1、2022-3-231第九章 數(shù)字式傳感器 2引言 數(shù)字式傳感器可以直接給出抗干擾能力強的數(shù)字脈沖或編碼信號，主要類型有：光電編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器和感應同步器等。它們都有線位移測量和角位移測量兩種構造形式。39.1編碼器 將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。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量。 編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類。 碼盤式編碼器按其結(jié)構可分為接觸式、光電式和電磁式3種，后兩種為非接觸式編碼。 410.2.1 接觸式碼盤編碼器 接觸式碼盤編碼器由碼盤和電刷組成，適用于角位移測量。碼盤利用

2、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）圖形的盤式印刷電路板。電刷是一種活動觸頭結(jié)構，在外界力的作用下，旋轉(zhuǎn)碼盤時，電刷與碼盤接觸處就產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出 1結(jié)構與工作原理結(jié)構與工作原理5接觸式四位二進制碼盤 610.2.2 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械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。7光電編碼器示意圖 1光源光源 2透鏡透鏡 3碼盤碼盤4窄縫窄縫 5光電元件組光電元件組89.2 光柵傳感器 光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構成的光電器

3、件。 按其原理和用途，分為物理光柵和計量光柵。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等量的測量。計量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測量位移、速度、加速度、振動等物現(xiàn)量。計量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，具體制作時又可制作成線位移的長光柵和角位移的圓光柵。 光柵傳感器是把光柵作為測量元件，利用光柵的莫光柵傳感器是把光柵作為測量元件，利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象制成的傳感器。可以測量高精度機床、精密爾條紋現(xiàn)象制成的傳感器。可以測量高精度機床、精密儀器的長度、位置、速度、加速度、振動等物理量。儀器的長度、位置、速度、加速度、振動等物理量。光柵傳感器的光路組成：光柵傳感器的光路組成：按光柵形狀按光柵形

4、狀長光柵長光柵圓光柵圓光柵按光線走向按光線走向透射光柵透射光柵反射光柵反射光柵光源光源透鏡透鏡主主光光柵柵指指示示光光柵柵 光電光電接收元件接收元件光柵副光柵副光光學學玻玻璃璃工工業(yè)業(yè)白白玻玻璃璃透射長光柵（透射長光柵（測量長度或位置）測量長度或位置）透射透射圓光柵圓光柵（直接測（直接測量角度，量角度，間接測量間接測量長度）長度） 柵距柵距縫隙寬度縫隙寬度柵線寬度柵線寬度圓光柵上的刻線：圓光柵上的刻線：徑向刻線徑向刻線切向刻線切向刻線反射光柵表面上的線紋：反射光柵表面上的線紋：13 光柵的工作原理 計量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。它們是在一塊長條形光學玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相

5、等的刻線。主光柵的刻線一般比指示光柵長。 若將兩塊光柵（主光柵、指示光柵）疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個很小的角度，由于遮光效應，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋。1長光柵的莫爾條紋長光柵的莫爾條紋14莫爾條紋莫爾條紋演示演示15光柵與莫爾條紋示意圖 當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個每移

6、動一個W，莫爾條紋也移動一個間距，莫爾條紋也移動一個間距B。越小，則越小，則B越越大。大。162.橫向莫爾條紋的特點 （1）放大作用 光柵具有位移放大作用，提高了測量的靈敏度。 （2）平均效應 莫爾條紋由大量的光柵柵線共同形成，所以對光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身柵線的刻劃精度還要高。 （3）運動方向 17光柵位移與光強關系 4）對應關系 兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋的亮帶與暗帶將順序自上而下不斷掠過光敏元件。光敏元件接受到的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。18 （5）莫爾條紋移過的條紋數(shù)等于光柵移過的柵線數(shù)

7、 例如采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（即移過了100 x條光柵柵線），則從光電元件前掠過的莫爾條紋數(shù)也為100 x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別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可知道移動的實際位移。193.辨向原理 光柵是正向移動還是反向移動，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，此信號只能計數(shù)，不能辨向。為此，必須設置辨向電路。 辨向電路 214.細分技術 為了提高分辨力，可以采用增加刻線密度的方法來減少柵距，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分技術，可以在不增加刻線數(shù)的情況下提高光柵的分辨力，在光柵

8、每移動一個柵距，莫爾條紋變化一周時，不只輸出一個脈沖，而是輸出均勻分布的n個脈沖，從而使分辨力提高到W/n。由于細分后計數(shù)脈沖的頻率提高了，因此細分又叫做倍頻。 22細分的方法 直接細分，細分數(shù)為4，所以又稱四倍頻細分。 實現(xiàn)的方法有兩種 ：23四倍頻細分原理 24安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況 防護罩內(nèi)為直線光柵防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭光柵掃描頭被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角編碼器角編碼器安裝在夾安裝在夾具的端部具的端部9.39.3 磁柵傳感器磁柵傳感器 磁柵傳感器是由磁柵和磁頭構成的傳感器。具有制磁柵傳感器是由磁柵和磁頭構成的傳感器。具有制作工

9、藝簡單、使用方便、易于安裝調(diào)整、測量范圍廣的作工藝簡單、使用方便、易于安裝調(diào)整、測量范圍廣的優(yōu)點。用于大型機床檢測、機床自動控制。優(yōu)點。用于大型機床檢測、機床自動控制。一、磁柵一、磁柵磁柵結(jié)構磁柵結(jié)構非導磁材料非導磁材料磁性薄膜節(jié)距節(jié)距W磁柵錄磁示意圖磁柵錄磁示意圖磁頭磁頭 磁尺磁尺磁柵的類型磁柵的類型長磁柵（見下圖）長磁柵（見下圖）圓磁柵圓磁柵尺形磁柵尺形磁柵帶形磁柵帶形磁柵同軸形磁柵同軸形磁柵三、磁頭信號的處理方式三、磁頭信號的處理方式 靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭一般只裝一個，繞組中輸出正弦波，識一般只裝一個，繞組中輸出正弦波，識別頻率和相位比較容易，只要放大整形，對脈沖計數(shù)，別頻率和相位比較容易，

10、只要放大整形，對脈沖計數(shù)，就可以測量位移（速度）。就可以測量位移（速度）。 缺點：不能辨別運動方向，測量精度低。缺點：不能辨別運動方向，測量精度低。 動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭一般裝兩個互差一般裝兩個互差90度的磁頭，能辨別運度的磁頭，能辨別運動方向，測量精度高，其信號處理方式相對比較復雜。動方向，測量精度高，其信號處理方式相對比較復雜。主要分主要分鑒別幅度鑒別幅度和和鑒別頻率鑒別頻率兩種方式。兩種方式。 1. 1.鑒幅方式鑒幅方式 兩路互差兩路互差9090度的輸出信號分別進行去除高次諧波處度的輸出信號分別進行去除高次諧波處理后理后, ,再進行細分辯向、輸出計數(shù)。再進行細分辯向、輸出計數(shù)。tWxUums

11、in2sin1tWxUumsin2cos2xWUum2sin1xWUum2cos2去掉高頻載波后去掉高頻載波后2 2倍與勵磁角頻率倍與勵磁角頻率9090度度 2. 2.鑒相方式鑒相方式 兩路互差兩路互差9090度的輸出信號中，將第一個磁頭的輸出度的輸出信號中，將第一個磁頭的輸出移相移相9090度（勵磁正弦變余弦），第二個磁頭的輸出信號度（勵磁正弦變余弦），第二個磁頭的輸出信號不變，然后將兩個信號進行加法運算。不變，然后將兩個信號進行加法運算。tWxUumsin2sin1tWxUumsin2cos2移相移相90度度不變不變tWxUumcos2sin1tWxUumsin2cos2)2sin(tWx

12、Uum加法運算后總輸出：加法運算后總輸出： 結(jié)論：輸出正弦電壓與結(jié)論：輸出正弦電壓與x x有關，細分、輸出計數(shù)、有關，細分、輸出計數(shù)、鑒別相位可測知位移。鑒別相位可測知位移。9.4 9.4 感應同步器感應同步器 感應同步器是利用兩個平面繞組之間發(fā)生電磁感應感應同步器是利用兩個平面繞組之間發(fā)生電磁感應的原理構成的傳感器。感應同步器與數(shù)字顯示裝置（數(shù)的原理構成的傳感器。感應同步器與數(shù)字顯示裝置（數(shù)顯表）相配合，可以對機床或機械零件進行精密數(shù)字測顯表）相配合，可以對機床或機械零件進行精密數(shù)字測量。量。 主要優(yōu)點：結(jié)構簡單、制造方便、對工作環(huán)境要求主要優(yōu)點：結(jié)構簡單、制造方便、對工作環(huán)境要求不高，在大

13、中型機床上得到廣泛應用。不高，在大中型機床上得到廣泛應用。31感應同步器的類型與結(jié)構 按其用途可分為兩大類：（1）測量直線位移的線位移感應同步器；（2）測量角位移的圓盤感應同步器。直線式感應同步器廣泛應用于坐標鏜床、坐標銑床及其他機床的定位、數(shù)控和數(shù)顯。旋轉(zhuǎn)式感應同步器常用于精密機床或測量儀器的分度裝置等，也用于雷達天線定位跟蹤。 329.4.1 直線式感應同步器的結(jié)構和工作原理 感應同步器是應用電磁感應定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。它的基本結(jié)構由兩個平面矩形線圈組成，它們相當于變壓器的初、次級繞組，通過這兩個繞組間的互感值隨位置變化來檢測位移量。 33直線式感應同步器的基本結(jié)構 由定尺和滑

14、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€繞組，一個是正弦繞組11，另一個是余弦繞組22，彼此相距/2或3/4。當定尺柵距為W2時，滑尺上的兩個繞組間的距離L1應滿足如下關系：L1=（n/2+1/4）W2 。n=0時相差/2，n=1時相差3/4，n=2時相差5/4。 感應同步器的繞組結(jié)構 35直線式感應同步器的工作原理 滑尺上的正弦繞組和余弦繞組相對于定尺繞組在空間錯開1/4節(jié)距，工作時，當在滑尺兩個繞組中的任一繞組加上激勵電壓時，由于電磁感應，在定尺繞組中會感應出相同頻率的感應電壓，通過對感應電壓的測量，可以精確地測量出位移量。36感應同步器工作原理圖 3

15、74.直線感應同步器輸出信號的檢測 由感應同步器組成的檢測系統(tǒng)，可以采取不同的勵磁方式，對輸出信號采用不同的處理方法。從勵磁方式來說，可分類兩大類：一類是以滑尺（或定子）為勵磁，由定尺（或轉(zhuǎn)子）取出感應電勢信號；另一類以定尺為勵磁，由滑尺取出感應電勢信號。目前使用最多的是第1類勵磁方式。對輸出感應電勢信號可采取不同的處理方法來達到測量目的，一般分為鑒幅型和鑒相型兩種檢測系統(tǒng)。38（1）鑒相型根據(jù)感應電動勢的相位來鑒別位移量 相對位移量x與相位角呈線性關系，只要能測出相位角，就可求得位移量x。 39（2）鑒幅型根據(jù)感應電動勢的幅值來鑒別位移量 滑尺上正弦、余弦繞組供以同頻、同相，但幅值不等的交流勵磁電壓，則可根據(jù)感應電動勢的幅值來鑒別位移量，稱為鑒幅型。 40 9.4.2 旋轉(zhuǎn)式感應同步器（圓感應同步器） 旋轉(zhuǎn)式感應同步器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，它們呈圓片形狀，用直線式感應同步器的制造工藝制作兩繞組。 定子、轉(zhuǎn)子分別相當于直線式感應同步器的定尺和滑尺。 41 旋轉(zhuǎn)式感應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