第四节 新型角度传感器

§3-4新型角度传感器本节主要内容内容：：1、圆光栅：类型、莫尔条纹2、圆磁栅形成：测量原理3、感应同步器：分类、应用、工作原理、圆形感应同步器4、角编码器：定义、类型、工作原理5、环形激光器：重点：圆光栅和环形激光器的测量原理一、圆光栅莫尔条纹：两等线距光栅相互成一小角度时，即形成莫尔条纹；两光栅相互运动时间看到的是莫尔条纹运动。莫尔条纹的特点：放大作用：相对原光栅具有放大（移动）的作用；误差平均；信号波形的正弦性。两光栅交点由栅线序数N、M组成。K=M－N令K=M－N条纹I：(-3,-1)、(-2,0)、(-1,1)、(0,2)、(1,3)…K=2条纹II：(-2,-1)、(-1,0)、(0,1)、(1,2)、(2,3)…K=1条纹III：(-1,-1)、(0,0)、(1,1)、(2,2)、(3,3)…K=0设两光栅节距分别是P1、P2，相交角θ可得莫尔条纹方程：长光栅莫尔条纹播放动画长光栅光闸莫尔条纹播放动画圆光栅类型：径向圆光栅（图3-29a）切向圆光栅（图3-29b）圆光栅的莫尔条纹有许多类型，在角度测量中主要是应用以下两种：环形莫尔条纹和圆弧形莫尔条纹。图3-29圆光栅BWRrr121．环形莫尔条纹形成：将两块栅线数目相同，切线圆半径分别为r1和r2的切向圆光栅同心安置（图3-30），形成以光栅中心为圆心的莫尔条纹簇，叫做环形莫尔条纹。条纹间距B为：式中，W为栅距；R为平均半径。特点：当两光栅相对转过一个栅距时，环形条纹就由中心向外（或向内，由旋转方向而定）移过一个条纹（演示）。该条纹最适用于多读数头的测量装置图3-30切向光栅产生环形莫尔条纹环形莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示2.圆弧形莫尔条纹形成：将两块栅线数目相同的径向圆光栅偏心安置（偏心量为e），则两光栅的栅线交角将不同，这样就会形成曲率半径各不相同的圆弧形莫尔条纹簇，如图3-31所示。特点：条纹簇都与两光栅中心连线相切于连线的中心点，条纹簇的圆心都位于两光栅中心连线的垂直平分线上；条纹间距随条纹的位置而不同。条纹有三种形式：横向莫尔条纹；纵向莫尔条纹；斜向莫尔条纹；角度测量中多用横向莫尔条纹。图3-31径向光栅产生圆弧形莫尔条纹播放中……圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画光闸莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画圆光栅是精密测角的主要器件之一，广泛用于测角、刻度和度盘检测。图3-32是利用圆光栅检定度盘的示意图。图3-32用圆光栅检定度盘二、圆磁栅图3-33圆磁栅（沿圆周展开）1—基体；2——磁膜1．形成：在一个圆柱（圆盘）基体的表面上镀上一层磁膜，当圆盘均匀旋转时，把由一标准频率（信号）发生器（如石英振荡器）发出的频率极为准确稳定的正弦波电压信号，记录在磁膜上面，磁膜经交流反复磁化，就形成如图3-33所示之磁极对应的磁格（N和S两两相对），此录磁圆盘就是以磁波为分度标准的圆磁栅。图3-34为录磁装置的示意图图3-34录磁原理示意图2．测量原理：利用圆磁栅测角或分度时，磁栅和被测件一起同轴旋转，再利用放磁头将磁栅上的标准录磁信号拾放出来，并进行处理。3．磁头类型：按拾取信号方式不同，分静态和动态磁头两种；动态磁头：磁栅与磁头间有相对运动才有信号输出，如图。图3-35动态磁头读取信号1－磁头，2－磁栅，3－输出信号波形静态磁头：磁栅与磁头间无相对运动也有信号输出。如图3-35（a）图3-35（b）静态磁头分度原理示意图三、感应同步器感应同步器有长形和圆形两种，前者用于测量长度，后者用于测量角度和分度。长形感应同步器图3－36感应同步器当以激磁电压加在印刷电路板上的平面平行绕组（激磁绕组）两端时（图3-36），若电流方向如图中箭头所示，则在导线周围将产生磁场，并形成封闭的环形磁力线。图中，⊙⊙表示磁力线由纸面引出，⊕号表示进入纸面。１．工作原理：将另一块线距与上述激磁绕组相同的感应绕组印线板以最小的间隙使两绕组互相平行贴近，感应绕组中就会产生感应电压（参见图3-37）。图3-37感应电压感应电压大小与两绕组的相对位置有关，节距即相当一个电压变化周期，两绕组完全重叠，感应电压最大。为什么要用A、B两个绕组？图3－38圆形感应同步器以激磁绕组印刷在固定圆盘上（图3-38a），感应绕组印制在旋转圆盘上，可相对固定圆盘旋转，两者互相贴近，就可取得反映圆分度的交流电压信号。２．圆形感应同步器：感应绕组的分布：如图3-38b，采用所谓sin绕组和cos绕组交叉分布。图3－38圆形感应同步器1、仅用一对sin绕组和cos绕组行吗？2、多对绕组的作用是什么？（为什么？）3．感应同步器的特点：平均效应，增量式测角4.应用：惯性技术测试设备中等准确度的计量器具四、角编码器1．定义：将转角大小换成相应的数字代码的装置称角度编码器。2．类型：很多，最主要是光电编码器；3．光电编码器的工作原理：如图3-40。图3-40角编码器工作原理图3-41是四位编码盘，其最外的第四位码道将圆周角分为16等分，每等分相当于22.5°。图3-41编码盘示意图五、环形激光器1．环形激光器：闭合环路以一定的角速度旋转，则反向的两光束将产生光程差，且光程与环路旋转的角速度成正比，这就是多卜勒效应。这一现象为测量角速度和角度提供了理论依据，而高稳频激光的出现，又使这一精确的测角方法能应用于实际工作，利用这一现象来测量角度的装置，叫做环形激光器。2．环形激光的测角原理：环形激光是由塞纳克（Sagnac）环形干涉仪演变而来的。根据塞纳克环形（圆形）干涉仪的实验和理论推导可知，反映反向两光束光程差的频差Δf与环形光路旋转速度ω之间有如下关系：Δf=4Aω/Lλ式中：A—环形光路所包围的面积；L—光程长度；λ—光波波长。对一定的环形激光器，A、L及λ均为常数，故Δf与ω成正比。α是在时间（t2-t1）内环形激光器相对于惯形系统的转角。若以N表示上述两光束在时间（t2-t1）内的拍频，则对Δf积分后有α=LλN/4A以上是环形激光器的测角原理，22214ttttdtAfLdta将上式中的ω对时间积分，图3-42环形激光器图3-43合像棱镜