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1、第第3章章 数字式传感器数字式传感器 数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。 与模拟传感器相比的特点是与模拟传感器相比的特点是: :抗干扰能力强抗干扰能力强, ,稳定性强稳定性强; ;易于微机接口易于微机接口, ,便于信号处理和实现自动化测量。便于信号处理和实现自动化测量。 本章讲述常用的数字式传感器本章讲述常用的数字式传感器光栅传感器光栅传感器磁栅传感器磁栅传感器旋转式光电编码器旋转式光电编码器直线感应同步器直线感应同步器旋转变压器旋转变压器3.1 3.1 光栅传感器光栅传感器一一. .光栅及其测量系统光栅及其测量系统1.1.光栅的结构类
2、型光栅的结构类型 1 1）长光栅尺）长光栅尺2）圆光栅）圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。2
3、.2.光栅测量系统（光栅读数头）光栅测量系统（光栅读数头）二二. .光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理1.1.莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时小的夹角时, , 光源照射光栅尺，由于光源照射光栅尺，由于挡光挡光效应效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上线纹大致垂直的方向上, , 产生出亮暗相间产生出亮暗相间的条纹的条纹, , 这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹”。莫尔条
4、纹的特征莫尔条纹的特征1) 放大作用放大作用放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小, , B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.12/360 =0.1=0.12/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mmW=0.02mm BH=11.4592mm。2) 2) 对应关系对应关系 3） 误差的平均效应误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫莫尔尔条条纹纹由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线形形成成, 对对线线纹纹的的刻刻划划误误差差有有平平均均抵抵消消作作用用
5、, 几几条条刻刻线线的的栅栅距距误误差差或或断断裂裂对对莫莫尔尔条条纹纹的的位位置置和和形形状状影影响响甚甚微微。能能在在很很大大程程度度上上消除短周期误差的影响。消除短周期误差的影响。 例例W=0.02mm, 接接收收元元件件尺尺寸寸1010mm2,在在10mm范范围围内内有有500条条刻刻线线参参与与工工作作，某某几几条条刻刻线线误误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。2.2.辨向原理及辨向电路辨向原理及辨向电路1 1）为什么要辨向）为什么要辨向 当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接动时
6、，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。测量电路中加入辨向电路。2 2）辨向原理与辨向电路）辨向原理与辨向电路辨向电路辨向电路设计数器记得脉冲数为设计数器记得脉冲数为N，位移，位移 x=N W 光栅测量位移属于增量光栅测量位移属于增量式测量。式测量。三三.细分技术细分技术目的：提高分辨力（测量比
7、栅距更小的位移量）。目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内期内, , 发出发出n n脉冲脉冲, , 每个脉冲代表原来栅距的每个脉冲代表原来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了由于细分后计数脉冲频率提高了n n倍倍, , 因此也称之因此也称之为为n n倍频。倍频。 细分类型：细分类型： 电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。1. 四倍频细分四倍频细分在在相相差差B/4B/4位位置置上上安安放放两两个个光光电电元元件件，得得到到两两个个相相
8、差差/2/2电电压压信信号号（S S和和C C），将将这这两两个个信信号号整整形形、反反相相得得到到四四个个依依次次相相差差/2/2的的电电压压信信号号。0 0（S S），9090（C C）180180（S S）270270（C C）。）。在在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。2.2.电位器桥（电阻链）细分电位器桥（电阻链）细分实现方法及原理实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为四细
9、分后得到的四个相位差为9090度的交流信号度的交流信号U Um msinsin,U Um mcoscos和和- -U Um msinsin,-,-U Um mcoscos。以这四以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把器，构成电位器桥，把=0=0-360-360度度, , （x=0-Wx=0-W）分成四个象限。分成四个象限。每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同同的一系列移相信号（新函数）。的一
10、系列移相信号（新函数）。四四.光栅数显装置光栅数显装置主要芯片简介主要芯片简介1.1.光栅信号处理芯片光栅信号处理芯片(HKF710502)(HKF710502) 主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。2.2.逻辑控制芯片（逻辑控制芯片（HKE701314HKE701314） 主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCDBCD译码；译码；XJXJ校验及超速报警。校验及超速报警。3.3.
11、可逆计数与零位记忆芯片（可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201)HKE701201) 主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。五五.光栅传感器的应用光栅传感器的应用3.2 3.2 旋转式光电编码器旋转式光电编码器一一.增量式增量式旋转光电编码器旋转光电编码器1.1.工作原理工作原理2.2.增量式光电盘增量式光电盘4.旋转方向的判别旋转方向的判别二二.
12、 .绝对式光电编码器绝对式光电编码器1.1.测量原理测量原理2.2.绝对式光电码盘绝对式光电码盘3.3.循环码盘循环码盘1）编码规则）编码规则将二进制码右移将二进制码右移 一位并舍去最末位一位并舍去最末位与原二进制做不进与原二进制做不进位加法。位加法。2）特点）特点相邻两个数码之间相邻两个数码之间只有一位变化。只有一位变化。4.提高分辨率的方法插值法提高分辨率的方法插值法三三. .光电编码器的应用光电编码器的应用1.1.在数控机床中的应用在数控机床中的应用2.2.角度及转速的测量角度及转速的测量 脉冲频率法脉冲频率法脉冲周期法脉冲周期法3.3 直线式感应同步器直线式感应同步器一.直线式感应同步
13、器的结构二二. 工作原理工作原理三三. 数显装置数显装置1.1.鉴幅式鉴幅式2.主要性能指标主要性能指标1 1）精度）精度 在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的最大可能偏离量，用正负偏差表示最大可能偏离量，用正负偏差表示2 2）分辨力）分辨力 系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量q q是指一个是指一个脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测量，可用下脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测
14、量，可用下式计算：式计算：式中：式中：W W节距节距 n n系统的细分数系统的细分数3）跟踪速度）跟踪速度 当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度u ui i为为式中：式中：f fi i- -增量脉冲频率增量脉冲频率 q-q-脉冲当量脉冲当量四四.安装使用注意事项安装使用注意事项 安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、滑尺组件和防护罩
15、三部分。滑尺组件和防护罩三部分。感应同步器的安装要求如下：感应同步器的安装要求如下：五五.感应同步器的应用感应同步器的应用1.1.机床闭环控制机床闭环控制2.定位控制定位控制3.随动控制随动控制3.4 旋转变压器旋转变压器一一. .旋转变压器的结构旋转变压器的结构二二.旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理1.1.两级绕组式的工作原理两级绕组式的工作原理2.四级绕组式的工作方式四级绕组式的工作方式1 1）鉴相工作方式）鉴相工作方式定子绕组分别通以同幅定子绕组分别通以同幅值、同频率、相位相差值、同频率、相位相差9090度的交流电压。度的交流电压。根据叠加原理，转子绕组根据叠加原理，转子绕组中的感应电压为这两个电中的感应电压为这两个电压的代数和，即压的代数和，即2）鉴幅式工作方式）鉴幅式工作方式 当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的交流电压交流电压其幅值分别为其幅值分别为 定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位移的变化。移的变化。三三.旋转变压器的应用旋转变压器的应用在数控机床中的应用在数控机床中的应用
