傳感器與檢測技術第2章5大位移磁柵光柵

1、1第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器v數字式傳感器數字式傳感器v磁柵式位移傳感器磁柵式位移傳感器v光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器v感應同步器感應同步器v激光式位移傳感器激光式位移傳感器2第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v磁柵式位移傳感器根據用途可分為磁柵式位移傳感器根據用途可分為長磁柵長磁柵和和圓磁柵圓磁柵位移傳感器，分別用于測量位移傳感器，分別用于測量線位移線位移和和角位移角位移。v磁柵式位移傳感器由磁柵式位移傳感器由磁柵磁柵和和磁頭磁頭組成。組成。3第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v磁柵磁柵：v在非磁性金屬尺

2、的平整表面上，鍍一層磁性在非磁性金屬尺的平整表面上，鍍一層磁性材料薄膜，用錄音磁頭沿長度方向按一定波材料薄膜，用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號，以剩磁的形式保留在長記錄一周期性信號，以剩磁的形式保留在磁尺上。錄制后磁尺的磁化圖形排成磁尺上。錄制后磁尺的磁化圖形排成sn、ns狀態(tài)。狀態(tài)。4第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v磁頭磁頭分分動態(tài)動態(tài)、靜態(tài)靜態(tài)兩種。兩種。v動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭又稱速度磁頭，只有一個繞組，當又稱速度磁頭，只有一個繞組，當磁頭沿磁柵作相對運動時才有信號輸出。輸磁頭沿磁柵作相對運動時才有信號輸出。輸出為正弦波，在出為正弦波，在n

3、、n重迭處輸出正信號最重迭處輸出正信號最強，在強，在s、s重迭處負信號最強。重迭處負信號最強。5第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭又稱又稱磁通響應式磁頭磁通響應式磁頭，該磁頭有兩，該磁頭有兩個繞組，一為個繞組，一為勵磁繞組勵磁繞組，另一為，另一為輸出繞組輸出繞組6第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v在勵磁繞組中輸入高頻勵磁信號電流，其勵在勵磁繞組中輸入高頻勵磁信號電流，其勵磁電壓為磁電壓為v當磁頭不動時，輸出繞組輸出一等幅的正弦當磁頭不動時，輸出繞組輸出一等幅的正弦或余弦電壓信號，其頻率仍為勵磁電壓的頻或

4、余弦電壓信號，其頻率仍為勵磁電壓的頻率，其幅值與磁頭所處的位置有關。率，其幅值與磁頭所處的位置有關。sinimuutcosimuut7第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v在勵磁繞組中輸入高頻勵磁信號電流，其勵在勵磁繞組中輸入高頻勵磁信號電流，其勵磁電壓為磁電壓為v當磁頭運動時，幅值隨磁尺上的剩磁影響而當磁頭運動時，幅值隨磁尺上的剩磁影響而變化。由于剩磁形成的磁場強度按正弦波變變化。由于剩磁形成的磁場強度按正弦波變化，從而獲取調制波，輸出繞組的感應電動化，從而獲取調制波，輸出繞組的感應電動勢勢sinimuutcosimuutsinsin2mseut8第三節(jié)第三

5、節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v實際上，靜態(tài)磁頭一般用兩個，二者之間間實際上，靜態(tài)磁頭一般用兩個，二者之間間距為距為(n土土1/4) ，(其中其中n為正整數為正整數)，即兩，即兩者空間相位差者空間相位差90 。9第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v如果兩個磁頭的勵磁電壓如果兩個磁頭的勵磁電壓sinimuutcosimuut1222sincoscossinmmeusteustv則兩個磁頭的輸出線圈感應電動勢為則兩個磁頭的輸出線圈感應電動勢為122sinmeeeustv將兩個輸出線圈差動連接，則輸出電動勢為將兩個輸出線圈差動連接，則

6、輸出電動勢為10第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v輸出電動勢為輸出電動勢為v將其送入鑒相測量電路，可以獲取磁頭在磁將其送入鑒相測量電路，可以獲取磁頭在磁柵上移動距離柵上移動距離s的相應值。的相應值。122sinmeeeust11第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器一、磁柵式傳感器一、磁柵式傳感器v磁柵位移傳感器有較高精度，目前可以作到磁柵位移傳感器有較高精度，目前可以作到系統精度達系統精度達 0.01mm/mv分辨力為分辨力為15 mv但磁信號的均勻性和穩(wěn)定性對磁柵式位移測但磁信號的均勻性和穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的精度影響較大。量的精度影響較大。12第三

7、節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器例題（例題（2007真題）：真題）：磁柵式傳感器輸出電動勢為：磁柵式傳感器輸出電動勢為： 其中其中 2mm1.若若e=10sin(100t+0.96 )，求此時測得的位移求此時測得的位移l；2.在一個測量周期內，此傳感器所能測量的最大位在一個測量周期內，此傳感器所能測量的最大位移量移量lmax。2sinmeult13第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器v光柵式位移傳感器有測量光柵式位移傳感器有測量線位移線位移的的長光柵長光柵和和測量測量角位移角位移的的圓光柵圓光柵。14第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位

8、移傳感器二、光柵式位移傳感器1. 長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理v長光柵是在兩塊光學玻璃上或具有強反射能長光柵是在兩塊光學玻璃上或具有強反射能力的金屬表面上，刻上相同的均勻密集的平力的金屬表面上，刻上相同的均勻密集的平行細線。如果將這兩塊玻璃板或金屬板重疊行細線。如果將這兩塊玻璃板或金屬板重疊放置，并使它們的刻線間有一微小夾角放置，并使它們的刻線間有一微小夾角 ，此時，由于此時，由于光的干涉效應光的干涉效應，在與光柵柵線近，在與光柵柵線近似垂直方向上將產生明暗相間的條紋，這些似垂直方向上將產生明暗相間的條紋，這些條紋稱為條紋稱為莫爾條紋莫爾條紋。 15第三節(jié)第三節(jié) 大位移

9、傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器1. 長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理v根據根據莫爾條紋效應設計光柵傳感器莫爾條紋效應設計光柵傳感器。 16第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器1. 長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理v若光柵柵距為若光柵柵距為w，兩個相鄰莫爾條紋的間距，兩個相鄰莫爾條紋的間距為為bh，則有，則有2(sin/2)hwwb17第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器1. 長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理v根據莫爾條紋的性

10、質，當兩個光柵沿刻線垂根據莫爾條紋的性質，當兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋相對柵外不直方向作相對移動時，莫爾條紋相對柵外不動點沿著近似垂直的運動方向移動，光柵移動點沿著近似垂直的運動方向移動，光柵移動一個柵距動一個柵距w，莫爾條紋移動一個條紋間距，莫爾條紋移動一個條紋間距bh；光柵運動方向改變，莫爾條紋的運動；光柵運動方向改變，莫爾條紋的運動方向也作相應改變；光柵條紋的光強度隨條方向也作相應改變；光柵條紋的光強度隨條紋移動按紋移動按正弦規(guī)律正弦規(guī)律變化。變化。18第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器1. 長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位

11、移傳感器的工作原理19第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器1. 長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理v因此，可根據莫爾條紋移動的條紋數和方向，因此，可根據莫爾條紋移動的條紋數和方向，測出光柵移動的距離和方向。光柵傳感器就測出光柵移動的距離和方向。光柵傳感器就是根據這一原理，實現對位移的檢測。是根據這一原理，實現對位移的檢測。20第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器2. 長光柵位移傳感器長光柵位移傳感器v在作直線位移測量時，常把前面介紹的兩塊在作直線位移測量時，常把前面介紹的兩塊光柵作成一個標尺光

12、柵和一個指示光柵。光柵作成一個標尺光柵和一個指示光柵。v標尺光柵是一個長條形光柵，光柵長度由所標尺光柵是一個長條形光柵，光柵長度由所需量程決定。指示光柵較短，通常根據測量需量程決定。指示光柵較短，通常根據測量光學系統的需要而定，一般與光學系統物鏡光學系統的需要而定，一般與光學系統物鏡直徑相同。直徑相同。21第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器2. 長光柵位移傳感器長光柵位移傳感器v光柵條紋密度有光柵條紋密度有25條條/mm，50條條/mm、100條條/mm或更密，柵線長度一般為或更密，柵線長度一般為612mm。22第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

13、二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器2. 長光柵位移傳感器長光柵位移傳感器v根據不同的設計要求，光柵可以制成根據不同的設計要求，光柵可以制成透射光透射光柵柵和和反射光柵反射光柵。v透射光柵透射光柵的柵線刻制在透明材料上，要求較的柵線刻制在透明材料上，要求較高時，可以采用光學玻璃；而指示光柵最好高時，可以采用光學玻璃；而指示光柵最好采用光學玻璃。采用光學玻璃。v反射光柵的柵線反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。屬或鍍以金屬膜的玻璃上。23第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器3. 光學系統光學系統v常采

14、用的光學系統有：常采用的光學系統有：v(1)透射式光路透射式光路 v(2)反射式光路反射式光路24第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器3. 光學系統光學系統v(1)透射式光路透射式光路25第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器3. 光學系統光學系統v(2)反射式光路反射式光路26第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器3. 光學系統光學系統v光柵位移傳感器的測長精度可達光柵位移傳感器的測長精度可達0.53 m (3000mm范圍內范圍內)，分辨力可達，分辨力可達0.1 m27

15、第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器4. 圓光柵圓光柵v(1)切向圓光柵切向圓光柵v(2)徑向圓光柵徑向圓光柵徑向圓光柵徑向圓光柵 切向圓光柵切向圓光柵28第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器4. 圓光柵圓光柵v動光柵固定在轉軸上，因此，可將軸旋轉的動光柵固定在轉軸上，因此，可將軸旋轉的角度量變換成莫爾條紋信號。通過光電轉換角度量變換成莫爾條紋信號。通過光電轉換元件，將莫爾條紋的變化轉換成近似于正弦元件，將莫爾條紋的變化轉換成近似于正弦波形的電信號。測角精度可達波形的電信號。測角精度可達0.15”，分辨，分辨力

16、可達力可達0.1”，甚至更高。，甚至更高。29第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器30如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數莫爾條紋；倘若要讀出位移為到整數莫爾條紋；倘若要讀出位移為0.1 m，勢必要求每毫米刻線勢必要求每毫米刻線1萬條，這是目前工藝水萬條，這是目前工藝水平無法實現的。平無法實現的。如果采用如果采用柵距細分技術柵距細分技術可以獲得更高的測量可以獲得更高的測量精度。精度。常用的細分方法有直接倍頻細分法、電橋細常用的細分方法有直接倍頻細分法、電橋細分法等。分法等。 31四倍頻細分法四倍頻細分法 在

17、一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下圖圖(a)所示，得到相位分別相差所示，得到相位分別相差/2四個正弦周期信號。用適四個正弦周期信號。用適當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖 (b)所示的脈所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了脈沖的周期反應了1/4個莫爾條紋寬度。用計數器對這一列個莫爾條紋寬度。用計數器對這一列脈沖信號計數，就可以讀到脈沖信號計數，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，個莫爾條紋寬度的

18、位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細分這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細分法。法。32四倍頻細分法四倍頻細分法 在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下圖圖(a)所示，得到相位分別相差所示，得到相位分別相差/2四個正弦周期信號。用適四個正弦周期信號。用適當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖 (b)所示的脈所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了脈沖的周期反應了1/4個莫爾條紋寬度。用計數器對這一列個莫爾條紋寬度。用計數器對這一列脈沖信號計數，就可以讀到脈沖信號計數，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，個莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍