第十一章-数字式传感器

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第十一章数字式传感器11.1光栅传感器11.2磁栅传感器11.3数字编码器11.4感应同步器第一节光栅传感器一、光栅的基本概念计量光栅由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成，又称为光栅测量装置1．光栅的分类（1）长光栅和圆光栅（2）透射光栅和反射光栅（3）黑白光栅和闪耀光栅2．光栅传感器的组成（1）光源:通常采用钨丝灯泡和半导体发光器件（2）光栅副:光栅副由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成（3）光电元件:光电元件一般包括有光电池和光敏三极管等种类二、莫尔条纹及其测量原理1．长光栅的莫尔条纹（1）莫尔条纹的产生（2）莫尔条纹的参数（3）莫尔条纹的作用在光栅的适当位置安装光敏元件，能让光敏元件“看清”随光栅刻线移动所带来的光强变化。WWBCABBH2sin22sin2．莫尔条纹的测量原理（1）幅值光栅测量当指示光栅相对于光标尺移动时，莫尔条纹沿其垂直方向上、下移动。移过的莫尔条纹数等于移过的光栅的刻线数。沿着莫尔条纹的移动方向放置四枚光电池，其间距为莫尔条纹的1/4，这样就可产生相位差为90°的四个信号。（2）相位光栅测量2．莫尔条纹的测量原理3．莫尔条纹技术的特点（1）误差平均效应（2）移动放大作用（3）方向对应关系（4）倍频提高精度（5）直接数字测量三、光栅测量系统光栅测量系统由机械部分的光栅光学系统和电子部分的细分、辩向、显示系统组成。（1）垂直透射式光路1-光源；2-准直透镜；3-主光栅；4-指示光栅；5-光电元件三、光栅测量系统（2）透射分光式光路1-光源；2-准直透镜；3-主光栅；4-指示光栅；5-透镜；6-光阑；7-光电元件（3）反射式光路1-反射主光栅；2-指示光栅；3-场镜；4-反射镜；5-聚光镜；6-光源；7-物镜；8-光电电池（4）镜象式光路1-光源；2-半透半反镜；3-聚光镜；4-主光栅；5-物镜；6-反射镜；7-光电元件2．电子电路系统电子系统是完成光电接收系统接收来的电信号的处理的部分，是由细分电路、辩向电路和显示系统组成的。（1）细分原理与电路细分方法可分为两大类：机械细分和电子细分，我们这里只讨论电子细分的几种方法。（2）辨向原理与电路2．电子电路系统四、光栅测量系统的应用高精度：0.2-0.4μm/m，仅次于激光；高分辨率：0.1μm；大量程：可大于1米；抗干扰能力强，可实现动态测量。光栅测量可以广泛的用于长度与角度的精密测量（如数控机床，测量机等），以及能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。第二节磁栅传感器一、磁栅及其分类1．磁栅的结构长磁栅常用的磁信号节距一般为0.05mm和0.02mm两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分。一、磁栅及其分类2．磁栅的类型磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。一、磁栅及其分类3．对磁栅的要求对磁尺表面要求长磁栅平直度0.005～0.01mm/m，圆磁栅的不圆度0.005～0.01mm，表面粗糙度要小。所录磁信号要求幅度均匀，幅度变化小于10%，节距均匀，满足一定精度要求。二、磁头及其结构磁栅上的磁信号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信号读出。按读取信号的方式，读磁头可分为动态磁头与静态磁头两种二、磁头及其结构1．动态磁头（1）动态磁头结构（2）动态磁头的信号读取2．静态磁头（1）静态磁头结构（2）静态磁头的信号读取二、磁头及其结构二、磁头及其结构（3）多间隙静态磁头结构三、信号处理方式与电路1．动态磁头动态磁头利用磁栅与磁头之间以一定的速度相对移动而读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。例如某些动态丝杠检查仪，就是利用动态磁头读取磁尺上的磁信号，作为长度基准，去同圆光栅盘（或磁盘）上读取的圆基准信号进行相位比较，以检测丝杠的情度。2．静态磁头磁栅位移传感器的结构示意图三、信号处理方式与电路（1）鉴幅方式经检波器去掉高频载波后可得：两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正弦和余弦信号，此两个电压相位差90°的信号送有关电路进行细分和辨向后输出计数。xx2sinUum'1xx2cosUum'2三、信号处理方式与电路（2）鉴相方式将第一个磁头的励磁电流移相45°或将其读出信号输出移相90°，则其输出变为：输出电压u的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置χ变化而变。即，相位与位移量x有关。tcosx2sinUum1tsinx2cosUum2三、信号处理方式与电路四、磁栅传感器的应用磁栅传感器特点：①录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录，②使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而可避免安装误差；③可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有π因子，可在节距中考虑。图中400kHz晶体振荡器是磁头励磁及系统逻辑判别的信号源。鉴相型磁栅数显表的原理框图第三节数字编码器第三节数字编码器数字传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。一、接触式码盘编码器1．接触式码盘编码器结构与工作原理接触式四位二进制码盘（1）误差的产生8-4-2-1码制的码盘，由于电刷安装不可能绝对精确必然存在机械偏差，这种机械偏差会产生非单值误差。（2）采用循环码（格雷码）采用循环码制可以消除非单值误差。特点是任意一个半径径线上只可能一个码道上会有数码的改变，这一特点就可以避免制造或安装不精确而带来的非单值误差。2．误差的产生与消除办法（3）采用扫描法扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。它是在最低值码道上安装一电刷，其他位码道上均安装两个电刷：一个电刷位于被测位置的前边，称为超前电刷；另一个放在被测位置的后边，称为滞后电刷。2．误差的产生与消除办法扫描法码盘和电刷2．误差的产生与消除办法扫描法读出电路2．误差的产生与消除办法二、光电式编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。按编码器的不同读数方法、刻度方法及信号输出形式，可分为绝对编码器、增量编码器以及混合式编码器三种。光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。二、光电式编码器光电编码器原理示意图1．光电式码盘编码器（1）结构和工作原理（2）用插值法提高分辨率11000011010101100111010010101001100010111111000100100000111011010100110111111110101011001010011101100010001110111000100100000001（a）四位二进制的码盘；（b）带判位光电装置的四位二进制循环码盘1．光电式码盘编码器用插值法提高分辨率的光电编码器2．光电式脉冲盘编码器（1）结构和工作原理基于脉冲盘式编码器的数字传感器（2）旋转方向的判别码盘辨向原理图三、光电编码传感器应用1．结构与工作原理2．细分技术原理编码钢带三、光电编码传感器应用插值细分示意图三、光电编码传感器应用第四节感应同步器第四节感应同步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。一、感应同步器的类型与结构1．直线形感应同步器直线形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，又可以设计制造成不同形状和种类的感应同步器。标准形感应同步器又叫直线形标准型感应同步器，由定尺与滑尺组成，两尺基板上都印有绕组。定尺绕组是由尺上配置连续型绕组；滑尺绕组是由两组绕组（正弦和余弦绕组）构成。窄型直线形感应同步器结构与标准型感应同步器的结构基本相同，其不同点是狭一点。其精度较低。二、直线式感应同步器的工作原理1．载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场二、直线式感应同步器的工作原理2．直线式感应同步器的基本结构直线式感应同步器的结构直线式感应同步器的绕组结构二、直线式感应同步器的工作原理3．直线式感应同步器的工作原理根据电磁感应定律，当（滑尺绕组）励磁绕组被正弦电压励磁，将产生同频率的交边磁通，这个交变磁通与（定尺绕组）感应绕组耦合，在感应绕组上产生同频率的交变电动势。这个电动势的的幅值除了与励磁频率、感应绕组耦合的导体组、耦合长度、励磁电流、两绕组间隙有关之外，还与两绕组的相对位置有关。三、旋转式感应同步器的工作原理a）定子绕组；b）转子绕组1-有效导体；2-内端部；3-外端部四、感应同步器信号处理与应用从励磁方式来说，可分为：滑尺励磁，由定尺输出感应电动势信号；定尺励磁，由滑尺输出感应电动势信号。对输出感应电动势信号的处理方式不同，可把感应同步器的检测系统分成相位工作状态和幅值工作状态，它们的特征是有输出感应电动势的相位和幅值来进行处理。鉴幅处理：根据感应电动势的幅值来鉴别位移。采用同频率、同相位、不同幅值的交流电压，对感应同步器滑尺两相绕组进行励磁，就可以根据定尺绕组输出感应电动势的幅值来鉴别定滑尺间的相对位移值，这就叫做感应同步器输出信号的鉴幅处理。作业与思考题1．莫尔条纹是怎样产生的？它具有哪些特性？2．在精密车床上使用刻线为5400条/周围光栅作长度检测时，其检测精度为0.01mm，问该车床丝杆的螺距为多少？3．试分析四倍频电路，当传感器做反向移动时，其输出脉冲的状况（画图表示之），该电路的作用是什么？4．动态读磁头与静态读磁头有何区别？5．磁栅传感器的输出信号有哪几种处理方法？区别何在？6．感应同步器传感器有哪几种？各有什么特点？7．函数变压器在鉴幅型感应同步器数显表中的作用是什么？8．简述码盘式转角-数字编码器的工作原理及用途。9．机械工业中常用的数字式传感器有哪几种？各利用了什么原理？它们各有何特点？10．什么是细分？什么是辨向？它们各有何用途？11．数字式传感器及数显表采用微机后，有什么好处？