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第8章数字传感器 单元20感应同步器单元21磁栅传感器单元22光栅传感器单元23光电编码器 化学工业出版社 电路图 电路分析 单元20感应同步器 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的 类位移传感器 按测量机械位移的对象不同 感应同步器可分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两类 知识要点 1 感应同步器的特点 1 感应同步器利用电磁原理工作 其感应电动势取决于磁通的变化率受 使用环境的油污 尘埃 温度的影响小 2 感应同步器的基板 般使用铸铁和钢制造 它和机械设备使用的材料相一致 在机械设备上应用感应同步器时 环境温度变比对测量梢度的影响很小 3 感应同步器的输出电信号由同步器的滑尺与定尺之间的相对位移产生 中间不经过任何传动机构 测量精度较高 4 直线型感应同步器的测量长度 可根据需要任意接长至20m 5 感应同步器相对位移为非接触式 使用寿命长 易于维护 2 感应同步器的工作原理 回到第一页 电路图 单元21磁栅传感器 电路分析 图示为磁栅传感器结构及工作原理图 磁栅传感器主要由磁尺 磁头相信号处理电路组成 磁尺是由满足一定要求 有较大的剩磁和矫顽力 耐磨 易加工 热胀系数小 的硬磁合金制成 也可用热胀系数小的非导磁性材料做尺基 在尺基表面镀上一层l0 30 m厚的硬磁性薄膜 利用与录音技术相似的方法 通过录磁磁头在磁尺上录制出节距严格相等的磁信号作为计数信号 信号可为正弦波或方波 节距W通常为0 05 0 1 0 2mm 最后在磁尺表面涂上一层1 2 m厚的保护层 防磁头频繁接触而造成磁膜磨损 图中所示为磁尺的磁化波形 在N和N S与S重叠部分的磁感应强度为最大 从N到S磁感应强度呈正弦波变化 磁尺按基体形状有实体型磁尺 尺型 带状磁尺 线状磁尺 同轴型 和圆形磁尺 实体型磁栅以具有相当厚度的金属或铍青铜作为尺基 精度较高 带型磁栅是用约宽20mm 厚0 2mm的金属作为尺基 有效长度可达30m 带状磁尺固定在用低碳钢做的屏蔽壳体内 并以一定的预紧力绑紧在框架或支架中 框架固定在没备上 使带状磁尺同设备一起胀缩 减少温度对测量精度的影响 线状磁尺是 2 4mm的圆形线材作尺基 磁头套佐圆型材上 由于磁尺被包围在磁头中间 对周围电磁场起到了屏蔽作用 所以抗干扰能力较强 安装和使用都十分方便 圆型磁尺做成圆形磁盘或磁鼓形状 用于组成圆磁栅 磁头可分为动态磁头 速度响应式磁头 和静态磁头 磁通响应式磁头 两大类 动态磁头只有在磁头与磁尺间有相对运动时 才有信号输出 不适用于速度不均匀 时走时停的机床 静态磁头在磁头与磁栅间没有相对运动时也有信号输出 回到第一页 知识要点 1 磁栅传感器是一种位置检测传感器具有制作简单 录磁力便 易于安装及调整 测量范围宽 不需接长 抗干扰能力强等优点 2 磁栅传感器在大型机床数字检测及自动化机床的定位控制等方面得到了广泛的应用 但要注意防止磁尺退磁和定期更换磁头 3 磁栅可分为直磁栅和圆磁栅两大类 直磁栅主要用于直接位移测量 圆磁栅主要用于角位移测量 电路图 电路分析 单元22光栅传感器 图示为光栅传感器的核心部件光栅的结构图 光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成 通常标尺光栅固定在活动部件上 光栅读数头则安装在固定部件上 当活动部件移动时 读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动 知识要点 1 光栅传感器实际上是光电传感器的应用 光栅测量具有结构简单 测量精度高 易实现自动化 数字化等 应用越来越广泛 2 光栅传感器的工作原理光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的 莫尔 Moire 原意是水面上产生的波纹 莫尔条纹是指两块光栅叠合时 出现光的明暗相间的条纹 从光学原理来讲 如果光栅栅距与光的波长相比较是很大的话 就可以按几何光学原理来进行分析 如图8 17a为两块栅距相等的光栅叠合在一起 并使它们的刻线之间的夹角为 时 这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹 即莫尔条纹 莫尔条纹特性如下 1 消除光栅刻线不均匀误差由于光栅尺的刻线非常密集 光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号 是一个区域内许多刻线的综合结果 因此它对光栅尺的栅距误差有平均效应 这有利于提高光栅的测量精度 2 放大特性莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距W 它随着光栅刻线夹角 而改变 当 1时 可推导得莫尔条纹的间距B W 由此可知 越小 B越大 相当于把微小的栅距放大了1 倍 3 移动特性莫尔条纹随光栅尺的移动而移动 它们之间有严格的对应关系 包括移动方向和位移量 位移一个栅距W 莫尔条纹也移动一个间距B 移动方向的关系见表8 1 标尺光栅相对指示光栅的转角方向为逆时针方向 标尺光栅向左移动 则莫尔条纹向下移动 标尺光栅向右移动 莫尔条纹向上移动 4 光强特性两块光栅相对移动时 从固定点观察到莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化 x为光栅移动方向 y为莫尔条纹移动方向光栅移动一个栅距W 光强变化一个周期2 这种正弦波形的光强变化照射到光电元件上 即可转换成电信号关于位置的正弦变化 3 光栅传感器辨向原理 4 光栅传感器细分原理 回到第一页 电路图 单元23光电编码器 电路分析 上图为光电编码器的基本结构 它主要由安装在旋转轴上的编码盘 固定指示标度盘 安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成 在编码盘上刻有等分划的主信号窗口和零信号窗口 主信号窗口用来产生角度分割的脉冲信号 零信号窗口则在圆盘每旋转一周时产生一个脉冲信号 它主要用于错误计数的检测和作为机械系统的原点使用 指示标度盘上有三个窗口 一个作为零信号使用 两个窗口可以获得0 和90 二相的主信号输出 这样可以从二相主信号的关系中识别旋转轴的旋转方向 旋转轴转动时 编码盘随之旋转 发光二极管发出的光通过编码圆盘上的窗口和指示标度盘上的窗口 由光敏三极管接收 由于通光窗口的面积随编码盘的旋转而变化 光敏三极管接收到的光通量也不断地变化 光敏三极管输出如下图a所示的波形 该波形经整形和处理后 得到如下图b 下图c所示波形 如果对输出的脉冲信号进行计数 便可测