自动检测技术讲义第10章位移数字传感器.ppt

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1、第十章 位移-数字传感器第一节第一节 光栅传感器光栅传感器 数字式传感器可以把输入量转换成数字量输出，直数字式传感器可以把输入量转换成数字量输出，直接送入计算机进行数据处理。数字式传感器是检测技术、接送入计算机进行数据处理。数字式传感器是检测技术、微电子技术和计算机技术的综合产物，是传感器技术发微电子技术和计算机技术的综合产物，是传感器技术发展的一个重要方向。展的一个重要方向。进行位移测量的数字式传感器主要有光栅、磁栅、进行位移测量的数字式传感器主要有光栅、磁栅、容栅、感应同步器和旋转编码器等。本章将对这几种位容栅、感应同步器和旋转编码器等。本章将对这几种位移移数字传感器作以介绍。数字传感器作

2、以介绍。光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。我们光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。我们这里所讲的光栅传感器是根据莫尔条文原理制成的一种这里所讲的光栅传感器是根据莫尔条文原理制成的一种计量光栅，计量光栅指的是测量长度的光栅，多用于直计量光栅，计量光栅指的是测量长度的光栅，多用于直线位移和角位移的测量。线位移和角位移的测量。光栅传感器由光源、透镜、光栅副、光电元件四大部分组成，如图光栅传感器由光源、透镜、光栅副、光电元件四大部分组成，如图10-1所示。所示。按光栅形状按光栅形状长光栅长光栅圆光栅圆光栅按光线走向按光线走向透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅光源光源透镜透镜主主光光栅栅指指示示

3、光光栅栅光电光电元件元件光栅副光栅副光光学学玻玻璃璃工工业业白白玻玻璃璃一、光栅传感器的结构一、光栅传感器的结构 栅距栅距栅线宽度栅线宽度栅线缝隙宽度栅线缝隙宽度长光栅长光栅圆光栅圆光栅图图10-2 长光栅与圆光栅示意图长光栅与圆光栅示意图圆光栅上的刻线：圆光栅上的刻线：径向刻线径向刻线切向刻线切向刻线 图图10-3 圆光栅结构示意圆光栅结构示意图图二、莫尔条纹形成原理二、莫尔条纹形成原理（长光栅）（长光栅）1 主光栅 2 指示光栅 将主光栅将主光栅和指示光栅刻和指示光栅刻线面相对叠合，线面相对叠合，中间留很小间中间留很小间隙，栅线保持隙，栅线保持很小夹角很小夹角，则在则在a方向上方向上会透射

4、出明暗会透射出明暗相间的莫尔条相间的莫尔条纹。纹。栅距 一般选择主光栅和指示光栅的光栅常数（栅距）一般选择主光栅和指示光栅的光栅常数（栅距）相等，则有：相等，则有：莫尔条纹斜率莫尔条纹斜率：莫尔条纹间距莫尔条纹间距：结论：条纹间距结论：条纹间距B B是栅距是栅距W W的倍数，可以通过检测较的倍数，可以通过检测较宽宽B B条纹来检测微小的栅距变化。条纹来检测微小的栅距变化。莫尔条纹的重要特性：莫尔条纹的重要特性：（1 1）大量栅线具有平均效应）大量栅线具有平均效应 （2 2）放大作用）放大作用 放大倍数放大倍数理想光强曲线理想光强曲线实际光强曲线实际光强曲线图图10-5 莫尔条纹与输出光强信号的

5、关系莫尔条纹与输出光强信号的关系（3）x向位移与光强的对应关系向位移与光强的对应关系 当莫尔条纹的亮带出现的时候，相应的光电元件接收到一个幅值比较大的信号，暗带出现时，接收到幅值较小的信号，信号的频率取决于光栅常数W，如图10-5所示。这样就将光栅的位移信号变换成了电信号。每当光栅移动一个栅距（W），莫尔条纹明暗变化一次，光电元件感受到的光强按正弦规律变化一个周期（），它输出的电信号也就发生相应地变化。在去除光电元件输出信号中的直流分量后，我们可以得到光电元件输出电压和光栅位移之间的关系式：输出信号经整形放大和微分电路变为脉冲信号，送入计数器进行计数，计数值反映位移的大小。三、辨向电路三、辨向

6、电路 在实际应用中，由于位移具有方向性，即位移有正负之分，如果采用一个光电元件则无法确定光栅的移动方向。为此，必须设置辨向电路。为了实现这种功能，我们可以在相距B/4的莫尔条纹位置上设置两个光电元件。辨向电路原理方框图如图10-7所示。图10-8 向右移动的波形 图10-9 向左移动的波形图10-8 向右移动的波形 图10-9 向左移动的波形光电元件接收到的信号和信号波形如图 v 为了增加光栅传感器的分辨率和测得比栅距更小的位移量，以提高测量精度，若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，则其分辨率为光栅栅距。一般可以通过增加光栅刻增加光栅刻线密度（机械的方法）线密度（机械的方法）和对测量信号进行细分

7、（电气的方测量信号进行细分（电气的方法）法）的这两种方法来提高测量精度。v 第一种方法制造工艺比较麻烦，成本较高而且会给安装和调试带来困难，因此一般不采用这种方法，而采用对测量信号细分方法获得所需的分辨率。下面介绍几种常用的电气细分法。四、细分电路四、细分电路（一）直接细分（一）直接细分在一个莫尔条纹的在一个莫尔条纹的间隔间隔B内，放置若内，放置若干个光电元件来接干个光电元件来接收同一个莫尔条纹收同一个莫尔条纹信号，从而得到多信号，从而得到多个不同相位的信号。个不同相位的信号。如图获得这四个依如图获得这四个依次相差的信号后，次相差的信号后，经微分电路和辨向经微分电路和辨向电路送可逆计数器电路送

8、可逆计数器进行计数，这样就进行计数，这样就将光栅的位移量转将光栅的位移量转换成了数字量。换成了数字量。根据电脉冲数量识别光栅位置（或速度）的变化。根据电脉冲数量识别光栅位置（或速度）的变化。正向移动时加法计数，反向移动时减法计数。正向移动时加法计数，反向移动时减法计数。（二）电桥细分（二）电桥细分光电信号光电信号1 1光电信号光电信号2 2输出电压输出电压桥臂电阻桥臂电阻1 1桥臂电阻桥臂电阻2 2电桥平衡条件：电桥平衡条件：输出表达式：输出表达式：恰当配合的恰当配合的 参数，可以获得合理细分的输出电压。参数，可以获得合理细分的输出电压。令 选取，则可得v采用多个类似电桥，选取不同R1/R2值

9、，就可以得到一系列初始相位 各不相同的正弦信号，从而达到任意细分的目的。这里令，则当输出信号的相位刚好等于时，负载上得到的电压信号为。即输出波形在相位角处过零。这样就利用电桥细分的方法得到一个新的输出信号：第二节第二节 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅传感器主要由磁栅、磁头和测量电路三部分组磁栅传感器主要由磁栅、磁头和测量电路三部分组成的一种利用磁栅与磁头之间的磁作用以计算磁波数目成的一种利用磁栅与磁头之间的磁作用以计算磁波数目来进行测量的位移传感器。在大型机床的数控、精密机来进行测量的位移传感器。在大型机床的数控、精密机床的自动控制等方面了得到广泛的应用。床的自动控制等方面了得到广泛的应用。一、磁

10、栅结构与工作原理一、磁栅结构与工作原理磁栅结构磁栅结构磁性基体节距节距d磁栅录磁示意图磁栅录磁示意图磁性材料长磁栅（见下图）长磁栅（见下图）圆磁栅圆磁栅磁栅的类型磁栅的类型尺形磁栅尺形磁栅带形磁栅带形磁栅同轴形磁栅同轴形磁栅N 测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因为它直接影响位移测量精度。为此需要在高精度录磁为它直接影响位移测量精度。为此需要在高精度录磁设备上对磁尺进行录磁。设备上对磁尺进行录磁。当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处

11、在静止状态时，也应能够进行位置测量。或处在静止状态时，也应能够进行位置测量。二、磁头二、磁头 磁头的主要作用是把磁栅上的磁信号检测出来并磁头的主要作用是把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。它是把反映空间位置变化的磁化信号转换成电信号。它是把反映空间位置变化的磁化信号检测出来并转换成电信号输送给检测装置中的关键元检测出来并转换成电信号输送给检测装置中的关键元件。磁头分静态磁头和动态磁头两种。件。磁头分静态磁头和动态磁头两种。1.1.静态磁头静态磁头-磁通响应式磁头磁通响应式磁头静态磁头读取信号的原理 输出电动势为一调幅波输出电动势为一调幅波 2.2.动态磁头动态磁头-速度响应式磁头速度响应式

12、磁头若输出信号的周期数为n，则可以测量出位移量三、三、测量电路测量电路 动态磁头动态磁头一般只装一个，绕组中输出正弦波，一般只装一个，绕组中输出正弦波，输输出信号为正弦波，只要将输出信号放大整形，然后由出信号为正弦波，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录输出信号的周期个数，就可以测量出位移计数器记录输出信号的周期个数，就可以测量出位移量的多少。量的多少。缺点：不能辨别运动方向，测量精度低。缺点：不能辨别运动方向，测量精度低。静态磁头静态磁头一般装两个互差一般装两个互差90度的磁头，度的磁头，两磁头相两磁头相距，其中距，其中m为任意正整数，为任意正整数，d为磁栅节距，为磁栅节距，能辨别运能辨

13、别运动方向，测量精度高，其信号处理方式相对比较复杂。动方向，测量精度高，其信号处理方式相对比较复杂。主要分主要分幅值测量和相位测量两种方法幅值测量和相位测量两种方法。去掉高频载波后去掉高频载波后2 2倍与励磁角频率倍与励磁角频率 1.1.幅值测量幅值测量 在幅值测量电路中，相邻两个磁头的输出电压可用以下两式表示：将上面的两路互差将上面的两路互差90度的输出信号分别进行去除高次谐度的输出信号分别进行去除高次谐波处理后波处理后,再进行细分和辩向处理、计数输出。再进行细分和辩向处理、计数输出。2.2.相位测量相位测量将以上两个输出信号叠加，则可获得总输出信号为将以上两个输出信号叠加，则可获得总输出信

14、号为：结论：结论：在磁矩在磁矩d一定的情况下，输出电压的相位由位移一定的情况下，输出电压的相位由位移量量x决定，即只要测量出输出电压相位的大小，就可以测量决定，即只要测量出输出电压相位的大小，就可以测量出位移量的大小。出位移量的大小。相位测量是将其中一个磁头的励磁电流移相45度或输出信号90度后，其输出信号为四、磁栅数显示表及其应用四、磁栅数显示表及其应用 v 容栅传感器是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的一种传感器。第三节第三节 容栅传感器容栅传感器 一、容栅的结构形式与工作原理 容栅按其结构形式可分为长容栅和圆容栅两大类。长容栅主要用于直线位移测量，圆容栅主要用于角位移测量

15、。长容栅的结构原理如图10-19所示。反射式容栅v 长容栅由定栅尺和动栅尺组成，国内一般用敷铜板制造。v 圆容栅主要由以透射板作主栅、以分别置于主栅两面的、保持最佳恒定距离的发射极板和接收极板作分体式副栅构成。v 对于长容栅，当动栅尺沿方向平行于定栅尺移动时，每对容栅的覆盖面积将发生周期性变化，电容量也随之发生周期性变化，如图10-20所示 定栅尺反射电极的极距 dv常用的电极的结构形式有反射式、透射式和倾斜式。二、容栅传感器电极的结构形式透射式容栅传感器结构示意图 三、测量电路v 容栅式电容传感器测量电路主要有调幅式和调相式测量电路两种形式。v 1.调幅式测量原理调幅式测量原理电极相对位置图

16、v当静电极片P相对于两组动栅片A和B有位移时，差动电容器CA、CB不等，电容静极板P上的电荷量发生变化，有 从而导致Um由原来的0发生改变，这时可以通过电子开关改变差动电容器CA、CB的输入电压，使得QP的值减小，直至为零。这时有:上两式中C0为初始电容量，l0为发射电极的极距，则2.调相式测量原理调相式测量原理v调相式测量原理如图10-23所示。v 当两个极板相对移动x(x l0/2)而处于位置b时，反射极片E上感应的电荷为，由于传感器的接收电极耦合发射电极的电荷，其输出电压由于传感器的接收电极耦合发射电极的电荷，其输出电压与接收电极的电荷成正比，可见，传感器与接收电极的电荷成正比，可见，传

17、感器输出一个与激励电输出一个与激励电压同频的正弦波电压压同频的正弦波电压，其幅值近似为常数，其幅值近似为常数K，而其相位则与被，而其相位则与被测位移测位移x近似成线性关系。只要测量出输出电压的近似成线性关系。只要测量出输出电压的相位相位就可以就可以测量出测量出被测位移被测位移x。第四节第四节 旋转编码器旋转编码器 v 编码器按照被测物理量的形式，可以分为角位移和直线编码器按照被测物理量的形式，可以分为角位移和直线位移编码器位移编码器。目前，脉冲编码器每转可发出数百至数万个方。目前，脉冲编码器每转可发出数百至数万个方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。数控系统通过波信号，因此可满足高精度位置

18、检测的需要。数控系统通过对该信号的接收、处理、计数即可得到电动机的旋转角度，对该信号的接收、处理、计数即可得到电动机的旋转角度，从而算出当前工作台的位置。我们这里主要讲述常用的旋转从而算出当前工作台的位置。我们这里主要讲述常用的旋转编码器（编码器（角位移角位移）。）。1、旋转编码器的分类、旋转编码器的分类按照信号的读出方式编码器可分为按照信号的读出方式编码器可分为接触式接触式和和非接触式非接触式两种。两种。按照工作原理编码器可以分为按照工作原理编码器可以分为绝对式绝对式和和增量式增量式两种。两种。二、绝对式编码器二、绝对式编码器 v 绝对式编码器有许多编码方式，我们这里只介绍自然绝对式编码器有

19、许多编码方式，我们这里只介绍自然二进制二进制编码和编码和循环循环二进制码二进制码(格雷码格雷码)。v 1.自然二进制编码器自然二进制编码器接触式四位二进制码盘接触式四位二进制码盘 导电区 绝缘区 能分辨的最小角度为能分辨的最小角度为n位二进制码盘位二进制码盘,该图该图n为为4。当码盘随转轴转动时，电刷上将出现相应的电位，对应当码盘随转轴转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定数码，相应的表示十进制数的一定数码，相应的表示十进制数的015。然后将这些信号送。然后将这些信号送往信号处理显示电路，即可显示码盘转过的角度。往信号处理显示电路，即可显示码盘转过的角度。电刷位置十进制自然二进制码循环二进制

20、码DA3A2A1A0B3B2B1B0a000000000b100010001c200100011d300110010e401000110f501010111g601100101h701110100i810001100j910011101k1010101111j1110111110m1211001010n1311011011o1411101001p15111110002.循环二进制编码器循环二进制编码器v 循环码的特点是相邻的两组数码只有一位发生变化。循环码的特点是相邻的两组数码只有一位发生变化。因此即使安装和制作有误差，产生的误差最多也只是最低因此即使安装和制作有误差，产生的误差最多也只是最低

21、位的一位。循环码的码盘结构示意图如图所示位的一位。循环码的码盘结构示意图如图所示 循环码码盘结构示意图循环码码盘结构示意图 三、增量式编码器三、增量式编码器 增量式码盘由圆盘、光源、光敏元件和计数器等组成，增量式码盘由圆盘、光源、光敏元件和计数器等组成，如图所示。如图所示。计计数数值值就反映了就反映了码盘转过码盘转过的角位移的角位移m为圆盘为圆盘上的上的缝缝隙数，隙数，n为计为计数器数器获获得的脉冲数得的脉冲数 四、旋转编码器的应用四、旋转编码器的应用v增量式光电码盘测角度的原理图增量式光电码盘测角度的原理图 输出波形图输出波形图 第五节第五节 感应同步器感应同步器 感应同步器是一种根据电磁感

22、应原理，利用两个平面感应同步器是一种根据电磁感应原理，利用两个平面型电路绕组，其互感随位置而变化的原理工作的位移传感型电路绕组，其互感随位置而变化的原理工作的位移传感器。按用途可分为测量器。按用途可分为测量线位移线位移的的直线型直线型感应同步器和测量感应同步器和测量角位移角位移的的圆盘型圆盘型感应同步器感应同步器。主要优点：结构简单、制造方便、对工作环境要求不主要优点：结构简单、制造方便、对工作环境要求不高，在大中型机床上得到广泛应用。高，在大中型机床上得到广泛应用。一、结构一、结构 直线型感应同步器按其使用的精度、测量尺寸的范围和直线型感应同步器按其使用的精度、测量尺寸的范围和安装的条件不同

23、，又可以设计制造成以下几种不同形状的安装的条件不同，又可以设计制造成以下几种不同形状的感应同步器。感应同步器。1.标准型标准型直线形感应同步器直线形感应同步器定尺定尺滑尺滑尺滑尺上滑尺上的绕组的绕组 *感应输出信号互差感应输出信号互差90度度!3.带型带型 原理同标准型原理同标准型。带型感应同步器定尺不需要拼接，便带型感应同步器定尺不需要拼接，便于安装，特别是对于设备安装面不易加工的场合，但由于于安装，特别是对于设备安装面不易加工的场合，但由于定尺的刚性差，测量精度要比标准型低，定尺的刚性差，测量精度要比标准型低，2.窄型窄型 原理同标准型原理同标准型。其不同点是宽度窄一点，其电磁感应强其不同

24、点是宽度窄一点，其电磁感应强度较标准型小，因此测量精度较低。一般用于设备安装位置度较标准型小，因此测量精度较低。一般用于设备安装位置受到限制的场合。受到限制的场合。圆盘形感应同步器圆盘形感应同步器定子定子转子转子输出感应脉冲输出感应脉冲绕组绕组绕组绕组 二、工作原理二、工作原理 感应电动势最大感应电动势最大感应电动势为感应电动势为0感应电动势负向最大感应电动势负向最大感应电动势为感应电动势为0定定尺尺上上滑滑尺尺的的正正弦弦绕绕组组感感应应电电势势 感应电动势随感应电动势随滑尺的移动滑尺的移动x x周周期性变化。期性变化。滑尺有滑尺有2套绕组套绕组c 余弦绕组余弦绕组 根据电磁感根据电磁感应定

25、律，当滑尺绕应定律，当滑尺绕组（励磁绕组）加组（励磁绕组）加正弦电压时，将产正弦电压时，将产生同频率的交变磁生同频率的交变磁通，这个交变磁通通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，与定尺绕组耦合，在定尺绕组上产生在定尺绕组上产生同频率的交变电动同频率的交变电动势。势。S-正弦绕组正弦绕组 如果在滑尺上安装两个在空间上互差如果在滑尺上安装两个在空间上互差9090度（度（1/41/4节距）节距）的激磁绕组，的激磁绕组，分别通入同幅的差分别通入同幅的差9090度的交流电度的交流电，有：，有：正弦绕组正弦绕组激磁电压激磁电压 余弦绕组余弦绕组激磁电压激磁电压正弦和余弦绕组磁场都会在定尺绕组引起感应电动势。正弦

26、和余弦绕组磁场都会在定尺绕组引起感应电动势。余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：三、信号处理三、信号处理正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：1 1、调相方式、调相方式 定尺绕组上的总输出感应电动势为：定尺绕组上的总输出感应电动势为：结论：只要测量出感应电动势结论：只要测量出感应电动势e e的相位，即可换算出位移的相位，即可换算出位移x x！2 2、调幅方式、调幅方式 如果在滑尺上安装两个在空间上互差如果在滑尺上安装两个在空间上互差9090度（度（1/41/4节距）节距）的激磁绕组，分别的激磁绕组，分别通入不同幅度、相位一致的正弦交

27、流电通入不同幅度、相位一致的正弦交流电，有：有：正弦绕组激磁电压正弦绕组激磁电压 余弦绕组激磁电压余弦绕组激磁电压正弦和余弦绕组都会在定尺绕组引起感应电动势。正弦和余弦绕组都会在定尺绕组引起感应电动势。余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：根据叠加原理，定尺绕组上的总输出感应电动势为：根据叠加原理，定尺绕组上的总输出感应电动势为：结论：只要测量出感应电动势结论：只要测量出感应电动势e e的幅值，即可通过上式的幅值，即可通过上式换算出希望的位移换算出希望的位移x x！四、感应同步器应用四、感应同步器应用图图10-34某调幅型数显表系统框图某调幅型数显表系统框图 感应同步器的应用比较广泛，一般与数字位移显示装置配合，能进行各种位移的精密测量及显示。