第10章數(shù)字式傳感器及應(yīng)用

第10章數(shù)字式傳感器及應(yīng)用第一頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/302主要章節(jié)10.1柵式數(shù)字傳感器10.2編碼器10.3感應(yīng)同步器10.4頻率式數(shù)字傳感器第二頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30310.1柵式數(shù)字傳感器根據(jù)工作原理，可分為光柵和磁柵兩種。光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線(xiàn)均勻相間排列構(gòu)成的光電器件。按其原理和用途，分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長(zhǎng)等量的測(cè)量。計(jì)量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測(cè)量位移、速度、加速度、振動(dòng)等物現(xiàn)量。計(jì)量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，具體制作時(shí)又可制作成線(xiàn)位移的長(zhǎng)光柵和角位移的圓光柵。本節(jié)主要介紹透射式的長(zhǎng)度計(jì)量光柵。它是利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，把光柵作為測(cè)量元件，具有結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床和儀器的精密定位或長(zhǎng)度、速度、加速度、振動(dòng)測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。第三頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30410.1.1光柵的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)在計(jì)量工作中應(yīng)用的光柵稱(chēng)為計(jì)量光柵。從光柵的光線(xiàn)走向來(lái)看，可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類(lèi)。透射式光柵一般用光學(xué)玻璃做基體，在其上均勻地刻劃上等間距、等寬度的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。反射式光柵用不銹鋼做基體，在其上用化學(xué)方法制作出黑白相間的條紋，形成強(qiáng)反光區(qū)和不反光區(qū)。第四頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/305尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵第五頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/306掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第六頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/307

光柵刻線(xiàn)第七頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/308計(jì)量光柵按其形狀和用途分類(lèi)長(zhǎng)光柵又稱(chēng)為光柵尺，用于長(zhǎng)度或直線(xiàn)位移的測(cè)量。圓光柵又稱(chēng)為光柵盤(pán)，用來(lái)測(cè)量角度或角位移。第八頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/309長(zhǎng)光柵黑白光柵

閃耀光柵刻線(xiàn)斷面閃耀光柵是對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，也稱(chēng)為相位光柵，按其刻線(xiàn)的斷面形狀可分為對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)兩種。第九頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3010圓光柵圓光柵的兩條相鄰柵線(xiàn)的中心線(xiàn)之間的夾角稱(chēng)為角節(jié)距，每周的柵線(xiàn)數(shù)從較低精度100線(xiàn)到高精度等級(jí)的21

600線(xiàn)不等第十頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/301110.1.2光柵的工作原理計(jì)量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。它們是在一塊長(zhǎng)條形光學(xué)玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線(xiàn)。主光柵的刻線(xiàn)一般比指示光柵長(zhǎng)。若將兩塊光柵（主光柵、指示光柵）疊合在一起，并且使它們的刻線(xiàn)之間成一個(gè)很小的角度θ，由于遮光效應(yīng)，兩塊光柵的刻線(xiàn)相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線(xiàn)與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線(xiàn)垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱(chēng)為莫爾條紋。1．長(zhǎng)光柵的莫爾條紋第十一頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3012莫爾條紋演示第十二頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3013光柵與莫爾條紋示意圖當(dāng)指示光柵沿著主光柵刻線(xiàn)的垂直方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將會(huì)沿著這兩個(gè)光柵刻線(xiàn)夾角的平分線(xiàn)的平行方向移動(dòng)，光柵每移動(dòng)一個(gè)W，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)間距B。θ越小，則B越大。第十三頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30142.橫向莫爾條紋的特點(diǎn)（1）放大作用光柵具有位移放大作用，提高了測(cè)量的靈敏度。（2）平均效應(yīng)莫爾條紋由大量的光柵柵線(xiàn)共同形成，所以對(duì)光柵柵線(xiàn)的刻劃誤差有平均作用。通過(guò)莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身柵線(xiàn)的刻劃精度還要高。（3）運(yùn)動(dòng)方向第十四頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3015光柵位移與光強(qiáng)關(guān)系4）對(duì)應(yīng)關(guān)系兩塊光柵沿柵線(xiàn)垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的亮帶與暗帶將順序自上而下不斷掠過(guò)光敏元件。光敏元件接受到的光強(qiáng)變化近似于正弦波變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。第十五頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3016（5）莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)等于光柵移過(guò)的柵線(xiàn)數(shù)例如采用100線(xiàn)/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了xmm（即移過(guò)了100x條光柵柵線(xiàn)），則從光電元件前掠過(guò)的莫爾條紋數(shù)也為100x條。由于莫爾條紋間距比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際位移。第十六頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/301710.1.3光柵式傳感器的測(cè)量電路計(jì)量光柵作為一個(gè)完整的測(cè)量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)；光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。第十七頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30181.光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換裝置（光柵讀數(shù)頭）主要由主光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。1—光源2—透鏡3—主光柵4—指示光柵5—光電元件第十八頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3019輸出電壓反映了位移量的大小莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的光帶。兩條暗帶中心線(xiàn)之間的光強(qiáng)變化是從最暗、漸亮、最亮、漸暗直到最暗的漸變過(guò)程。主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)，如以電壓輸出，即

第十九頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3020光電元件輸出波形第二十頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30212.辨向原理光柵是正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，莫爾條紋都做明暗交替變化，光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號(hào)，此信號(hào)只能計(jì)數(shù)，不能辨向。為此，必須設(shè)置辨向電路。第二十一頁(yè)，共63頁(yè)。辨向電路第二十二頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30233.細(xì)分技術(shù)為了提高分辨力，可以采用增加刻線(xiàn)密度的方法來(lái)減少柵距，但這種方法受到制造工藝或成本的限制。另一種方法是采用細(xì)分技術(shù)，可以在不增加刻線(xiàn)數(shù)的情況下提高光柵的分辨力，在光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋變化一周時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出均勻分布的n個(gè)脈沖，從而使分辨力提高到W/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了，因此細(xì)分又叫做倍頻。第二十三頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3024細(xì)分的方法直接細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)為4，所以又稱(chēng)四倍頻細(xì)分。實(shí)現(xiàn)的方法有兩種：第二十四頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3025四倍頻細(xì)分原理第二十五頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3026光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個(gè)自由度）第二十六頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3027安裝有直線(xiàn)光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況

防護(hù)罩內(nèi)為直線(xiàn)光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第二十七頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/302810.2編碼器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)，這類(lèi)傳感器稱(chēng)為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測(cè)量。編碼器主要分為脈沖盤(pán)式和碼盤(pán)式兩大類(lèi)。碼盤(pán)式編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式3種，后兩種為非接觸式編碼。第二十八頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/302910.2.1接觸式碼盤(pán)編碼器接觸式碼盤(pán)編碼器由碼盤(pán)和電刷組成，適用于角位移測(cè)量。碼盤(pán)利用制造印刷電路板的工藝，在銅箔板上制作某種碼制（如8421碼、循環(huán)碼等）圖形的盤(pán)式印刷電路板。電刷是一種活動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)，在外界力的作用下，旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)時(shí)，電刷與碼盤(pán)接觸處就產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出1．結(jié)構(gòu)與工作原理第二十九頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3030接觸式四位二進(jìn)制碼盤(pán)第三十頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30312．消除非單值誤差的辦法（1）采用循環(huán)碼（格雷碼）循環(huán)碼盤(pán)結(jié)構(gòu)，采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。（2）掃描法掃描法有V掃描、U掃描以及M掃描3種。第三十一頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/303210.2.2光電式編碼器接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機(jī)械的接觸電刷，其測(cè)量精度和分辨率能達(dá)到很高水平。第三十二頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3033光電編碼器示意圖1—光源2—透鏡3—碼盤(pán)

4—窄縫5—光電元件組第三十三頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/303410.2.3電磁式編碼器主要由磁鼓與磁阻探頭組成。多極磁鼓常用的有兩種：一種是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入適當(dāng)?shù)恼澈蟿?，注塑成型；另一種是在鋁鼓外面覆蓋一層黏結(jié)磁性材料而制成。多極磁鼓產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)由磁鼓的大小和磁層厚度決定，磁阻探頭由磁阻元件通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)而制成，磁阻元件電阻值僅和電流方向成直角的磁場(chǎng)有關(guān)，而與電流平行的磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。第三十四頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3035電磁編碼器的基本結(jié)構(gòu)1—磁鼓2—?dú)庀?—磁敏傳感部件4—磁敏電阻電磁式編碼器由于精度高，壽命長(zhǎng)，工作可靠，對(duì)環(huán)境條件要求較低，但成本較高。第三十五頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/303610.2.4脈沖盤(pán)式數(shù)字傳感器脈沖盤(pán)式編碼器又稱(chēng)為增量編碼器。增量編碼器一般只有3個(gè)碼道，它不能直接產(chǎn)生編碼輸出，故它不具有絕對(duì)碼盤(pán)碼的含義，這是脈沖盤(pán)式編碼器與絕對(duì)編碼器的不同之處。第三十六頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30371.增量編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理增量編碼器的圓盤(pán)上等角距地開(kāi)有兩道縫隙，內(nèi)外圈（A、B）的相鄰兩縫錯(cuò)開(kāi)半條縫寬，另外在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外）開(kāi)有一狹縫，表示碼盤(pán)的零位。在它們相對(duì)的兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件增量編碼器的精度和分辨率與絕對(duì)編碼器一樣，主要取決于碼盤(pán)本身的精度。第三十七頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3038脈沖盤(pán)式編碼器示意圖第三十八頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30392.旋轉(zhuǎn)方向的判別碼盤(pán)無(wú)論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器每次反映的都是相對(duì)于上次角度的增量，故這種測(cè)量稱(chēng)為增量法。第三十九頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3040辨向原理第四十頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/304110.3感應(yīng)同步器按其用途可分為兩大類(lèi)：（1）測(cè)量直線(xiàn)位移的線(xiàn)位移感應(yīng)同步器；（2）測(cè)量角位移的圓盤(pán)感應(yīng)同步器。直線(xiàn)式感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床及其他機(jī)床的定位、數(shù)控和數(shù)顯。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于精密機(jī)床或測(cè)量?jī)x器的分度裝置等，也用于雷達(dá)天線(xiàn)定位跟蹤。第四十一頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3042感應(yīng)同步器類(lèi)型和特性類(lèi)型特性直線(xiàn)式同步器標(biāo)準(zhǔn)型精度高、可擴(kuò)展，用途最廣窄型精度較高，用于安裝位置不寬敞的地方，可擴(kuò)展帶型精度較低，定尺長(zhǎng)度達(dá)3m以上，對(duì)安裝面要求精度不高旋轉(zhuǎn)式同步器精度高，極數(shù)多，易于誤差補(bǔ)償，精度與極數(shù)成正比第四十二頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/304310.3.1直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平面矩形線(xiàn)圈組成，它們相當(dāng)于變壓器的初、次級(jí)繞組，通過(guò)這兩個(gè)繞組間的互感值隨位置變化來(lái)檢測(cè)位移量。第四十三頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30441.載流線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)矩形載流線(xiàn)圈中通過(guò)直流電流I時(shí)的磁場(chǎng)分布示意圖第四十四頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3045探測(cè)線(xiàn)圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)第四十五頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30462.直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)由定尺和滑尺兩部分組成，定尺和滑尺可利用印刷電路板的生產(chǎn)工藝，用覆銅板制成?；呱嫌袃蓚€(gè)繞組，一個(gè)是正弦繞組1—1，另一個(gè)是余弦繞組2—2，彼此相距π/2或3π/4。當(dāng)定尺柵距為W2時(shí)，滑尺上的兩個(gè)繞組間的距離L1應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：L1=（n/2+1/4）W2。n=0時(shí)相差π/2，n=1時(shí)相差3π/4，n=2時(shí)相差5π/4。第四十六頁(yè)，共63頁(yè)。感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu)第四十七頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30483.直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的工作原理滑尺上的正弦繞組和余弦繞組相對(duì)于定尺繞組在空間錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，工作時(shí)，當(dāng)在滑尺兩個(gè)繞組中的任一繞組加上激勵(lì)電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中會(huì)感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量，可以精確地測(cè)量出位移量。第四十八頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3049感應(yīng)同步器工作原理圖第四十九頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/30504.直線(xiàn)感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的檢測(cè)由感應(yīng)同步器組成的檢測(cè)系統(tǒng)，可以采取不同的勵(lì)磁方式，對(duì)輸出信號(hào)采用不同的處理方法。從勵(lì)磁方式來(lái)說(shuō)，可分類(lèi)兩大類(lèi)：一類(lèi)是以滑尺（或定子）為勵(lì)磁，由定尺（或轉(zhuǎn)子）取出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)；另一類(lèi)以定尺為勵(lì)磁，由滑尺取出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。目前使用最多的是第1類(lèi)勵(lì)磁方式。對(duì)輸出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)可采取不同的處理方法來(lái)達(dá)到測(cè)量目的，一般分為鑒幅型和鑒相型兩種檢測(cè)系統(tǒng)。第五十頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3051（1）鑒相型—根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位來(lái)鑒別位移量相對(duì)位移量x與相位角θ呈線(xiàn)性關(guān)系，只要能測(cè)出相位角θ，就可求得位移量x。第五十一頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3052（2）鑒幅型—根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)鑒別位移量滑尺上正弦、余弦繞組供以同頻、同相，但幅值不等的交流勵(lì)磁電壓，則可根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)鑒別位移量，稱(chēng)為鑒幅型。第五十二頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/305310.3.2旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器（圓感應(yīng)同步器）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，它們呈圓片形狀，用直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的制造工藝制作兩繞組。定子、轉(zhuǎn)子分別相當(dāng)于直線(xiàn)式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺。第五十三頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3054旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的直徑一般有50mm、76mm、178mm和302mm等幾種。徑向?qū)w數(shù)（極數(shù)）有360、720和1

080幾種。轉(zhuǎn)子是繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，通常采用導(dǎo)電環(huán)直接耦合輸出，或者通過(guò)耦合變壓器，將轉(zhuǎn)子初級(jí)感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)氣隙耦合到定于次級(jí)上輸出。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器在極數(shù)相同情況下，同步器的直徑越大，其精度越高。第五十四頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/3055

定子、轉(zhuǎn)子繞組1—有效導(dǎo)體2—內(nèi)端面3—外端面第五十五頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/305610.3.3感應(yīng)同步器位移測(cè)量系統(tǒng)鑒相測(cè)量方式數(shù)字位移測(cè)量裝置方框圖第五十六頁(yè)，共63頁(yè)。2023/4/305710.4頻率式數(shù)字傳感器頻率式傳感器是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為頻率量，即轉(zhuǎn)換為一系列頻率與被測(cè)量有關(guān)的脈沖，然后在給定的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)電子電路累計(jì)這些脈沖數(shù)，從