第七章位移-數(shù)字傳感器電氣信息工程系

概述一、位移-數(shù)字傳感器的特點(diǎn)：大量程，高精度，高分辨率，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，易于與計(jì)算機(jī)接口。二、分類(lèi)

角度數(shù)字編碼器光柵傳感器感應(yīng)同步器第一節(jié)

角度－數(shù)字編碼器一、分類(lèi)

脈沖盤(pán)式編碼器（增量編碼器）接觸式編碼器編碼器碼盤(pán)式編碼器電磁式編碼器（絕對(duì)編碼器）光電編碼器二、碼盤(pán)式編碼器（絕對(duì)編碼器）1、接觸式碼盤(pán)1）四位二進(jìn)制碼盤(pán)電刷α=3600/2n循環(huán)碼盤(pán)n決定了碼盤(pán)的精度，受電刷數(shù)量的限制特點(diǎn)：簡(jiǎn)單對(duì)碼盤(pán)的制作與電刷的安裝要求嚴(yán)2）循環(huán)碼盤(pán)相鄰的兩個(gè)數(shù)碼間只有一個(gè)是變化的?？山档蛯?duì)對(duì)碼盤(pán)的制作與電刷的安裝要求。碼制轉(zhuǎn)換四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對(duì)照表2、光電式編碼器（非接觸式）結(jié)構(gòu)：采用照相腐蝕工藝，刻出透光、不透光的碼形。裝有與碼道相同個(gè)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換元件替代電刷。特點(diǎn)：非接觸式，分辨率高，精度高（10-8），n可達(dá)16，體積小，易于集成，允許高速旋轉(zhuǎn)。但復(fù)雜，光源壽命較短。

磁編碼器的基本結(jié)構(gòu)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。三、脈沖盤(pán)式編碼器（增量編碼器）

1、結(jié)構(gòu)與工作原理光電轉(zhuǎn)換器光柵盤(pán)縫隙(1度1個(gè))光電管三、脈沖盤(pán)式編碼器（增量編碼器）實(shí)際碼盤(pán)零位外圈內(nèi)圈零位脈沖A相脈沖B相脈沖光電轉(zhuǎn)換

辯向電路：

2、輸出例：國(guó)產(chǎn)SZGH-01600P/rA、B相脈沖，相差90度

1P/rC脈沖，作零位標(biāo)記30KHZ

最高可達(dá)25000P/r3、精度取決于碼盤(pán)本身的精度分辨率取決于每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)4、利用C相脈沖，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次，因而無(wú)論正、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，故稱(chēng)為增量法。第二節(jié)

柵式數(shù)字傳感器一、分類(lèi)1、光柵：物理光柵：利用光的衍射原理，主要用于光譜分析，波長(zhǎng)等的測(cè)定。計(jì)量光柵：利用莫爾（Moire）現(xiàn)象，主要用于測(cè)量長(zhǎng)度、角度、v、a

、震動(dòng)等。2、磁柵：一種磁電轉(zhuǎn)換器，工作原理類(lèi)似錄音帶。本節(jié)主要介紹計(jì)量光柵二、計(jì)量光柵1、分類(lèi)

透射光柵長(zhǎng)光柵幅值光柵（黑白光柵）反射光柵圓光柵相位光柵（閃耀光柵）新型：激光全息光柵，偏振光柵此處主要講透射光柵2、工作原理光柵：柵尺，尺面刻有排列規(guī)則、形狀規(guī)則、平行的刻線，透明（白）、不透明（黑）。

a=b

光柵距：

d=a+ba

bdw莫爾條紋兩個(gè)亮條紋之間的寬度既為其間距。莫爾條紋：兩塊柵尺面對(duì)面相迭合，并使兩塊柵線形成很小的夾角θ，由此出現(xiàn)的明暗相間的條紋。ww1）柵尺：標(biāo)尺光柵：主光柵，長(zhǎng)度由測(cè)量范圍定，不移動(dòng)指示光柵：移動(dòng)，需有足夠長(zhǎng)以獲得足夠的莫爾條紋區(qū)。2）莫爾條紋：

w=d/θ

當(dāng)θ很小時(shí)w對(duì)d有幾百倍的放大作用例：令d=0.02mm,θ=0.00174532rad

則w=d/θ=11.4592mmK=w/d=573

柵尺移動(dòng)一個(gè)d，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)w；柵尺移動(dòng)的方向與莫爾條紋移動(dòng)的方向相對(duì)應(yīng)誤差平均效應(yīng)：柵線標(biāo)準(zhǔn)均方差σ莫爾條紋均方差：σ=√n3）光能分布：理想：三角波實(shí)際：正弦波四、光柵測(cè)量系統(tǒng)組成：光柵光學(xué)系統(tǒng)電子系統(tǒng)（細(xì)分、辯向、顯示）機(jī)械部分1、光柵光學(xué)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)光柵系統(tǒng)）1）組成與功能a照明系統(tǒng)；b光柵副：標(biāo)尺光柵與指示光柵，在平行光照射下形成莫爾條紋。測(cè)量裝置的精度主要由標(biāo)尺光柵決定。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖c光電接收系統(tǒng)：光電接收元件，把由光柵副形成的莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電量輸出。

光電元件輸出信號(hào)的周期數(shù)與移過(guò)的柵距數(shù)相等。光柵讀數(shù)頭：照明系統(tǒng)，指示光柵，光電接收系統(tǒng)（除標(biāo)尺光柵外）組合在一起。在它與標(biāo)尺光柵作相對(duì)位移的過(guò)程中，根據(jù)標(biāo)尺光柵讀出移動(dòng)部件的位移量。辯向：2、電子系統(tǒng)1）電子細(xì)分目的：提高分辨率措施：倍頻、插補(bǔ)，在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)插入許多計(jì)數(shù)脈沖，以提高信號(hào)的重復(fù)頻率和分辨率。分類(lèi)：直接細(xì)分、矢量細(xì)分、電橋細(xì)分等向

a四倍頻直接細(xì)分電路：在一個(gè)w內(nèi)依次放四個(gè)光電接收元件，相差

90度，移動(dòng)一個(gè)d，可獲得四相信號(hào)。整形、辯向。

10

倍頻矢量圖b矢量細(xì)分(P201)2、光柵測(cè)量的特點(diǎn)高精度：0.2-0.4μm/m，僅次于激光高分辨率：0.1μm

大量程：可大于1米抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。3、應(yīng)用范圍長(zhǎng)度與角度的精密測(cè)量（如數(shù)控機(jī)床，測(cè)量機(jī)等），以及能變?yōu)槲灰频奈锢砹浚ㄈ缯饎?dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變