栅距W2024/8/122光栅传感器光栅传感器2.2.光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理(2)莫尔条纹莫尔条纹光栅传感器测量是基于主光栅和指示光栅间的莫尔光栅传感器测量是基于主光栅和指示光栅间的莫尔条纹现象进行工作的。条纹现象进行工作的。莫尔条纹莫尔条纹：将主光栅和指示光栅重叠放置，两者之：将主光栅和指示光栅重叠放置，两者
22、之间保持很小的间隙，并使两光栅的刻线之间有一个间保持很小的间隙，并使两光栅的刻线之间有一个微小的夹角微小的夹角。由于挡光效应，在与两光栅刻线角平由于挡光效应，在与两光栅刻线角平分线垂直的方向上形成明暗相间的平行条纹，这些分线垂直的方向上形成明暗相间的平行条纹，这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。明暗相间的条纹称为莫尔条纹。B莫尔条纹间距莫尔条纹间距B2024/8/123光栅传感器光栅传感器2.2.光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理(2)莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹两条莫尔条纹间的距离两条莫尔条纹间的距离B随夹角随夹角变化而变化：变化而变化：当夹角当夹角很小时，莫尔很小时，莫尔条纹具有放大
23、作用，条纹具有放大作用，可以根据需要调节可以根据需要调节角，角，来调节条纹宽度，它来调节条纹宽度，它给实际应用带来了方给实际应用带来了方便。便。2024/8/124光栅传感器光栅传感器莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：a.a.莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应。当两光栅的夹角保持不莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应。当两光栅的夹角保持不变，主光栅与指示光栅沿其刻线垂直方向发生相对移动时，莫尔变，主光栅与指示光栅沿其刻线垂直方向发生相对移动时，莫尔条纹将沿两光栅刻线角平分线的方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹将沿两光栅刻线角平分线的方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。两光栅相对移动一个栅距条
24、纹也反向移动。两光栅相对移动一个栅距W W，莫尔条纹也相应移，莫尔条纹也相应移动一个间距动一个间距B。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这就是的大小和方向，这就是光栅测位移原理光栅测位移原理。b.b.莫尔条纹具有放大作用。当主光栅与指示光栅相对移动一个栅距莫尔条纹具有放大作用。当主光栅与指示光栅相对移动一个栅距W时，莫尔条纹相应移动一个间距时，莫尔条纹相应移动一个间距B。当。当W W一定时，两光栅夹角一定时，两光栅夹角愈愈小，则莫尔条纹间距小，则莫尔条纹间距B B愈大，这相当于将栅距愈大，这相当于将栅距W W放大了放大了1/
25、1/倍。倍。c.c.莫尔条纹具有误差平均效应。莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同莫尔条纹具有误差平均效应。莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。线精度更高的测量精度。 2024/8/125光栅测量原理示意图光栅测量原理示意图B2024/8/126光栅传感器光栅传感器2.2.光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理(3)光电转换光电转换主光栅和指示光栅的相对位移产生
26、了莫尔条纹的移主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹的移动，在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作动，在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动而相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动而发生变化。发生变化。2024/8/127该辨向原理同样适用于感应同步器和增量编码器的该辨向原理同样适用于感应同步器和增量编码器的辨向问题，可参考光栅传感器的辨向原理合理进行辨向问题，可参考光栅传感器的辨向原理合理进行其辨向结构设计和电路设计。其辨向结构设计和电路设计。光栅传感器光栅传感器3.3.辩向原理和细分电路辩向原理和细分电路(1)辩向原理辩向原理为了辨别位移
27、的方向，在莫尔条纹的一个间距内相为了辨别位移的方向，在莫尔条纹的一个间距内相隔隔B/4的位置上放置两个光电器件，得到两个相位差的位置上放置两个光电器件，得到两个相位差为为/2的简谐信号，经整形后得到两个方波信号，然的简谐信号，经整形后得到两个方波信号，然后送到辨向电路处理。后送到辨向电路处理。A A、正向移动、正向移动（向下）（向下）u1u2-u1(-u1)(u1)vY Y1 1输出计数脉冲，输出计数脉冲，Y Y2 2始终为低电平始终为低电平B B、负向移动、负向移动（向上）（向上）vY Y2 2输出计数脉冲，输出计数脉冲，Y Y1 1始终为低电平始终为低电平u2u1(u1)-u1(-u1)2
28、024/8/128光栅传感器光栅传感器3.3.辩向原理和细分电路辩向原理和细分电路(2)细分技术细分技术光栅传感器的分辨力为一个栅距，为了提高分辨力，光栅传感器的分辨力为一个栅距，为了提高分辨力，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种方法受到制可以增大刻线密度来减小栅距，但这种方法受到制造工艺的限制。另一种提高分辨力的方法是采用细造工艺的限制。另一种提高分辨力的方法是采用细分技术。分技术。细分细分也称倍频，是在莫尔条纹变化的一个周期内也称倍频，是在莫尔条纹变化的一个周期内( (即即一个条纹间距一个条纹间距) )内，给出内，给出n个计数脉冲，减小脉冲当个计数脉冲，减小脉冲当量。亦即使在光栅每移动一个
29、栅距量。亦即使在光栅每移动一个栅距W W时输出均匀分布时输出均匀分布的的n个计数脉冲，从而使位移分辨力提高到个计数脉冲，从而使位移分辨力提高到W/n。当。当n为为4时，称为四倍频细分，时，称为四倍频细分，n为为8为八倍频细分，以为八倍频细分，以此类推，称为此类推，称为n倍频细分。倍频细分。 2024/8/129光栅传感器光栅传感器3.3.辩向原理和细分电路辩向原理和细分电路(2)细分技术细分技术直接细分法直接细分法四倍频细分：在莫尔条纹变化的一个周期内，给出四倍频细分：在莫尔条纹变化的一个周期内，给出四个计数脉冲。四个计数脉冲。方法一方法一方法一方法一：在相隔在相隔1/4条纹间距的位置上各安装
30、一个光电元件，条纹间距的位置上各安装一个光电元件，即在一个莫尔条纹间距间安装四个光电元件，亦可以得到四即在一个莫尔条纹间距间安装四个光电元件，亦可以得到四个依次相位差为个依次相位差为/2的信号，实现四倍频细分。的信号，实现四倍频细分。方法二方法二方法二方法二：在相隔在相隔1/4条纹间距的位置上安装两个光电元件，条纹间距的位置上安装两个光电元件，则其输出电信号相位差为则其输出电信号相位差为/2。再将两光电元件的输出信号反。再将两光电元件的输出信号反相，就可以得到四个依次相位差为相，就可以得到四个依次相位差为/2的信号，即在一个栅距的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲信号，实现四倍频细分。内得到
31、四个计数脉冲信号，实现四倍频细分。直接细分也称为位置细分，这种细分法的缺点是由直接细分也称为位置细分，这种细分法的缺点是由于光电器件安放困难，细分数不可能高，但它对莫于光电器件安放困难，细分数不可能高，但它对莫尔条纹的波形没有严格要求，电路简单，是一种常尔条纹的波形没有严格要求，电路简单，是一种常用的细分用的细分技术。技术。2024/8/130光栅传感器光栅传感器3.3.辩向原理和细分电路辩向原理和细分电路(2)细分技术细分技术电阻桥细分法电阻桥细分法在四倍频细分中，可以得到四个相位差为在四倍频细分中，可以得到四个相位差为/2的输出的输出信号，分别为信号，分别为Umsin，Umcos，-Ums
32、in，Umcos( (其中其中=2x/W) )。则在。则在=0/2、/2、3/2及及3/2区间均可分成区间均可分成m等分，则在一个周期等分，则在一个周期内有内有n=4m个相位依次相差个相位依次相差2/n的正弦信号，因而实的正弦信号，因而实现了现了n倍频细分。倍频细分。用电桥细分法可以达到较高的精度，细分数一般为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，但对莫尔条纹信号的波形幅值、直流电平及原始信号原始信号Umsin和和Umcos的正交性均有严格要求，的正交性均有严格要求，而且电路复杂，对电位器、过零比较器等元件均有而且电路复杂，对电位器、过零
33、比较器等元件均有较高的要求。较高的要求。 2024/8/131光栅传感器光栅传感器4.4.光栅传感器的应用光栅传感器的应用光栅数字传感器常用于线位移的静态和动态测量。其测光栅数字传感器常用于线位移的静态和动态测量。其测量精度高，分辨力高，测量范围大，动态特性好，适合量精度高，分辨力高，测量范围大，动态特性好，适合于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛应用于于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛应用于数控机床和精密测量设备中。数控机床和精密测量设备中。 如图：如图：光栅数字传感器用于数控机床的位置检测和位置光栅数字传感器用于数控机床的位置检测和位置闭环控制系统框图。闭环控制系统框图。 2
34、024/8/132尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅2024/8/133扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构（续）（续）2024/8/134&磁栅式传感器磁栅式传感器( (Magnetic-Grid Sensor) )是利用电磁感应原理，是利用电磁感应原理，将静态位置或动态位移转换成数字量输出，应用数字信号处将静态位置或动态位移转换成数字量
35、输出，应用数字信号处理电路进行信息处理的数字式传感器。理电路进行信息处理的数字式传感器。&磁栅传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁磁栅传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化信号信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化信号( (正弦波或锯齿波正弦波或锯齿波) )用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。制成的。&工作方式：装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对工作方式：装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置或相对位移，在这个过程中，磁头于磁栅有一定的相对位
36、置或相对位移，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把相对位置或动态位移转把磁栅上的磁信号读出来，这样就把相对位置或动态位移转换成电信号。换成电信号。磁栅传感器磁栅传感器2024/8/1351.1.磁栅磁栅磁栅传感器的类型主要取决于磁栅，磁栅可分为长磁栅和磁栅传感器的类型主要取决于磁栅，磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅用于直线位移或速度测量，圆磁栅用于圆磁栅。长磁栅用于直线位移或速度测量，圆磁栅用于角位置或角速度测量。角位置或角速度测量。磁栅传感器磁栅传感器类型：长磁栅又可分为尺型、同轴型和带型三种。类型：长磁栅又可分为尺型、同轴型和带型三种。 圆磁栅的结构：圆磁栅的结构： 长磁栅的
37、结构与类型长磁栅的结构与类型结构：磁栅基体是用非导磁材料做成的，上面镀有一结构：磁栅基体是用非导磁材料做成的，上面镀有一层均匀的磁性薄膜。层均匀的磁性薄膜。 (a)尺型尺型(b)同轴型同轴型图图3.127 长磁栅长磁栅1234511磁尺；磁尺；22软垫；软垫；33防尘屏蔽罩；防尘屏蔽罩；44上压板；上压板；55拉紧块拉紧块(c)带型带型磁盘磁盘屏蔽罩屏蔽罩磁头磁头图图3.128 圆磁栅圆磁栅2024/8/136特点特点特点特点：动态磁头只适用于运动速度的测量，不适动态磁头只适用于运动速度的测量，不适用于静态位移的测量。用于静态位移的测量。 2.2.磁头磁头磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按信号读
38、取方式的不同，磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按信号读取方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头两种磁头可分为动态磁头与静态磁头两种 。(1)动态磁头动态磁头动态磁头为非调制式磁头，又称为速度响应式磁动态磁头为非调制式磁头，又称为速度响应式磁头，头，只有一组线圈只有一组线圈。磁栅传感器磁栅传感器读出原理读出原理读出原理读出原理：当磁头与磁栅之间以一定的速度相对当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，磁头线圈中输出感应电动势，其大小与移动时，磁头线圈中输出感应电动势，其大小与磁头与磁栅之间的相对运动速度有关。磁头线圈磁头与磁栅之间的相对运动速度有关。磁头线圈上产生的感应电势为：上产生的感应电势为：
39、2024/8/1372.2.磁头磁头(2)静态磁头静态磁头静态磁头为调制式磁头，又称为磁通响应式磁头，静态磁头为调制式磁头，又称为磁通响应式磁头，有励磁线圈和感应线圈（输出线圈有励磁线圈和感应线圈（输出线圈/ /绕组）绕组）。它与。它与动态磁头的根本不同之处在于，在动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出间没有相对运动的情况下也有信号输出。 磁栅传感器磁栅传感器读出原理读出原理读出原理读出原理：铁心的磁阻很大，：铁心的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁磁栅上的信号磁通不能通过磁头，因而输出绕组无感应电势头，因而输出绕组无感应电势输出。只有当激励
40、磁信号两次输出。只有当激励磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过输出绕组的信号磁通才能通过输出绕组的铁心而产生感应电势。的铁心而产生感应电势。 11磁头；磁头；22磁栅；磁栅；33输出波形输出波形2024/8/138磁栅传感器磁栅传感器2.2.磁头磁头(2)静态磁头静态磁头静态磁头的磁栅是利用它的静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通漏磁通变化来变化来产生感产生感应电动势应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）关系。对位
41、移成正弦（或余弦）关系。 特点特点特点特点：静态磁头是利用磁阻的变化来产生感应电静态磁头是利用磁阻的变化来产生感应电势的，可用于静态位移测量。势的，可用于静态位移测量。 2024/8/139静态磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示静态磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示静态磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示静态磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示：2024/8/1403.3.信号处理方式信号处理方式动态磁头动态磁头输出的感应电势正比于磁栅与磁头的相对运动速输出的感应电势正比于磁栅与磁头的相对运动速度或角速度，整流滤波后可得到相对运动速度或角速度度或角速度，整流滤波后可得到相对运动速度或角速度的大小。
42、若要检测相对运动的方向，则必须在相距的大小。若要检测相对运动的方向，则必须在相距(n1/4)W处安装两个磁头，输出两个相位相差处安装两个磁头，输出两个相位相差90的正交的正交信号，超前还是滞后取决于运动的方向，处理后可实现信号，超前还是滞后取决于运动的方向，处理后可实现辨向。辨向。静态磁头静态磁头可用来测量静态线位移或角位移。为了实现辨向，可用来测量静态线位移或角位移。为了实现辨向，静态磁头一般总是成对使用，即用两个间距为静态磁头一般总是成对使用，即用两个间距为(n1/4)W的磁头，也就是两个磁头布置在空间相差的磁头，也就是两个磁头布置在空间相差90。静态磁头。静态磁头输出感应电势为交变调幅信
43、号，可用幅值和相位两个参输出感应电势为交变调幅信号，可用幅值和相位两个参数来描述，所以可采用鉴幅和鉴相法对输出信号进行处数来描述，所以可采用鉴幅和鉴相法对输出信号进行处理。理。磁栅传感器磁栅传感器2024/8/1413.3.信号处理方式信号处理方式静态磁头读取信号的处理方式：鉴幅法和鉴相法。静态磁头读取信号的处理方式：鉴幅法和鉴相法。(1)(1)鉴幅法鉴幅法采用鉴幅法时，两个磁头的激励电压同相。两个磁头采用鉴幅法时，两个磁头的激励电压同相。两个磁头相距相距(n1/4)W安装时，安装时，输出感应电势分别为：输出感应电势分别为：磁栅传感器磁栅传感器式中，式中，Um磁头读出信号的幅值；磁头读出信号的
44、幅值；x磁头与磁栅之间的相磁头与磁栅之间的相对位移；对位移；励磁电压的角频率。经包络检波去掉高频载励磁电压的角频率。经包络检波去掉高频载波后可得波后可得：2024/8/1423.3.信号处理方式信号处理方式静态磁头读取信号的处理方式：鉴幅法和鉴相法。静态磁头读取信号的处理方式：鉴幅法和鉴相法。(2)(2)鉴相法鉴相法采用鉴相法时，将某一磁头的励磁电流移相采用鉴相法时，将某一磁头的励磁电流移相45(或把或把读出信号移相读出信号移相90)，则两磁头的输出分别为：，则两磁头的输出分别为：磁栅传感器磁栅传感器将两路信号相减后得到输出电压：将两路信号相减后得到输出电压：输出信号的幅值不变，相位随磁头与磁
45、栅之间的相对输出信号的幅值不变，相位随磁头与磁栅之间的相对位置而变化，可采用鉴相电路将相对位置检测出来。位置而变化，可采用鉴相电路将相对位置检测出来。 2024/8/1434.4.磁栅传感器的应用磁栅传感器的应用磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精度略低于感应同步器。除此之外，它还具有下列特点：度略低于感应同步器。除此之外，它还具有下列特点：录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录。去重录。使用方便，可在仪器及机床上安装后再录制磁栅，因使用方便，可在仪器及机床上安装后再录制
46、磁栅，因而可避免安装误差。而可避免安装误差。可方便地录制任意节距的磁栅。可方便地录制任意节距的磁栅。磁栅传感器磁栅传感器2024/8/144磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺2024/8/145磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺2024/8/146&容栅传感器容栅传感器(Capacitive-Gate Sensor)是一种基于变面积式工是一种基于变面积式工作原理，可测大位移的电容式传感器。作原理，可测大位移的电容式传感器。1.1.工作原理工作原理容栅式传感器有长容栅和圆容栅两种。容栅式传感器有长容栅和圆容栅两种。长容栅的结构与原理：长容栅的结构与原理：结
47、构结构结构结构：由定栅尺和动栅尺组成，在定栅尺上蚀刻：由定栅尺和动栅尺组成，在定栅尺上蚀刻反射反射电极电极( (也称标尺电极也称标尺电极) )，在动栅尺上蚀刻，在动栅尺上蚀刻发射电极和接发射电极和接收电极收电极，各电极之间相互绝缘。其发射极和反射极均，各电极之间相互绝缘。其发射极和反射极均做成大小和形状不同的栅状电容电极，可有效提高灵做成大小和形状不同的栅状电容电极，可有效提高灵敏度和测量精度。敏度和测量精度。动栅尺动栅尺定栅尺定栅尺发射电极发射电极接收电极接收电极屏蔽电极屏蔽电极反射电极反射电极图图3.133 长容栅传感器的结构原理图长容栅传感器的结构原理图容栅传感器容栅传感器2024/8/
48、1471.1.工作原理工作原理长容栅的结构与原理：长容栅的结构与原理：原理原理原理原理：将定栅尺和动栅尺的电极面相对放置，并留有：将定栅尺和动栅尺的电极面相对放置，并留有间隙，形成一系列电容器间隙，形成一系列电容器( (即容栅即容栅) )。因此，容栅传感。因此，容栅传感器可看成由多个可变电容器组成。当动栅尺平行于定器可看成由多个可变电容器组成。当动栅尺平行于定栅尺移动时，发射电极与反射电极间的相对面积发生栅尺移动时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，导致反射电极上的电荷量产生变化，通过电容变化，导致反射电极上的电荷量产生变化，通过电容耦合和电荷传递，在接收电极上输出的电荷信号为：耦合和电
49、荷传递，在接收电极上输出的电荷信号为：容栅传感器容栅传感器2024/8/1481.1.工作原理工作原理圆容栅的结构与原理：圆容栅的结构与原理：结构结构结构结构：圆容栅由旋转容栅和固定容栅组成。固定容栅：圆容栅由旋转容栅和固定容栅组成。固定容栅安装在尺身上，容栅随被测体同轴旋转。安装在尺身上，容栅随被测体同轴旋转。 原理原理原理原理：当被测体旋：当被测体旋转时，发射电极与转时，发射电极与反射电极的相互覆反射电极的相互覆盖面积呈周期性变盖面积呈周期性变化，反射电极上的化，反射电极上的电荷量也随之改变，电荷量也随之改变，并感应到接收电极并感应到接收电极上，接收电极上的上，接收电极上的电荷量与角位移相
50、电荷量与角位移相对应。对应。 反射电极反射电极屏蔽电极屏蔽电极发射电极发射电极接收电极接收电极(a)旋转容栅旋转容栅(a)固定容栅固定容栅 图图3.134 圆容栅传感器的结构原理图圆容栅传感器的结构原理图容栅传感器容栅传感器2024/8/1492.2.结构类型结构类型以测直线位移的长容栅为例，常用的电极结构有直电极反以测直线位移的长容栅为例，常用的电极结构有直电极反射式、直电极透射式和反射式射式、直电极透射式和反射式L型电极等。型电极等。(1)(1)直电极反射式直电极反射式动栅尺动栅尺定栅尺定栅尺发射电极发射电极接收电极接收电极屏蔽电极屏蔽电极反射电极反射电极图图3.133 长容栅传感器的结构
51、原理图长容栅传感器的结构原理图(2)(2)直电极透射式直电极透射式11矩形窗口；矩形窗口；22测量装置；测量装置；33金属带；金属带；44发射电极；发射电极；55接收电极接收电极3212354(a)外形图外形图(b)剖面图剖面图图图3.135 直电极透射式容栅传感器的结构示意图直电极透射式容栅传感器的结构示意图(3)(3)反射式反射式L型电极型电极屏蔽电极屏蔽电极反射电极反射电极 图图3.136 反射式反射式L L形电极形电极容栅传感器容栅传感器2024/8/1503.3.信号处理方式信号处理方式容栅式传感器的输出信号常采用调幅式和调相式电路进行容栅式传感器的输出信号常采用调幅式和调相式电路进
52、行处理。下面以直电极反射式结构为例，介绍这两种信号处理。下面以直电极反射式结构为例，介绍这两种信号的处理方式。的处理方式。 (1)(1)调幅式调幅式(2)(2)调相式调相式4.4.容栅传感器的应用容栅传感器的应用容栅传感器广泛应用于数显卡尺、千分表、测长仪、高度容栅传感器广泛应用于数显卡尺、千分表、测长仪、高度仪和坐标测量机等数显测量系统中。仪和坐标测量机等数显测量系统中。 容栅传感器容栅传感器2024/8/151各种容栅数显卡尺各种容栅数显卡尺2024/8/152数显千分尺数显千分尺2024/8/153数显千分尺（续）数显千分尺（续）2024/8/154数显外径测量台数显外径测量台2024/
53、8/155数显内螺孔深度尺数显内螺孔深度尺2024/8/156容栅数显百分表容栅数显百分表容栅数显千分表容栅数显千分表2024/8/157容栅数显测高仪量程量程 750mm分辨率分辨率 0.001mm示值误差示值误差 0.0075mm示值重复性示值重复性 0.002mm (3)测量力测量力 13N 可调可调测量滑架的最大速度测量滑架的最大速度1 米米/秒秒 底座底座测测头头2024/8/158容栅数显测高仪容栅数显测高仪1.1.测力调节测力调节2.2.测头导轨测头导轨3.3.测头测头4.4.坐垫坐垫5.5.液晶屏显示液晶屏显示6.6.触摸开关触摸开关7.RS-232 7.RS-232 输出输出
54、8.8.打印机打印机9.9.驱动开关驱动开关10.10.气泵开关气泵开关11.11.电源线电源线 2024/8/159&能能把把被被测测量量转转换换为为与与之之相相对对应应且且便便于于处处理理的的频频率率输输出出的的传传感感器器统统称称为为频频率率式式传传感感器器。故故这这些些通通过过测测量量脉脉冲冲频频率率进进行行非非电电量量测测量量的的传传感感器器也也称称为为频频率率式式传传感感器器。谐谐振振式式传传感感器器(Resonant Sensor)是是直直接接将将被被测测量量转转换换为为物物体体谐谐振振频频率率变变化化的装置，故也属于频率式传感器。的装置，故也属于频率式传感器。&谐谐振振式式传传
55、感感器器按按照照谐谐振振的的原原理理可可分分为为电电子子式式、机机械械式式和和原原子子式三类。式三类。&构成谐振式传感器最简单的方法有两个：构成谐振式传感器最简单的方法有两个：一一种种是是利利用用电电子子振振荡荡器器的的原原理理，只只要要使使振振荡荡电电路路中中某某个个部部分分由由于于被被测测量量的的变变化化而而变变化化，就就可可改改变变振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率。其其典典型型例子如改变例子如改变RLCRLC振荡电路中的电容、电感或电阻；振荡电路中的电容、电感或电阻；另另外外一一种种方方法法是是利利用用机机械械振振动动系系统统，通通过过其其固固有有振振动动频频率率的的变变化来反映参数的值
56、。化来反映参数的值。谐振式传感器谐振式传感器2024/8/1601.RC谐振式传感器谐振式传感器利用热敏电阻把温度变化转换成频率信号的方法是利用热敏电阻把温度变化转换成频率信号的方法是RC频率式频率式传感器的一例。传感器的一例。2.2.石英晶体频率式传感器石英晶体频率式传感器 利用石英晶体的谐振特性，可以组成石英晶体频率式传感器。利用石英晶体的谐振特性，可以组成石英晶体频率式传感器。石英晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的固石英晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的固有频率相同时，就会产生谐振。有频率相同时，就会产生谐振。3. 弹性振体频率式传感器弹性振体频率式传感器弹性
57、振体频率式传感器是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性弹性振体频率式传感器是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的固有振动频率振体的固有振动频率( (自振谐振频率自振谐振频率) )来测量有关参数的。来测量有关参数的。弹性振动体可以有不同的结构形式，有张丝状、筒状、梁状和弹性振动体可以有不同的结构形式，有张丝状、筒状、梁状和膜片状等。因此，弹性振体谐振传感器相应地有振弦式、振筒膜片状等。因此，弹性振体谐振传感器相应地有振弦式、振筒式、振梁式和振膜式等类型之分。式、振梁式和振膜式等类型之分。谐振式传感器谐振式传感器2024/8/1614.谐振式传感器的应用谐振式传感器的应用谐振式传感器可将被测量转换成物体的谐振频率，可以用谐振式传感器可将被测量转换成物体的谐振频率，可以用来测量测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、液来测量测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。位等。谐振式传感器谐振式传感器2024/8/162
