自动检测技术第10章-位移-数字传感器课件.ppt

1、 第一节第一节 光栅传感器光栅传感器第二节第二节 磁栅传感器磁栅传感器第三节第三节 容栅传感器容栅传感器第四节第四节 旋转编码器旋转编码器第五节第五节 感应同步器感应同步器 工业微控制器作为控制器的系统工业微控制器作为控制器的系统要求采集到的信号尽量数字化。数字要求采集到的信号尽量数字化。数字式传感器可以把输入量转换成数字量式传感器可以把输入量转换成数字量输出，直接送入计算机进行数据处理。输出，直接送入计算机进行数据处理。数字式传感器是检测技术、微电子技数字式传感器是检测技术、微电子技术和计算机技术的综合产物，是传感术和计算机技术的综合产物，是传感器技术发展的一个重要方向。进行位器技术发展的一

2、个重要方向。进行位移测量的数字式传感器主要有光栅、移测量的数字式传感器主要有光栅、磁栅、容栅、旋转编码器和感应同步磁栅、容栅、旋转编码器和感应同步器等。器等。第一节光栅传感器第一节光栅传感器一、光栅传感器的结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副、光电元件四大部分组成，如图10-1所示。光源光源透镜透镜主主光光栅栅指指示示光光栅栅光电光电元件元件光栅副光栅副光光学学玻玻璃璃工工业业白白玻玻璃璃 栅距栅距栅线宽度栅线宽度栅线缝隙宽度栅线缝隙宽度长光栅长光栅圆光栅圆光栅图10-2 长光栅与圆光栅示意图 光栅按其形状和用途分为长光栅和圆光栅。如图10-2所示。圆光栅上的刻线：径向刻线径向刻线切向刻线切向

3、刻线 图10-3 圆光栅结构示意图 圆光栅又分为径向光栅和切向光栅。径向光栅的栅线的延长线全部通过圆心。切向光栅的栅线全部与一个和圆盘玻璃同心的小圆相切。莫尔条纹形成原理（长光栅）1 主光栅 2 指示光栅 将主光栅和指示光栅刻线面相对叠合，中间留很小间隙，栅线保持很小夹角，则在a方向上会透射出明暗相间的莫尔条纹。栅距 二、光栅的工作原理 一般选择主光栅和指示光栅的光栅常数（栅距）相等，则有：莫尔条纹斜率：莫尔条纹间距：WWWB2sin2)1(cossin22 结论：条纹间距B是栅距W的倍数，可以通过检测较宽B条纹来检测微小的栅距变化。莫尔条纹的重要特性：（1）大量栅线具有平均效应 （2）放大作

4、用 放大倍数/1/WBK理想光强曲线理想光强曲线实际光强曲线实际光强曲线2tansin1cossincos)cos1(tanWW图10-5 莫尔条纹与输出光强信号的关系（3）x向位移与光强的对应关系 当莫尔条纹的亮带出现的时候，相应的光电元件接收到一个幅值比较大的信号，暗带出现时，接收到幅值较小的信号，信号的频率取决于光栅常数W，如图10-5所示。这样就将光栅的位移信号变换成了电信号。每当光栅移动一个栅距（W），莫尔条纹明暗变化一次，光电元件感受到的光强按正弦规律变化一个周期（），它输出的电信号也就发生相应地变化。在去除光电元件输出信号中的直流分量后，我们可以得到光电元件输出电压和光栅位移之间

5、的关系式：sin)2sin(mmUxWUu2 输出信号经整形放大和微分电路变为脉冲信号，送入计数器进行计数，计数值反映位移的大小。三、辨向电路 在实际应用中，由于位移具有方向性，即位移有正负之分，如果采用一个光电元件则无法确定光栅的移动方向。为此，必须设置辨向电路。为了实现这种功能，我们可以在相距B/4的莫尔条纹位置上设置两个光电元件。辨向电路原理方框图如图10-7所示。1u2u光电元件接收到的信号和信号波形如图：为了增加光栅传感器的分辨率和测得比栅距更小的位移量，以提高测量精度，若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，则其分辨率为光栅栅距。一般可以通过增加光栅刻线密度（机械的方法）和对测量信号进行

6、细分（电气的方法）的这两种方法来提高测量精度。n 第一种方法制造工艺比较麻烦，成本较高而且会给安装和调试带来困难，因此一般不采用这种方法，而采用对测量信号细分方法获得所需的分辨率。下面介绍几种常用的电气细分法。四、细分技术（一）直接细分 在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件来接收同一个莫尔条纹信号，从而得到多个不同相位的信号。常用的细分数为，即在一个莫尔条纹的间隔内，放置四个光电元件，每两个光电元件之间的距离为，两个信号之间的相位差为，这样在一个莫尔条纹的间隔内产生了四个输出信号，实现了四细分。四细分也可以通过放置两个光电元件来实现。首先产生相位差为的两个信号，然后对这两个信号进行反相，

7、则和原信号一起获得了四个信号。在经过适当的组合电路便可得到四个依次互差的信号，如图10-10所示。获得这四个依次相差的信号后，经微分电路和辨向电路送可逆计数器进行计数，这样就将光栅的位移量转换成了数字量。（二）电桥细分光电信号光电信号1 1光电信号光电信号2 2输出电压输出电压桥臂电阻桥臂电阻1 1桥臂电阻桥臂电阻2 2电桥平衡条件：输出表达式：21,RR恰当配合的 参数，可以获得合理细分的输出电压。LLLoRRRRRRRuRuRu21212112令0ou 01221RuRusin1mUu cos2mUu选取，则可得tgRRcossin21 采用多个类似电桥，选取不同R1/R2值，就可以得到一

8、系列初始相位 各不相同的正弦信号，从而达到任意细分的目的。ntgRR21/这里令，则当输出信号的相位刚好等于n时，负载上得到的电压信号为0ou。即输出波形在相位角n处过零。这样就利用电桥细分的方法得到一个新的输出信号：)2sin(0nomxWUun光栅位移传感器光栅角位移检测装置第二节磁栅传感器第二节磁栅传感器 磁栅传感器主要由磁栅、磁头和测量电路三部分组成，它是一种利用磁栅与磁头之间的磁作用以计算磁波数目来进行测量的位移传感器。磁栅传感器的特点是把位移直接转换成数字量，可用于直线位移和角位移的测量，且具有制作工艺简单、成本较低、测量范围广等优点。因此在大型机床的数控、精密机床的自动控制等方面

9、得到了广泛的应用。一、磁栅结构及工作原理 磁栅是指记录一定波长的矩形波或正弦波信号的涂有磁粉的非磁性长尺或圆盘，如图10-12所示。磁栅基体是用非导磁材料做成，在磁栅基体上敷上一层很薄的磁性材料，经过录磁的方法使得敷层磁化成相等的节距，便做成了磁栅。磁栅上从一对极到相邻的另一对极之间的距离称为节距，录磁过程示意图如图10-13所示。磁栅结构磁栅结构磁栅基体节距节距d磁性材料长磁栅（见下图）圆磁栅磁栅的类型尺形磁栅尺形磁栅带形磁栅带形磁栅同轴形磁栅同轴形磁栅N 测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因为它直接影响位移测量精度。为此需要在高精度录磁设备上对磁尺

10、进行录磁。当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处在静止状态时，也应能够进行位置测量。二、磁头 磁头的主要作用是把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。它是把反映空间位置变化的磁化信号检测出来并转换成电信号输送给检测装置中的关键元件。磁头分静态磁头和动态磁头两种。1.静态磁头磁通响应式磁头2、动态磁头 动态磁头又称为速度响应式磁头，它只有一组输出绕组，只有当磁头与磁栅之间有相对运动时，才有信号输出。动态磁头读取信号的原理如图10-17所示。三、测量电路 磁栅测量电路的主要作用是把磁头送来的电信号经变换后进行计数或细分后进行计数。主要包括磁头励磁电路，读取信号的放大、滤波及辨向电路，细分电路和

11、显示控制电路等几部分。动态磁头一般只有一个磁头，输出信号为正弦波，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录输出信号的周期个数，就可以测量出位移量的多少。静态磁头在使用时，测量电路可分为幅值测量和相位测量两种方法，其中以相位测量应用较多。下面就对静态磁头的这两种测量方法作以介绍。tdxUumsin)/2cos(2tdxUumsin)/2sin(1去掉高频载波后去掉高频载波后2 2倍与励磁角频率倍与励磁角频率1.幅值测量 在幅值测量电路中，相邻两个磁头的输出电压可用以下两式表示：将上面的两路互差90度的输出信号分别进行去除高次谐波处理后,再进行细分和辩向处理、计数输出。)/2sin(1dxUum)

12、/2cos(2dxUum 2.相位测量将以上两个输出信号叠加，则可获得总输出信号为：结论：在磁矩d一定的情况下，输出电压的相位由位移量x决定，即只要测量出输出电压相位的大小，就可以测量出位移量的大小。相位测量是将其中一个磁头的励磁电流移相45度或输出信号90度后，其输出信号为：)2sin(dxtUumtdxUumcos)/2sin(1tdxUumsin)/2cos(2四、磁栅数显示表及其应用磁栅位移传感器第三节容栅传感器第三节容栅传感器 容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器，是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的一种传感器。一、容栅的结构形式与工作原理

13、 容栅按其结构形式可分为长容栅和圆容栅两大类。长容栅主要用于直线位移测量，圆容栅主要用于角位移测量。长容栅的结构原理如图10-19所示。长容栅由定栅尺和动栅尺组成，将定栅尺和动栅尺的栅极面相对放置，其间留有间隙时，形成一对电容，即容栅。容栅传感器结构原理图 当动栅尺沿方向平行于定栅尺移动时，每对容栅的覆盖面积将发生周期性变化，电容量也随之发生周期性变化，如图10-20所示。图中为定栅尺反射电极的极距。二、容栅传感器电极的结构形式 目前常用的电极的结构形式有反射式、透射式和倾斜式。反射式结构形式和安装示意图如图10-19所示。透射式结构形式如图10-21所示。三、测量电路 容栅式电容传感器测量电

14、路主要有调幅式和调相式测量电路两种形式。1、调幅式测量原理)()(00ABBmAmPCUCUCUCUQ 从而导致Um由原来的0发生改变，这时可以通过电子开关改变差动电容器CA、CB的输入电压，使得QP的值减小，直至为零。这时有:)/1(00lxCCA)/1(00lxCCB00UlxUm0C0l上两式中C0为初始电容量，l0为发射电极的极距，则：当静电极片P相对于两组动栅片A和B有位移时，差动电容器CA、CB不等，电容静极板P上的电荷量发生变化，有：2、调相式测量原理调相式测量原理如图10-23所示。0 x 由于传感器的接收电极耦合发射电极的电荷，其输出电压与接收电极的电荷成正比，可见，传感器输

15、出一个与激励电压同频的正弦波电压，其幅值近似为常数K，而其相位则与被测位移x近似成线性关系。只要测量出输出电压的相位就可以测量出被测位移x。当两个极板相对移动而处于位置时，反射极片上感应的电荷为为：各类容栅传感器一、旋转编码器的分类 按照信号的读出方式，编码器可分为接触式和非接触式两种。按照工作原理，编码器可以分为绝对式和增量式两种。二、绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，有许多编码方式，介绍自然二进制编码和循环二进制码（格雷码）。第四节第四节 旋转编码器旋转编码器 编码器按照被测物理量的形式，可以分为角位移和直线位移编码器，测量直线位移的编码器又称为码尺。测量角位移的编码器称为

16、角编码器或旋转编码器，简称码盘。1、自然二进制编码器 见图10-24，黑处为导电区，空白处为绝缘区，所有导电部分一起接高电平。每一个同心圆为一码道，每个码道上均有一个电刷，电刷在导电区时输出信号为“”，在绝缘区为“”，内圈为高位，外圈为低位。当码盘随转轴转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定数码，如表10-1。然后将这些信号送往信号处理显示电路，即可显示码盘转过的角度。2、循环二进制编码器 如图10-25所示，当读数发生变化时，只有一位数发生变化。避免了自然二进制编码码盘的单值性误差，而且制造和安装工艺要简单得多。三、增量式编码器 如图10-26所示。当圆盘转动时，每转过一个缝隙，光电元件就

17、接收到一个光信号，然后将其转换成电信号，进行整形处理获得一个脉冲信号，计数器计数值反映了码盘转过的角位移，即：为圆盘上的缝隙数；为计数器获得的脉冲数。四、旋转编码器的应用 图10-27为增量式光电码盘测角度的原理图。它由主码盘、指示盘、鉴向盘、光学系统、信号处理装置和显示装置等组成。鉴向盘后的两个光电元件、的输出电压相位差为，经放大与整形输出波形如图10-28所示。根据波形、的相位关系，即可判断主码盘的转动方向。若波形超前于波形，对应电动机正转；如波形超前波形，对应电动机反转。增量式旋转编码器 感应同步器是一种根据电磁感应原理，利用两个平面型电路绕组，其互感随位置而变化的原理工作的位移传感器。

18、按用途可分为测量线位移的直线型感应同步器和测量角位移的圆盘型感应同步器。主要优点：结构简单、制造方便、对工作环境要求不高，在大中型机床上得到广泛应用。一、结构 直线型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，又可以设计制造成以下几种不同形状的感应同步器。第五节第五节 感应同步器感应同步器lab定 尺 绕 组1、标准型直线形感应同步器定尺定尺滑尺滑尺正弦绕组余弦绕组滑尺上滑尺上的绕组的绕组 *感应输出信号互差感应输出信号互差90度度!3、带型 原理同标准型。带型感应同步器定尺不需要拼接，便于安装，特别是对于设备安装面不易加工的场合，但由于定尺的刚性差，测量精度要比标准型低，2、窄

19、型 原理同标准型。其不同点是宽度窄一点，其电磁感应强度较标准型小，因此测量精度较低。一般用于设备安装位置受到限制的场合。圆盘形感应同步器定子定子转子转子输出感应脉冲输出感应脉冲绕组绕组绕组绕组定 尺滑尺位置SCABCDESSSSCCCCl)4/5(二、工作原理 感应电动势最大感应电动势最大感应电动势为感应电动势为0感应电动势负向最大感应电动势负向最大感应电动势为感应电动势为0定定尺尺上上滑滑尺尺的的正正弦弦绕绕组组感感应应电电势势 感应电动势随滑尺的移动x周期性变化。x滑尺有滑尺有2套绕组套绕组c 余弦绕组余弦绕组 根据电磁感应定律，当滑尺绕组（励磁绕组）加正弦电压时，将产生同频率的交变磁通，

20、这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上产生同频率的交变电动势。S-正弦绕组正弦绕组 如果在滑尺上安装两个在空间上互差90度（1/4节距）的激磁绕组，分别通入同幅的差90度的交流电，有：正弦绕组激磁电压余弦绕组激磁电压tUumcsintUumscos正弦和余弦绕组磁场都会在定尺绕组引起感应电动势。余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：三、信号处理正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：1、调相方式tKUimccostKUimssintxlUkemssin)2cos(txlUkemccos)2sin(定尺绕组上的总输出感应电动势为：结论：只要测量出感应电动势e的相位，即可换算出位移x！)2sin(xltU

21、keeemcs2、调幅方式 如果在滑尺上安装两个在空间上互差90度（1/4节距）的激磁绕组，分别通入不同幅度、相位一致的正弦交流电，有：正弦绕组激磁电压余弦绕组激磁电压tUuccsintUusssin正弦和余弦绕组都会在定尺绕组引起感应电动势。余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：txlUkesscos)2cos(txlUkecccos)2sin(根据叠加原理，定尺绕组上的总输出感应电动势为：结论：只要测量出感应电动势e的幅值，即可通过上式换算出希望的位移x！txlUkeeemcscos)2sin(四、感应同步器应用定尺滑尺前置放大器滤波器主放大器门槛电压匹配变压器D/A转换器可逆计数器与门电路基准电压辨向电路数字显示esincos脉冲发生器图10-34某调幅型数显表系统框图 感应同步器的应用比较广泛，一般与数字位移显示装置配合，能进行各种位移的精密测量及显示。直线感应同步器