1现代传感器技术基础与应用-4.

1第四章位移传感器4.1数字式位移传感器4.2编码器4.3光纤移传感器2第四章位移传感器位移是指物体相对参考点产生偏移，偏移量的大小就是位移。位移是一种基本物理量，由它派生出的物理量有长度、宽度、厚度、位置、磨损、应变及（振动）振幅等。因此只要测出位移量，由其派生出的物理量的测量问题就可以解决。位移分为线位移和角位移两类。34.1数字式位移传感器数字式传感器是把模拟输入量经敏感元件转换成数字量输出的传感器。数字量输出的传感器有较高的测量精度和分辨力，从数据处理和信号分析角度，数字量便于微机处理。位移传感器中的光栅、感应同步器和磁栅式传感器都是以“计数”方式工作的数字量传感器。4光栅传感器感应同步器数字式传感器的特点4.1数字式位移传感器5数字传感器的特点：具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。易于实现高速动态测量，处理和自动化。采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。4.1数字式位移传感器61.光栅位移传感器的结构光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。4.1.1光栅传感器7光栅上的刻线称为栅线,栅线的宽度为a,缝隙宽度为b,一般取a=b,而w=a+b称为栅距（也称为光栅常数或光栅节距,是光栅的重要参数,用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度,如100线／mm、250线／mm）。4.1.1光栅传感器wab放大(a)长光栅(b)圆光栅放大wabwab放大(a)长光栅(b)圆光栅放大wab4.1.1光栅传感器圆光栅还有一个参数叫栅距角γ或称节距角,它是指圆光栅上相邻两条栅线的夹角。92.莫尔条纹原理莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅（通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。4.1.1光栅传感器10wababaababaBw21莫尔条纹原理4.1.1光栅传感器将主光栅与指示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ，这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列棱形图案构成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙，光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。11光源透镜光栅副光电元件4.1.1光栅传感器124.1.1光栅传感器3.光栅传感器的工作原理1）位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系为令k为放大系数,则wwB2sin21wBkwababaababaBw21134.1.1光栅传感器一般θ很小，所以放大系数k很大。故尽管光栅栅距w很小，而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辨。在安装调节时，通过调整θ角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使光电接收元件能正确接收光信号。对于100线／mm的光栅，栅距为0.01mm，当夹角为0.06°时，莫尔条纹间距B可达10mm，放大了1000倍。144.1.1光栅传感器2）误差减小作用光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，对刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周期误差的影响。这是光栅传感器精度高的一个重要原因。153）莫尔条纹输出信号的质量评定理想情况下，光栅副相对位移产生莫尔条纹，经光电转换输出的电压信号应为三角波形。见图a。而实际上，由于光栅副间隙，光栅衍射效应，照明光源有一定宽度以及栅线质量问题，使输出的电压信号为近似的正弦波，如图b。4.1.1光栅传感器16光栅是高精度位移测量中常用的传感器之一,随着制造业的发展,人们对光栅传感器的精度要求也越来越高。传统的光栅传感器通常采用两片黑白光栅形成莫尔条纹,其光栅信号一般不是标准的正弦波,往往含有10%左右的高次谐波。由于光栅传感器通常需要借助于电子细分达到较高的精度和分辨力,而细分是建立在光栅信号是正弦波的基础上。4.正弦微窗光栅位移传感器17高次谐波破坏了信号的准确性，从而影响到传感器的细分精度，高次谐波对光栅传感器的影响已不容忽视。由莫尔条纹输出正弦信号质量评定可知，高次谐波的叠加，使输出电压信号近似为正弦波。高次谐波含量越小，正弦波形越好。采用正弦微窗光栅，输出电压信号不含高次谐波，只含基波——正弦波，保证了输出正弦波原始信号的质量。4.正弦微窗光栅位移传感器18所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多微小的窗口排列而成。4.正弦微窗光栅位移传感器19微窗单元为一长方形,中间有一透光孔,透光孔内光强透过率为一常数C,孔以外区域光强透过率为零或接近于零,透光孔的内边缘沿y方向的跨度Δy是一个变量，可表示为4.正弦微窗光栅位移传感器1sin22hyxW204.正弦微窗光栅位移传感器光源1位于聚光镜2的焦面上,光线经聚光镜2变为准直光,准直光依次通过彼此相邻的主光栅3和指示光栅4(主光栅3为一普通的黑白光栅,指示光栅4为一正弦微窗光栅,并具有与主光栅3相同的光栅常数W),主光栅3和指示光栅4的栅线相互平行或者稍微倾斜。照明光经过两光栅后为光电接收元件5所接收。理论上可以证明，由于正弦微窗光栅的作用,光电元件的输出信号将不含有高次谐波。211概述2感应同步器结构3感应同步器工作原理4感应同步器的信号处理方式主要内容4.1.2感应同步器221.概述感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：①测量直线位移的线位移感应同步器；②测量角位移的圆盘感应同步器。首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。231.概述分为直线感应同步器和圆感应同步器，它们都由两部分组成：定尺和滑尺或定子和转子。定尺和转子上是连续绕组，而在滑尺和定子上是分段绕组，分段绕组分为两组，布置成在空间相差90º相角，又称为正、余弦绕组。感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作，将绕组间相对位移量（线位移或角位移）转换成电信号输出。242.感应同步器结构由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距π/2或3π/4。当定尺节距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离l1应满足如下关系：l1=(n/2+1/4)W2。n=0，相差π/2，n=1，相差3π/4。滑尺绕组呈W形或U形。252.感应同步器结构sincos节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）4l绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺26感应同步器由一组平面绕组组成。长感应同步器的滑尺和圆感应同步器的定子是分段绕组，作为一次绕组，通以交变激励电压，形成一个相对空间位置固定，大小随时间变化的脉振磁场。长感应同步器的定尺和圆感应同步器的转子的连续绕组在相对线位移或角位移时，穿过其绕组中的磁通是变化的，产生周期性变化的感应电动势。以长感应同步器为例来阐述感应同步器的工作原理。3.感应同步器工作原理273.感应同步器工作原理当滑尺上b绕组处于A点处，感应电动势最大（幅值）；当移动W/4时处于B点，感应电动势为零；继续移到C处，反向感应电动势最大，移到D处为零，移到E处，又回到与初始位置完全相同的耦合状态。283.感应同步器工作原理当滑尺每移动一个绕组节距，在定尺绕组中的感应电动势变化一个周期，这样便把机械位移量和电信号周期联系起来了，绕组节距W相当于2π电角度。如果滑尺相对于定尺自某初始位置算起的位移量为x。则x机械位移引起的电角度变化θ＝2πx/W。29当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：uos=KuscosK—电磁感应系数—定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：uoc=Kuccos（+π/2）=－Kucsin4.感应同步器信号处理方式30当滑尺正、余弦绕组上同时加激磁电压us、uc时，由于感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=Kuscos－Kucsin相位角与相对位移量x的关系：=2xπ/W由于相对位移量x与相位角呈线性关系，只要能测出相位角，就可求得位移量x。4.感应同步器信号处理方式31根据滑尺正、余弦绕组上激磁电压us、uc供电方式的不同和对输出电压检测方式的不同，感应同步器可有两种工作方式：鉴相工作方式、鉴幅工作方式。4.感应同步器信号处理方式鉴相型鉴幅型32感应同步器的鉴相型处理方式在该种工作方式中，滑尺正、余弦绕组通以频率相同、幅值相同，相位差为π/2的交流励磁电压。正弦绕组励磁电压:us=Umsinωt余弦绕组励磁电压:uc=Umcosωt定尺绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=Kuscos+Kucsin=KUmsinωtcos+KUmcosωtsin=KUmsin（ωt+）33感应同步器的鉴相型处理方式结论：在鉴相工作方式中,通过测量感应电压uo与正弦绕组励磁电压us相位差，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。相位角与相对位移量x的关系：=2xπ/W34滑尺正、余弦绕组通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流励磁电压。us=Umsin1sinωtuc=Umcos1sinωt定尺绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=Kuscos－Kucsin=KUmsin(1－)sinωt1=2x1π/W（x1是指令位移值）感应同步器的鉴幅型处理方式35结论：在鉴幅工作方式中,通过测量感应电压uo的幅值，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。感应同步器的鉴幅型处理方式36感应同步器优点1)具有很高的精度和分辨率。目前直线式感应同步器的精度可达到1m，分辨率可达0.05m，重复性误差可达0.2m。2)抗干扰能力强。不受瞬时作用的偶然干扰信号的影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场和空间磁场变化的影响很小。因为是根据正弦和余弦两相绕组的电压幅值或相位进行比较完成测量的。因此，基本上不受电源波动的影响。37感应同步器优点3)结构简单、工作可靠、使用寿命长。固定部件和运动部件互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命长。4)可以作长距离位移测量。可根据测量长度的需要进行拼接。10米的大型机床工作台位移的测量，大多采用感应同步器。5)工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。感应同步器中导片的数量很多，产生误差平均效应。38感应同步器缺点输出信号弱；信号处理麻烦；配套信号处理设备(数显表)比较复杂；价格高。39磁栅是用于线位移(长度)测量的一种数字式传感器。这是一种比较新的传感元件，加工工艺也比较简单。当需要时，可将原来的磁化信号抹去，重新录制。还可以安装在被测体上，再录制磁化信号，对消除安装误差和被测体本身的几何误差，以提高测量精度都是十分有利的。由于可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高的精度。4.1.3磁栅位移传感器40磁栅位移传感器分为测线位移的长磁栅和测角位移的圆磁栅。磁栅传感器由磁尺、磁头和检测电路组成。4.1.2磁栅位移传感器414.1.3磁栅位移传感器输出信号励磁电源654SS3NNSSSλ7NN1SNN200abx1—磁性膜2—基体3—磁尺4—磁头5—铁芯6—励磁绕组7—拾磁绕组磁尺是用不导磁的金属做尺基，或者采用在钢材表面上镀上一层抗磁材料，如0.15-0.20mm厚的铜做尺基。在尺基表面均匀地涂覆一层厚度为0.10-0.20mm的磁性薄膜，常用的是Ni-Co-P合金