第10章数字式传感器及应用

2020/4/141第10章数字式传感器及应用2020/4/142引言信号的检测、控制和处理已进入到数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备进行处理，这种方法简便易行，但系统的构成也很复杂。数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数字信号输出。目前，常用的数字式传感器有4大类：（1）栅式数字传感器；（2）编码器式数字传感器；（3）频率/数字输出式数字传感器；（4）感应同步器式数字传感器。2020/4/143主要章节10.1栅式数字传感器10.2编码器10.3感应同步器10.4频率式数字传感器2020/4/14410.1栅式数字传感器根据工作原理，可分为光栅和磁栅两种。光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物现量。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光栅。本节主要介绍透射式的长度计量光栅。它是利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应用。2020/4/14510.1.1光栅的类型和结构在计量工作中应用的光栅称为计量光栅。从光栅的光线走向来看，可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅一般用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻划上等间距、等宽度的条纹，形成连续的透光区和不透光区。反射式光栅用不锈钢做基体，在其上用化学方法制作出黑白相间的条纹，形成强反光区和不反光区。2020/4/146尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅2020/4/147扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）2020/4/148光栅刻线2020/4/149计量光栅按其形状和用途分类长光栅又称为光栅尺，用于长度或直线位移的测量。圆光栅又称为光栅盘，用来测量角度或角位移。2020/4/1410长光栅黑白光栅闪耀光栅刻线断面闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称为相位光栅，按其刻线的断面形状可分为对称和不对称两种。2020/4/1411圆光栅圆光栅的两条相邻栅线的中心线之间的夹角称为角节距，每周的栅线数从较低精度100线到高精度等级的21600线不等2020/4/141210.1.2光栅的工作原理计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。1．长光栅的莫尔条纹2020/4/1413莫尔条纹演示2020/4/1414光栅与莫尔条纹示意图当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。θ越小，则B越大。2020/4/14152.横向莫尔条纹的特点（1）放大作用光栅具有位移放大作用，提高了测量的灵敏度。（2）平均效应莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。（3）运动方向2020/4/1416光栅位移与光强关系4）对应关系两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。光敏元件接受到的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。2020/4/1417（5）莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数例如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（即移过了100x条光栅栅线），则从光电元件前掠过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。2020/4/141810.1.3光栅式传感器的测量电路计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头把输入量（位移量）转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。2020/4/14191.光电转换光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。1—光源2—透镜3—主光栅4—指示光栅5—光电元件2020/4/1420输出电压反映了位移量的大小莫尔条纹是一个明暗相间的光带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗、渐亮、最亮、渐暗直到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数，如以电压输出，即oom2sin()2xuUUW2020/4/1421光电元件输出波形2020/4/14222.辨向原理光栅是正向移动还是反向移动，莫尔条纹都做明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号只能计数，不能辨向。为此，必须设置辨向电路。辨向电路2020/4/14243.细分技术为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。另一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫做倍频。2020/4/1425细分的方法直接细分，细分数为4，所以又称四倍频细分。实现的方法有两种：2020/4/1426四倍频细分原理2020/4/1427光栅在机床上的安装位置（2个自由度）2020/4/1428安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部2020/4/142910.2编码器将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式3种，后两种为非接触式编码。2020/4/143010.2.1接触式码盘编码器接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制（如8421码、循环码等）图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的数字编码输出1．结构与工作原理2020/4/1431接触式四位二进制码盘2020/4/14322．消除非单值误差的办法（1）采用循环码（格雷码）循环码盘结构，采用循环码制可以消除非单值误差。（2）扫描法扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描3种。2020/4/143310.2.2光电式编码器接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。2020/4/1434光电编码器示意图1—光源2—透镜3—码盘4—窄缝5—光电元件组2020/4/143510.2.3电磁式编码器主要由磁鼓与磁阻探头组成。多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成型；另一种是在铝鼓外面覆盖一层黏结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关，而与电流平行的磁场无关。2020/4/1436电磁编码器的基本结构1—磁鼓2—气隙3—磁敏传感部件4—磁敏电阻电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。2020/4/143710.2.4脉冲盘式数字传感器脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有3个码道，它不能直接产生编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。2020/4/14381.增量编码器的结构和工作原理增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈（A、B）的相邻两缝错开半条缝宽，另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外）开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身的精度。2020/4/1439脉冲盘式编码器示意图2020/4/14402.旋转方向的判别码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。2020/4/1441辨向原理2020/4/144210.3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。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。2020/4/1443感应同步器类型和特性类型特性直线式同步器标准型精度高、可扩展，用途最广窄型精度较高，用于安装位置不宽敞的地方，可扩展带型精度较低，定尺长度达3m以上，对安装面要求精度不高旋转式同步器精度高，极数多，易于误差补偿，精度与极数成正比2020/4/144410.3.1直线式感应同步器的结构和工作原理感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。它的基本结构由两个平面矩形线圈组成，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过这两个绕组间的互感值随位置变化来检测位移量。2020/4/14451.载流线圈所产生的磁场矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图2020/4/1446探测线圈内的感应电动势2020/4/14472.直线式感应同步器的基本结构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，一个是正弦绕组1—1，另一个是余弦绕组2—2，彼此相距π/2或3π/4。当定尺栅距为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时相差π/2，n=1时相差3π/4，n=2时相差5π/4。感应同步器的绕组结构2020/4/14493.直线式感应同步器的工作原理滑尺上的正弦绕组和余弦绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4节距，工作时，当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。2020/4/1450感应同步器工作原理图2020/4/14514.直线感应同步器输出信号的检测由感应同步器组成的检测系统，可以采取不同的励磁方式，对输出信号采用不同的处理方法。从励磁方式来说，可分类两大类：一类是以滑尺（或定子）为励磁，由定尺（或转子）取出感应电势信号；另一类以定尺为励磁，由滑尺取出感应电势信号。目前使用最多的是第1类励磁方式。对输出感应电势信号可采取不同的处理方法来达到测量目的，一般分为鉴幅型和鉴相型两种检测系统。2020/4/1452（1）鉴相型—根据感应电动势的相位来鉴别位移量相对位移量x与相位角θ呈线性关系，只要能测出相位角θ，就可求得位移量x。2020/4/1453（2）鉴幅型—根据感应电动势的幅值来鉴别位移量滑尺上正弦、余弦绕组供以同频、同相，但幅值不等的交流励磁电压，则可根据感应电动势的幅值来