傳感器與檢測技術(shù)(第3版)[謝志萍]04

1、第第4章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4.1.1 光柵的分類光柵的分類傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器圓光柵刻線方向傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4.1.2 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理反射式光柵線紋形狀傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器透射光柵傳感器光路1光源；2透鏡；3主光柵；4指示光柵；5光電元件傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感

2、器光柵數(shù)字式傳感器1長光柵副傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器如果改變 角，兩條莫爾條紋間的距離B也隨之變化。22sin22WWWB傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器莫爾條紋的方向與光柵的移動方向只相差 /2，即近似于與柵線方向垂直，故此莫爾條紋又稱橫向莫爾條紋。從式（4-1）可以明顯地看出莫爾條紋有如下重要特性：（1）平均效應(yīng)。（2）放大作用。（3）對應(yīng)關(guān)系。1WBX傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器2圓光柵副rWRB2傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵

3、數(shù)字式傳感器4.1.3 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路1光柵傳感器的常用光路（1）垂直透射式光路。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器（2）透射分光式光路。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器（3）反射式光路。1主光柵；2指示光柵；3場鏡；4反光鏡5聚焦透；6光源；7物鏡；8光電元件 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器（4）鏡像式光路。1光源；2半透半反射鏡；3聚光鏡；4主光柵；5物鏡；6反射鏡；7光電元件傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感

4、器2光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主光柵和指示光柵做相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器光敏元件輸出的波形可由如下公式描述： WxUUU2sinm0傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器3光柵傳感器的辨向處理1, 2光電元件；3莫爾條紋；4指示光柵傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4光柵傳感器的細(xì)分原理（1）倍頻細(xì)分法。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式

5、傳感器光柵數(shù)字式傳感器（2）電橋細(xì)分法。12L1o121o1212o222o222L2L220()/()/()/()/iiiiuuRuuGiuuRuuGiuRuG2o11o22123()/()uu GuGGGG022o11oGuGu21cossintanRR傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4.1.4 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用1光柵位移傳感器型 號BG1BG1A光柵柵距40m（0.040mm）、20m（0.020mm）、10m（0.010mm）光柵測量系統(tǒng)透射式紅外光學(xué)測量系統(tǒng)，高精度性能的光柵玻璃尺讀數(shù)頭滾動系統(tǒng)垂直式五軸承滾動系統(tǒng)，優(yōu)異的重復(fù)定

6、位性，高精度測量精度45五軸承滾動系統(tǒng)，優(yōu)異的重復(fù)定位性，高等級的測量精度防護(hù)塵密封采用特殊的耐油、耐蝕、高彈性及抗老化塑膠，防水、防塵優(yōu)良，使用壽命長分辨率1m2m5m10m有效行程503000mm 每隔50mm一種長度規(guī)格（整體光柵不接長）工作速度20米/分鐘工作環(huán)境溫度050 濕度90(205)工作電壓5V5% 12V5%輸出電壓TTL 正弦波傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器在具體使用時要注意：（1）傳感器應(yīng)盡量安裝在靠近設(shè)備工作臺的床身基面上。（2）根據(jù)設(shè)備的行程選擇傳感器的長度，光柵傳感器的有效長度應(yīng)大于設(shè)備行程。（3）將傳感器固定在設(shè)備工作臺

7、的基面上，確保主尺上端面同正面與移動方向平行，誤差0.1mm。（4）讀數(shù)頭固定于相對于主尺的另一基面上，讀數(shù)頭與主尺之間應(yīng)保持0.80.15mm的間隙，盡量使讀數(shù)頭安裝在非運(yùn)動部件上，以方便電纜線的固定。（5）在安裝傳感器的設(shè)備導(dǎo)軌上應(yīng)裝限位裝置。（6）在使用環(huán)境有油污、鐵屑等情況時，建議采用防護(hù)罩，防護(hù)罩應(yīng)將主尺全部防護(hù)。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器2光柵數(shù)顯表所示為微機(jī)光柵數(shù)顯表的組成框圖，在微機(jī)光柵數(shù)顯表中，放大、整形采用傳統(tǒng)的集成電路，辨向、細(xì)分可由微機(jī)來完成。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器所示為光柵

8、數(shù)顯表在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動中的應(yīng)用。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.1 磁柵的結(jié)構(gòu)和種類磁柵的結(jié)構(gòu)和種類傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器具體使用時對磁柵還有如下的要求：（1）磁柵的基尺（磁尺）要求不導(dǎo)磁，線膨脹系數(shù)應(yīng)與儀器或機(jī)床的相應(yīng)部分相近似。（2）為了使磁尺上錄的磁信號能長時期保存，并希望產(chǎn)生較大的輸出信號，要求磁性薄膜剩磁感應(yīng)要大，矯頑力要高，電鍍要均勻，目前常用NiCo-P合金。（3）對磁尺表面要求長磁柵平直度為（0.0050.01）mm/m，圓磁柵的不圓度為0.0050.01mm，表面粗糙度要小。傳感器

9、與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.2 磁頭的結(jié)構(gòu)和種類磁頭的結(jié)構(gòu)和種類1動態(tài)磁頭1磁頭；2磁柵；3輸出波形 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器2靜態(tài)磁頭tWxUUsin2sinm 1磁頭；2磁柵；3輸出波形傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.3 磁柵傳感器的信號處理磁柵傳感器的信號處理1鑒幅方式在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用兩個多間隙靜態(tài)磁頭來讀取磁柵上的磁信號。tWxUUsin2sinm1tWxUUsin2cosm21m2sinxUUW 2m2cosxUUW 傳感器與檢測技術(shù)傳感

10、器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器2鑒相方式tWxUUcos2sinm1若兩磁頭的激勵磁繞組上施加相位差為/4的正弦激勵信號，或?qū)⑤敵鲂盘栆葡?2，則兩磁頭輸出信號變?yōu)椋簍WxUUsin2cosm2txUU2sinm傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.4 磁柵傳感器的應(yīng)用磁柵傳感器的應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.1 感應(yīng)同步器的類型和結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的類型和結(jié)構(gòu)1直線式感應(yīng)同步器（1）標(biāo)準(zhǔn)型。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器定尺繞組是在250mm長的基板上連續(xù)均勻分

11、布的，節(jié)距為W2=2（a2+b2）=2mm，其截面結(jié)構(gòu)如圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器滑尺繞組由兩組繞組（正弦和余弦繞組）所構(gòu)成，如圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器（2）窄型。窄型直線形感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)基本相同，其不同的是窄一點(diǎn)。當(dāng)安裝感應(yīng)同步器的設(shè)備在安裝位置上受到限制時可采用這種窄型感應(yīng)同步器。但這種窄型的電磁耦合情況不如標(biāo)準(zhǔn)型好，精度也比較低。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器（3）帶型。帶型直線形感應(yīng)同步器也與標(biāo)準(zhǔn)型基本相似，當(dāng)安裝感應(yīng)同步器的設(shè)備其安裝面不容易加工時而采用。它

12、是將繞組印刷在鋼帶上構(gòu)成定尺，而滑尺像計算尺上的游標(biāo)一樣，可以跨在鋼帶上，如圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器2旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器又稱圓盤形感應(yīng)同步器。人們把感應(yīng)同步器做成兩個具有相對轉(zhuǎn)動的圓盤形狀，其固定的圓盤稱為定子，而轉(zhuǎn)動的圓盤叫做轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子和定子面對面并以一定的間隙（0.200.05mm）裝配而成，可以用來測量角位移，也可以測量直線位移。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.2 感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理繞組通電時磁力線流向圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器我們先假定滑尺上

13、只有一個繞組，如圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.3 感應(yīng)同步器的信號處理感應(yīng)同步器的信號處理1鑒相處理lx2MmMmMmMsincoscossinsin()eKUtKUtKUt傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器2鑒幅處理McMssincoscoscostKUtKUetxlKUtKUecos2sinsincosmMm在使用同樣的感應(yīng)同步器定尺和滑尺時，只要將滑尺上兩相繞組的激勵磁方式改變一下，即采用同頻率、同相位、不同幅值的交流電壓，對感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組進(jìn)行激勵磁，就可以根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動勢的幅值來鑒別定尺、滑尺間的相對位

14、移量傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.4 感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器的應(yīng)用很廣泛，它與數(shù)字位移顯示裝置配合，能進(jìn)行各種位移的精密測量，并能實(shí)行數(shù)字顯示，也能實(shí)現(xiàn)整個測量系統(tǒng)的半自動化及全自動化傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器SF2-數(shù)顯表框圖傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器4.4.1 脈沖盤式編碼器脈沖盤式編碼器1脈沖盤式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器2脈沖盤式編碼器的辨向方式傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器4.4.2 碼盤式編碼器碼

15、盤式編碼器1接觸式編碼器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器電刷在不同位置時對應(yīng)的數(shù)碼角 度電 刷 位 置二進(jìn)制碼（B）循環(huán)碼（R）十 進(jìn) 制 數(shù)0a0000000001b0001000112c0010001123d0011001034e0100011045f0101011156g0110010167h0111010078i1000110089j10011101910k1010111110角 度電 刷 位 置二進(jìn)制碼（B）循環(huán)碼（R）十 進(jìn) 制 數(shù)11l101111101112m110010101213N110110111314O111010011415P1111100015傳

16、感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器V掃描法的電刷分布和邏輯電路傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器2光電式編碼器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器3電磁式編碼器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器4.4.3 編碼器的應(yīng)用編碼器的應(yīng)用長春第一光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的CHA系列實(shí)心軸增量式編碼器，其外徑 40，軸徑 6，體積小，重量輕，適用于BL-2型聯(lián)軸器。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器CHA-2型增量型編碼器的輸出電路傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器1數(shù)字測速（1）M法測速。在一定時間間隔Tc內(nèi)

17、（如10s、20s、0.1s等），用編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來確定速度的方法稱為M法測速。若編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在tc時間間隔內(nèi)得到m1個脈沖，則編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率為：1c/fmt1c1c60/60(/)/60/()nfNmtNmNt傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器（2）T法測速。用編碼器所產(chǎn)生的相鄰兩個脈沖之間的時間來確定被測轉(zhuǎn)速的方法稱為T法測速。測速時，先選擇一標(biāo)準(zhǔn)時鐘，其周期為Tc（如1s），測出編碼器輸出的兩個相鄰脈沖上升沿（即周期T）之間所能填充的標(biāo)準(zhǔn)時鐘個數(shù)m2，則周期T為：2cTm T2cc260/60

18、/()60/()60/()nfNTNm T NfNm若編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，則轉(zhuǎn)速為：傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器2工位編碼傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.4 編碼器編碼器3在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用（1）提供電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子間相到位置的數(shù)據(jù)。（2）通過F/V（頻率/電壓）轉(zhuǎn)換，提供速度反饋信號。（3）提供傳動系統(tǒng)角位移信號，作為位置反饋信號。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉線位移傳感器4.5.1 拉線位移傳感器工作原理拉線位移傳感器工作原理傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉線位移傳感器4.5.2 拉線位移傳感器的特點(diǎn)拉線位移傳感器的特點(diǎn)（1）多軸測量能力。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉線位移傳感器（2）裝配靈活。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉