檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第07章

1、第七章第七章 位移一數(shù)字傳感器位移一數(shù)字傳感器第一節(jié)角度數(shù)字編碼器第二節(jié)光柵與電子細(xì)分第三節(jié)感應(yīng)同步器近年來陸續(xù)出現(xiàn)了新的測量元件。如碼盤、光柵、磁尺、感應(yīng)同步器等位移數(shù)字傳感器，以適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的需要。使用這些元件，有如下共同特點：（1）能借助于微電子技術(shù)，達(dá)到足夠高的精度，沒有人為的讀數(shù)誤差。（2）易于實現(xiàn)系統(tǒng)的快速、自動和數(shù)字化。（3）測量系統(tǒng)量限大，長度可達(dá)數(shù)米甚至更長；角度可在360范圍內(nèi)進(jìn)行測量。（4)）測量系統(tǒng)安裝方便，使用、維護(hù)簡單，工作可靠性好。第一節(jié)角度數(shù)字編碼器本章介紹角度數(shù)字編碼器、光柵和感應(yīng)同步器等，并給出實例說明它們的具體應(yīng)用。一 、脈沖盤式數(shù)字編碼

2、器辨向環(huán)節(jié)的邏輯電路框圖波形圖計數(shù)器進(jìn)行減法計數(shù)。這樣就可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向，自動進(jìn)行加法或減法計數(shù)。它每次反映的都是相對于上次角度的增量，所以這種測量屬于增量法。二、碼盤式角度數(shù)字編碼器碼盤式角度數(shù)字編碼器是按角度直接進(jìn)行編碼的傳感器，通常把它裝在檢測軸上。按其結(jié)構(gòu)可把它分為接觸式，光電式和電磁式幾種。 四位循環(huán)碼盤 二進(jìn)制碼盤 接觸式四位二進(jìn)制碼盤，涂黑部分是導(dǎo)電區(qū)。所有導(dǎo)電部分連在一起接高電位?？瞻撞糠执斫^緣區(qū)。在每圈碼道上都有個電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤與軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電位，對應(yīng)一定的數(shù)碼。若采用n位碼盤，其能分辨的角度為：二進(jìn)制碼盤很簡單，但在實際應(yīng)用中對碼盤的制作

3、和電刷（或光電元件）的安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會出錯。為了消除非單值性誤差，可采用兩種方法：第一種方法是采用雙電刷，此法在工藝上和電路上都比較復(fù)雜，故很少采用。應(yīng)用最廣的第二種方法是采用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。循環(huán)碼的特點是相鄰的兩個數(shù)碼間只有一位是變化的，因此即使制作和安裝不準(zhǔn)，產(chǎn)生的誤差最多也只是一位數(shù)。十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)及四位循環(huán)碼對照表由于循環(huán)碼的各位沒有固定的權(quán)，因此需要把它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼。二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼的法則是：將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，所得結(jié)果即循環(huán)碼：接觸式碼盤的優(yōu)點是簡單、體積小、輸出信號功率大。缺點是有磨損、壽命短、轉(zhuǎn)速不能太高(每分鐘幾十

4、轉(zhuǎn)以內(nèi))。第二節(jié) 光柵與電子細(xì)分一、光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（一）光柵測量的基本原理（）光柵。（）莫爾條紋。在與光柵刻線大致垂直的方向上，產(chǎn)生明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。莫爾條紋形成示意圖（）標(biāo)尺光柵、指示光柵（二）莫爾條紋的轉(zhuǎn)換特點（）莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵尺的位移量，位移方向具有對應(yīng)關(guān)系。（）莫爾條紋間距對光柵柵距具有放大作用。（）莫爾條紋對光柵柵距局部誤差具有消差作用。在光柵測量中，光電元件接收的是一個區(qū)域內(nèi)所含眾多的柵線所形成的莫爾條紋。（三）光柵測量裝置、光柵光學(xué)系統(tǒng)、光柵讀數(shù)頭1光柵測量裝置光柵測量裝置（或稱光柵測量系統(tǒng)）是指利用光柵原理對輸入量（位移量）進(jìn)行

5、轉(zhuǎn)換、顯示的整個測量裝置。它包括三大部分：光柵光學(xué)系統(tǒng)；實現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)。2光柵光學(xué)系統(tǒng)光柵光學(xué)系統(tǒng)是指形成莫爾條紋和拾取莫爾條紋信號的光學(xué)系統(tǒng)及其光電接收元件。 光柵光學(xué)系統(tǒng)1光源 2聚光鏡 3標(biāo)尺光柵 4指示光柵 5光電接收元件 （1）照明系統(tǒng)。（2）光柵副。（3）光電接收系統(tǒng)。（4）光欄。（四）光柵測量的特點及應(yīng)用現(xiàn)狀1光柵測量的特點（1）高精度。（2）高分辨率、大量程。（3）抗干擾能力強。（4）價格較高，其成本比感應(yīng)同步器、磁柵測量裝置高。2光柵測量的應(yīng)用范圍（1）長度與角度的精密測量（2）應(yīng)用于數(shù)控機床中。（3）其它方面。可用于測量振動、應(yīng)力和應(yīng)變

6、等。二、光柵光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)形成莫爾條紋時相互起作用的光柵尺的數(shù)目而將光柵系統(tǒng)劃分為：單光柵光學(xué)系統(tǒng)、雙光柵光學(xué)系統(tǒng)和三光柵光學(xué)系統(tǒng)三類。下面僅對直接接收式雙光柵光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。這種系統(tǒng)又稱垂直入射式系統(tǒng)或直讀式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、調(diào)整使用方便。對于柵距較大的光柵，多數(shù)采用這一光學(xué)系統(tǒng)。四相型光學(xué)系境14硅光電池在數(shù)控機床中，近來還發(fā)明一種適用于一般精度的小型直讀式系統(tǒng)。 小型直讀式系統(tǒng)1發(fā)光二極管 2標(biāo)尺光柵 3指示光柵 4光電二極管 三、電子細(xì)分莫爾條紋電子細(xì)分法從頻率角度看，信號的重復(fù)頻率提高了，因此又稱倍頻。由于細(xì)分是在信號一個周期內(nèi)插進(jìn)許多個計數(shù)脈沖，所以也把細(xì)分叫內(nèi)插

7、或插補。完成細(xì)分的電路裝置又叫插補器，一般稱細(xì)分電路。這里介紹常用的直接細(xì)分（位置細(xì)分）和電位器橋（電阻鏈細(xì)分）細(xì)分方法。1四倍頻直接細(xì)分在通常情況下，光柵移過一個柵距，莫爾條紋變化一個周期。由于光柵副是一個諧波發(fā)生器，因而用位置四細(xì)分法可獲得四路信號。一種四細(xì)分邏輯圖它用運算放大器對由光電元件VL 1、VL3、VL 2、VL4獲得的輸入信號進(jìn)行差接放大。輸出的四路信號分別為s i n 、一s i n ，c o s 、一c o s ，各自送到鑒零器整形成方波。電位器橋（電阻鏈）細(xì)分在0360之間欲細(xì)分成n等分，應(yīng)為4的整數(shù)倍。電位橋細(xì)分原理圖 按此原理將繪出48點電位器橋細(xì)分電路。48點電位器

8、橋細(xì)分電路第三節(jié) 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種測量位移的平而變壓器式的位移數(shù)字傳感器。一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)、種類和工作原理（一）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類直線式感應(yīng)同步器的定、滑尺是由基板1、絕緣2、繞組3構(gòu)成。屏蔽層4覆蓋在滑尺繞組上。 直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖考慮對定尺接長的要求和安裝的方便，可將定尺繞組制成連續(xù)式的。 a)而將滑尺繞組制成分段式的。 b)（二）感應(yīng)同步器的工作原理1工作原理a是連續(xù)繞組的一部分，b是分段繞組相鄰的兩導(dǎo)體組，它們分屬于A相和B相。 直線式感應(yīng)同步器的基本參數(shù)表B相導(dǎo)體組輸出的感應(yīng)電動勢以正弦函數(shù)關(guān)系反映了感應(yīng)同步器的機械轉(zhuǎn)角或位移的變化。 b) 繞組展開示意圖 a) 在實際上作時，一相的所有導(dǎo)體組是串聯(lián)在一起的，所以EA、EB應(yīng)是兩相繞組的總輸出電動勢。感應(yīng)同步器輸出曲線 2、工作方式為了輸出與角度或位移呈一定函數(shù)關(guān)系的電量，需要對輸出信號進(jìn)行處理，其方式有鑒相和鑒幅兩種。鑒相方式連續(xù)繞組接電源；分段繞組接在函數(shù)變壓器輸入端。鑒幅方式（三）電氣參數(shù)感應(yīng)同步器的電氣原理與變壓器相同，故可用一等效電路來表征。等值電路1感抗遠(yuǎn)小于電阻相量圖2輸出電壓遠(yuǎn)小于勵磁電壓3運行狀態(tài)可看作空載狀態(tài)4輸出電壓失真系數(shù)大于勵磁電壓失真系數(shù)5實際輸出電壓幾乎不存在非