第10章数字式传感器

1、第十章第十章 数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字是能够把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统相连。量输出的装置，可直接与计算机系统相连。数字式传感器具有以下数字式传感器具有以下优点优点：w测量精度和分辨率高；测量精度和分辨率高；w抗干扰能力强，稳定性好；抗干扰能力强，稳定性好；w易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测量；量；w适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。数字式传感器数字式传感器 v 分类：分类： 脉冲脉冲输出式：光栅式数字传感器、感应同步器、输出式：光栅式数字传感器、感应

2、同步器、 增量编码器；增量编码器； 编码编码输出式：绝对编码器；输出式：绝对编码器； 频率频率输出式输出式: 频率式传感器频率式传感器v 本节介绍精密位移测量中广泛应用的本节介绍精密位移测量中广泛应用的编码器、光栅数字传编码器、光栅数字传感器、磁栅传感器、感应同步器、容栅传感器感器、磁栅传感器、感应同步器、容栅传感器及及频率式传频率式传感器感器的工作原理和测量电路。的工作原理和测量电路。数字式传感器数字式传感器 10.1光栅式传感器(Grating Transducer)v光栅传感器广泛用于测量位移、角度、长度、光栅传感器广泛用于测量位移、角度、长度、速度、加速度、振动等物理量。速度、加速度、

3、振动等物理量。 在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为1012mm）的密）的密集刻划，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是集刻划，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是光栅。光栅。用于位移测量的光栅称为用于位移测量的光栅称为计量光栅计量光栅。abWabW 光栅上的刻线称为栅线（不透光），栅线宽度为光栅上的刻线称为栅线（不透光），栅线宽度为a，缝隙，缝隙（透光）宽度为（透光）宽度为b，一般取，一般取a = b，W（W = a + b）称为光栅的）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅常数）。栅距（也称光栅的节距或光栅常数）。光栅的结构光栅的结构 光栅

4、种类很多，按工作原理分为光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅物理光栅和和计量光栅计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等。计量光栅又分为移测量和精密机械自动控制等。计量光栅又分为长光栅长光栅和和圆光栅圆光栅。计计量量光光栅栅圆圆光光栅栅长长光光栅栅黑白光栅黑白光栅切向光栅切向光栅玻璃体玻璃体金属体金属体金属膜玻璃体金属膜玻璃体玻璃体玻璃体透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅径向光栅径向光栅闪耀光栅闪耀光栅幅值光栅幅值光栅相位光栅相位光栅光栅的分类光栅的分类 根据栅线形式不同，分为黑白光栅和

5、闪耀光栅。根据栅线形式不同，分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光黑白光栅栅是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，亦称幅值是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，亦称幅值光栅；光栅；闪耀光栅闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，亦称相位光是对入射光波的相位进行调制，亦称相位光栅。栅。 根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。透射光栅透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，如光学玻璃和制版玻是将栅线刻制在透明材料上，如光学玻璃和制版玻璃；璃；反射光栅反射光栅则将栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如则将栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀

6、金属膜。前者使光线通过光栅后产生明暗条不锈钢或玻璃镀金属膜。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。光栅的分类光栅的分类 长光栅的结构长光栅的结构 长光栅长光栅主要用于测量主要用于测量长度长度，条纹密度有每毫米，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。条等。径向光栅径向光栅切向光栅切向光栅 圆光栅圆光栅也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，用来测量用来测量角度或角位移角度或角位移。根据栅线刻划的方向分为。根据栅线刻划的方向分为径向光栅径向光栅和和切向光栅切向光栅 。圆光栅的结构圆光栅的结构 光源

7、光电元件透镜主光栅指示光栅光栅传感器由光栅传感器由光源、透镜、主光栅（标尺光栅）、指示光源、透镜、主光栅（标尺光栅）、指示光栅和光电元件光栅和光电元件构成。光源和透镜组成照明系统，光线经过构成。光源和透镜组成照明系统，光线经过透镜后成平行光投向光栅。主光栅与指示光栅在平行光照射透镜后成平行光投向光栅。主光栅与指示光栅在平行光照射下，形成下，形成莫尔条纹莫尔条纹。光电元件主要有光电池和光敏晶体管，它把莫尔条纹的光电元件主要有光电池和光敏晶体管，它把莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出。明暗强弱变化转换为电量输出。光栅传感器的组成光栅传感器的组成 主光栅的有效长度即为主光栅的有效长度即为测量范围测

8、量范围。必要时，主。必要时，主光栅可以接长。光栅可以接长。主光栅与指示光栅之间主光栅与指示光栅之间的距离的距离d可以根据光栅的可以根据光栅的栅距进行选择，一般取栅距进行选择，一般取d=W 2/，W为栅距，为栅距，为为有效光波长。有效光波长。测量系统的精度主要由测量系统的精度主要由主光栅的精度决定。主光栅的精度决定。光栅传感器的组成光栅传感器的组成 莫尔条纹莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角夹角时，由于时，由于挡光效应挡光效应(当线纹密度当线纹密度50条条/mm时时)或光的或光的衍射衍射作用作用(当线纹密度当线纹密度100条条/mm时时)

9、，则在近似垂直于栅线方向上，则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条纹之间的纹之间的距离距离B称为称为莫尔条纹间距莫尔条纹间距。 莫尔条纹莫尔条纹 当光栅之间的夹角当光栅之间的夹角很小，且很小，且两光栅的栅距都为两光栅的栅距都为W时，莫尔时，莫尔条纹间距条纹间距B（a-a间距）为间距）为 2sin2WWBKWK为放大倍数。为放大倍数。 由于由于值很小，条纹近似与值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为栅线方向垂直，因此称为横向横向莫尔条纹莫尔条纹。莫尔条纹莫尔条纹 （2）位移放大位移放大：由于：由于值很小，光

10、栅具有位移放大作用，放值很小，光栅具有位移放大作用，放大系数为：大系数为： 1BKW（3）减小误差减小误差：莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的。：莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的。对光栅的刻线误差有平均作用。个别栅线的栅距误差或断线对光栅的刻线误差有平均作用。个别栅线的栅距误差或断线等疵病对莫尔条纹的影响很小，从而提高了光栅传感器的可等疵病对莫尔条纹的影响很小，从而提高了光栅传感器的可靠性和测量精度。靠性和测量精度。 （1）运动对应关系运动对应关系：任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移：任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移动一个栅距动一个栅距W，莫尔条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距；，莫尔

11、条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距；光栅反方向移动时，莫尔条纹也作反方向移动。因此可以通光栅反方向移动时，莫尔条纹也作反方向移动。因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅（或指示光过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向。栅）的位移量和位移方向。莫尔条纹特征莫尔条纹特征 通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫，莫尔条纹就变化一个周期尔条纹就变化一个周期2，通过光电转换元件，可将莫尔通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的，电压的大小对应于与莫尔条

12、纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。量的叠加。 0sin360mxUUUW式中式中W栅距；栅距；x主光栅与指示光栅间瞬时位移；主光栅与指示光栅间瞬时位移；U0直流电压分量；直流电压分量；Um交流电压分量幅值；交流电压分量幅值；U输出电压。输出电压。光栅信号输出光栅信号输出 将该电压信号将该电压信号放大、整形放大、整形使其变为方波，经使其变为方波，经微分电路微分电路转换转换成脉冲信号，再经过成脉冲信号，再经过辨向电路辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。

13、器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为位移量为脉冲数脉冲数与与栅距栅距的乘积：的乘积：xNW 光栅信号输出光栅信号输出 由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断断x移动的方向。为了能够辨别方向，需要在移动的方向。为了能够辨别方向，需要在间距为间距为B/4的的位置设置两个光电元件位置设置两个光电元件，以得到两个相位差为，以得到两个相位差为90的正弦的正弦信号，然后将信号送到信号，然后将信号送到辨向电路辨向电路中去处理。中去处理。 辨向电路辨向电路 u1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu2u1u1u1Wu1WY1Y2Hu1

14、u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu2u1u1u1Wu1WY1Y2H（a）（b）当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件1和和2分别输出分别输出如前图（如前图（a）所示的电压信号）所示的电压信号u1、u2，经过放大整形后得到相位相差，经过放大整形后得到相位相差90的两个方波信号的两个方波信号u1、u2。u1经反相后得到方波经反相后得到方波u”1。u1和和u”1经经RC微分微分电路后得到两组光脉冲信号电路后得到两组光脉冲信号u1w和和u”1w，分别加到与门，分别加到与门Y1和和Y2的输入端。的输入端。对与门对与门Y1，由于，由于u1w

15、处于高电平时处于高电平时u2总是低电平，故脉冲被阻塞总是低电平，故脉冲被阻塞Y1无输无输出。对与门出。对与门Y2，u1w处于高电平时处于高电平时u2也正处于高电平，故允许脉冲通过，也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置并触发加减控制触发器使之置“1”，可逆计数器对与门，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进输出的脉冲进行加法计数。行加法计数。同理，当主光栅反向移动时，输出信号波形如图（同理，当主光栅反向移动时，输出信号波形如图（b）所示，与门）所示，与门Y2阻塞，阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门，可逆计数器对与门Y1输出的输出的脉冲进

16、行减法计数。这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一脉冲进行减法计数。这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数即代表光栅位移。个脉冲，计数器所计的脉冲数即代表光栅位移。 辨向电路辨向电路 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨率为光若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。栅栅距。 为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量，可以为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量，可以增加增加刻线密度刻线密度，但这种方法制造、安装及调试困难；，但这种方法制造、安装及调试困难； 采用采用细分技术细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，：它是在莫尔条纹信号

17、变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。 在一个莫尔条在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，使光栅每移动一个栅距纹的间隔内，放置若干个光电元件，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到使分辨率提高到W/n。细分电路细分电路 四倍频细分法四倍频细分法 在辨向原理中已知，在相差在辨向原理中已知，在相差B/4位置上安装两个光位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差电元件，得到两个相位相差/2的电信号。的电信号。 若将这两个信号反相就可以得

18、到四个依次相差若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的的信号，从而可以在移动信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数一个栅距的周期内得到四个计数脉冲脉冲，实现四倍频细分。，实现四倍频细分。细分方法有多种，如细分方法有多种，如直接细分直接细分、电桥细分、锁相、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等，直接细分又称为细分、调制信号细分、软件细分等，直接细分又称为位置细分，常用的是四倍频细分。位置细分，常用的是四倍频细分。细分电路细分电路 四倍频细分电路及波形四倍频细分电路及波形 脉冲细分 细分技术能在不细分技术能在不增加光栅刻线数及价增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅格的情况下

19、提高光栅的分辨力。细分前，的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用个栅距的大小。采用4 4细分技术后，计数细分技术后，计数脉冲的频率提高了脉冲的频率提高了4 4倍，相当于原光栅的倍，相当于原光栅的分辨力提高了分辨力提高了3 3倍，倍，测 量 步 距 是 原 来 的测 量 步 距 是 原 来 的1/41/4，较大地提高了，较大地提高了测量精度。测量精度。细分前细分前细分后细分后光栅细分举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分细分，则：，则： 分辨力分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m

20、 采用细分技术，采用细分技术，在不增加光栅在不增加光栅刻线数刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。倍。为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡） 内部包含以下电路：放大、整形、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同上页功能同上页光栅传感器产品光栅传感器产品 线位移光栅传感器线位移光栅传感器 圆光栅编码器圆光栅编码器 数控机床位置控制框图数控机床位置控制框图 由控制系统生成的指令由控制系统生成的指令Pc控制工作台移动，光栅传感器不控制工作台移动，光栅传感器不断检

21、测工作台的实际位置断检测工作台的实际位置Pf并进行反馈，形成位置偏差并进行反馈，形成位置偏差Pe，调，调整工作台的位置。当整工作台的位置。当Pe=0时，表示工作台已到达指令位置。时，表示工作台已到达指令位置。光栅数字传感器的应用光栅数字传感器的应用 10.2码盘式传感器码盘式传感器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字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。代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类： ()脉冲盘式编码器增量编码器编码器 码盘式编码器（绝对编码器）编码器编码器

22、 v 角度编码器角度编码器是测量角位移的最直接、最有效的数字式传感是测量角位移的最直接、最有效的数字式传感器，它把角位移直接转换成器，它把角位移直接转换成脉冲脉冲或或二进制编码二进制编码，分为，分为增量增量编码器（脉冲盘式）编码器（脉冲盘式）和和绝对编码器（码盘式）绝对编码器（码盘式）。v 按结构分为按结构分为光电式光电式、接触式和电磁式三种。光电式具有非、接触式和电磁式三种。光电式具有非接触、体积小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特点，接触、体积小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特点，在数控机床、机器人位置控制等领域有广泛应用。在数控机床、机器人位置控制等领域有广泛应用。v 光电式编码器是在

23、透明材料的圆盘上精确地印制上二进制光电式编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码编码“0或或1”不透光或透光区域。不透光或透光区域。 码盘式传感器码盘式传感器 标准二进制编码器标准二进制编码器(8421码盘码盘) 红色不透光红色不透光“0” 四位光电码盘上，有四四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内圈数字码道，在圆周范围内编码数为编码数为24=16个。个。 每个数位都对应有一个每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。光电器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，的电信号，经放

24、大整形后，成为相应数字信号。成为相应数字信号。角度分辨率为：角度分辨率为：n2360v 由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生交替位置时，就会产生读数误差读数误差。 例如，当码盘由位置例如，当码盘由位置“0111”变为变为“1000”时时四位数要四位数要同时变化，可能将数码误读成同时变化，可能将数码误读成1111、1011、1101、0001等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值非单值性误差。性误差。 实际绝对编码器常采用实际绝对编码器常采用二进制循环码盘（格雷码盘

25、）二进制循环码盘（格雷码盘）；码盘式传感器码盘式传感器格雷码盘格雷码盘 任意相邻的两个代码任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，间只有一位代码有变化，即由即由“0”变为变为“1”或或“1”变为变为“0”。 因此，读数误差最多因此，读数误差最多不超过不超过“1”，只可能读成，只可能读成相邻两个数中的一个数相邻两个数中的一个数有效消除非单值性误差。有效消除非单值性误差。码盘式传感器码盘式传感器码盘最外圈上的信码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位交线错开，只有信号位处的光电元件有信号才处的光电元件有信号才能读数，这样就不会产能读数，这样就不会产生非单值性误差

26、。生非单值性误差。 信号位信号位 码盘式传感器码盘式传感器10.2.2 光电式编码器光电式编码器 接触式编码器的分辨率受电刷的限制不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触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。水平。 1光电式编码器的结构和工作原理光电式编码器的结构和工作原理 光电式码盘的最大特点是非接触式，它主要编码圆光电式码盘的最大特点是非接触式，它主要编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元盘（码盘

27、）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构如图件等组成。基本结构如图12-2所示。码盘构造如图所示。码盘构造如图12-2所示，当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮所示，当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为信号，前者为“1”，后者为，后者为“0”。当码盘旋至不同位置。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码时，光敏元件输出信号的组合，反映出按

28、一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。124531 光 源 ； 2 透 镜 ； 3 码 盘 ； 4 窄 缝 ； 5光 电 元 件 组1光源；2透镜；3码盘；4光电元件组图122 光电式编码器示意图图123 六位二进制码盘构造 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分辨率。提高光电式编码器测量精度和分辨率的方法有常辨率。提高光电式编码器测量精度和分辨率的方法有常规的增加码盘刻线数和利用法即插值法两种。规的增加码盘刻线数和利用法即插值法两种。例如，若例如，若

29、码盘已具有码盘已具有14条条(位位)码道，在码道，在14位的码道上增加位的码道上增加1条专条专用附加码道，用附加码道，见下图所示。附加码道的的扇形区的形状见下图所示。附加码道的的扇形区的形状和光学的几何结构与前和光学的几何结构与前14位有所差异，且使之与光学分位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦彼输解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦彼输出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信弓再经过零比

30、较器转换为一系列脉冲，出。各正弦波信弓再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号。于是从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号。于是产生了附加的低位的几位有效数值。下图所示的产生了附加的低位的几位有效数值。下图所示的19位光位光电编码器的插值器产生电编码器的插值器产生16个正弦波信号。每两个正弦信个正弦波信号。每两个正弦信号之间的相位差为号之间的相位差为/8，从而在，从而在14位编码器的最低位编码器的最低有效数值间隔内插入了有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相当于附加个精确等分点，即相当于附加5位位二进制数的输出，使编码器的分辨率从二进制数的输出，使编码

31、器的分辨率从2-14提高到提高到2-19，角位移小于角位移小于3秒。秒。10.2.3.电磁式编码器电磁式编码器 电磁式编码器是近几年发展起来的新型电磁式编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成。传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成。 多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓；另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性鼓；另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。材料而制成。 v 电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），

32、采用小型磁环或采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁环或磁头紧靠码盘，但又不与微型马蹄形磁芯作磁头，磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。组匝数比和整个磁路的磁导有关。当磁头对准磁化区时，当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类磁路饱和，输出电压很低

33、，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器，输出电压会很高，因此可以区分状态似于变压器，输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器有精度高，寿命长，工电磁式编码器有精度高，寿命长，工作可靠等特点，对环境条件要求较低，但作可靠等特点，对环境条件要求较低，但成本较高。成本较高。 10.2.4、脉冲盘式数字传感器、脉冲盘式数字传感器 脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生几位编码输器一般只有三个码道，它不能直接产生几位编码输出，故它不具有绝对码

34、盘码的含义，这是脉冲盘式出，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。编码器与绝对编码器的不同之处。 增量编码器增量编码器 一般只有三个码道，不直接输一般只有三个码道，不直接输出编码。出编码。外码道外码道产生计数脉冲的产生计数脉冲的增量码道；增量码道；内码道内码道辨向码道，其辨辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相向方法与光栅的辨向原理相同。同。中间码道中间码道开有一个窄缝，开有一个窄缝，用于产生定位或零位信号。用于产生定位或零位信号。光电脉冲信号通过整形、放大、细分、辨向后输出脉光电脉冲信号通过整形、放大、细分、辨向后输出脉冲信号或显示角位移，分辨率以每转脉冲数表

35、示。冲信号或显示角位移，分辨率以每转脉冲数表示。v 1增量编码器的结构和工作原理增量编码器的结构和工作原理v 增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈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。（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，如下在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下图所示。图所示。v当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域

36、，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差90的两相（的两相（A、B两路）脉冲脉冲和一个零位两路）脉冲脉冲和一个零位(C相相)脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与脉冲输出。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。绝对编码器一样，主要取决于码盘本身的精度。 2旋转方向的判别旋转方向的判别 为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用利用A、B两相脉冲来实现。光电元件两相脉冲来实现。光电元件A、B

37、输出情号输出情号经放大整形后，产生经放大整形后，产生P1和和P2脉冲。将它们分别接到脉冲。将它们分别接到D触发器的触发器的D端和端和CP端，由于端，由于A、B两相脉冲两相脉冲(P1和和P2) 脉脉冲相差冲相差90，D触发器触发器FF在在CP脉冲脉冲(P2)的上升沿触发。的上升沿触发。正转时正转时P1脉冲超前脉冲超前P2脉冲，脉冲，FF的的Q“1”表示正转；表示正转；当反转时，当反转时，P2超前超前P1脉冲，脉冲，FF的的Q“0”表示反转。表示反转。可以用可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。即可将光电脉冲变成编码输出。C

38、相脉冲接至计数器相脉冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复的复值端，实现每码盘转动一圈复位一次计数器的位一次计数器的目的。目的。v 码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对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。于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。v 除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了光纤增除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广泛的应用。泛的应用。光电编码器的应用光电编码器的应用 v 除了测量角位移，还可通过脉冲测量转速。除了测量

39、角位移，还可通过脉冲测量转速。f为脉冲频率：为脉冲频率： 每转产生每转产生N个脉冲，在个脉冲，在T 时间内测时间内测得得m个脉冲，则转速为：个脉冲，则转速为：6060(r/min)fmnNNT每转产生每转产生N个脉冲，测得两相邻脉个脉冲，测得两相邻脉冲间包含冲间包含m2个时钟脉冲，时钟周期个时钟脉冲，时钟周期为为Tc，则转速为：，则转速为：260()cnN m T光电编码器产品光电编码器产品 10.3 磁栅传感器磁栅传感器(Magnetic Grating Transducer) 磁栅传感器由磁栅（即磁盘）、磁磁栅传感器由磁栅（即磁盘）、磁头和检测电路组成。磁栅用于记录一定头和检测电路组成。磁

40、栅用于记录一定功率的正弦或矩形信号；磁头的作用是功率的正弦或矩形信号；磁头的作用是读写磁栅上的磁信号，并转换为电信号。读写磁栅上的磁信号，并转换为电信号。10.3.1.磁栅的结构磁栅的结构磁栅结构如图磁栅结构如图12-11所示。所示。 （a）尺形长磁栅；（b）带形长磁栅（c）同轴形长磁栅；（d）圆磁栅图1211 几种常用的磁栅结构10.3.2 磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的工作原理 磁栅传感器的磁头一般分为静态和动态磁栅传感器的磁头一般分为静态和动态两种，由读取信号的方式决定。两种，由读取信号的方式决定。 静态磁头的结构如图静态磁头的结构如图12-13（a）所示，）所示，静态磁头与磁栅间无相

41、对运动，一般由若干静态磁头与磁栅间无相对运动，一般由若干个磁头串行连接构成多间隙静态磁头体。在个磁头串行连接构成多间隙静态磁头体。在H铁心上绕激磁线圈铁心上绕激磁线圈L1和输出线圈和输出线圈L2，当在激磁绕组上施加交变激磁信号时，当在激磁绕组上施加交变激磁信号时，H铁铁心的中间部分在每个周期内两次被激磁信心的中间部分在每个周期内两次被激磁信号作用产生磁通导致饱和。此时因铁心的号作用产生磁通导致饱和。此时因铁心的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头头,使得输出绕组无感应电势输出。只有当使得输出绕组无感应电势输出。只有当激磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅激磁

42、信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过铁心在输出绕组上上的信号磁通才能通过铁心在输出绕组上产生感应电势。产生感应电势。 （a）静态1磁头；2磁栅；3输出波形图1213 静磁头的工作原理 动态磁头仅有一组输出绕组，如图动态磁头仅有一组输出绕组，如图12-13（b）。动态磁头只有相对运动才有信号）。动态磁头只有相对运动才有信号输出，输出信号的幅值随运动速度而变化。输出，输出信号的幅值随运动速度而变化。为了保证一定幅值得输出，通常规定磁头以为了保证一定幅值得输出，通常规定磁头以一定速度运行。因此，动态磁头不适合长度一定速度运行。因此，动态磁头不适合长度测量。当磁头以一定速度运行时，磁头

43、输出测量。当磁头以一定速度运行时，磁头输出一定频率的正弦信号，且在一定频率的正弦信号，且在N-N处信号达到处信号达到正向峰值，在正向峰值，在S-S处信号达到负向峰值。处信号达到负向峰值。（b）动态1磁头；2磁栅；3输出波形图1213 动态磁头的工作原理10.3.3. 磁栅传感器的测量原理磁栅传感器的测量原理 实际应用中，磁栅传感器测量常采用实际应用中，磁栅传感器测量常采用鉴幅法和鉴相法两种。鉴幅法和鉴相法两种。1 、鉴幅法、鉴幅法 一般采用两个多间隙静态磁头来读取一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号。若两磁头的间距为磁栅上的磁信号。若两磁头的间距为（n1/4）W（n为正整数），那么两

44、激磁为正整数），那么两激磁信号的相差为信号的相差为/4。 由前述内容可知，两磁头输出信号相差由前述内容可知，两磁头输出信号相差/2。若两磁头的激磁绕组加同相的正弦激。若两磁头的激磁绕组加同相的正弦激磁信号，则两磁头的输出信号为磁信号，则两磁头的输出信号为tWxUumsin2sin1tWxUumsin2cos2经滤除高频载波后，得到与位移量经滤除高频载波后，得到与位移量x成正比的成正比的信号为：信号为：WxUUm2sin/1WxUUm2cos/2 式中式中 是与位移成正比的正弦信号，是与位移成正比的正弦信号，经过适当处理后变可得到位移量，这就是所谓的经过适当处理后变可得到位移量，这就是所谓的鉴幅

45、法。鉴幅法。/2/1UU、2 鉴相法鉴相法 若激磁绕组上施加相位差为若激磁绕组上施加相位差为/4的正弦激励的正弦激励信号或将输出信号移相信号或将输出信号移相/2，则两磁头输出信号，则两磁头输出信号为为 tWxUumcos2sin11tWxUumsin2cos22将将u1和和u2叠加，在叠加，在uU1m=U2m=Um的条件下：的条件下：)2sin(21tWxUuum 上式表示输出信号是一个幅值不变，但相上式表示输出信号是一个幅值不变，但相位与磁头、磁栅相对位移量有关的信号，这就位与磁头、磁栅相对位移量有关的信号，这就是鉴相法。是鉴相法。10.4 感应同步器感应同步器 v 感应同步器由感应同步器由

46、两个印刷电路绕组两个印刷电路绕组构成，类似于变压器的初、构成，类似于变压器的初、次级绕组，又称平面变压器。次级绕组，又称平面变压器。 v 相对位移会引起两个绕组间的相对位移会引起两个绕组间的互感量互感量变化，因此可以测量变化，因此可以测量位移，分为位移，分为直线型（直线位移）直线型（直线位移）和和圆盘型（角位移）圆盘型（角位移）。v 直线型感应同步器的基本结构：直线型感应同步器的基本结构： 由定尺和滑尺组成由定尺和滑尺组成定尺安装在固定部件上（如机床台定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。 绕组分布不同

47、绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。分段定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差绕组分为两组，布置成在空间相差90 相角，又称为正、余相角，又称为正、余弦绕组。弦绕组。直线型感应同步器的绕组结构直线型感应同步器的绕组结构 节距节距 v 圆盘式感应同步器（旋转式）圆盘式感应同步器（旋转式） 圆盘式感应同步器圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。感应同步器感应同步器 v 定尺或滑尺其中一种绕组上通以定尺或滑尺其中一种绕组上通

48、以交流激励电压交流激励电压，由于，由于电磁电磁耦合耦合，在另一种绕组上就产生，在另一种绕组上就产生感应电动势感应电动势，该电动势随定，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出对此信号的处理，便可测量出直线位移量直线位移量。感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 定尺与滑尺间的定尺与滑尺间的气隙应保持在气隙应保持在0.250.05mm范围内。范围内。感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 在滑尺上施加的正弦激磁电压为：在滑尺上施加的正弦激磁电压为： 正弦或余弦绕组在定尺上相应产生的感应电势分别为：正弦或余弦绕组在定尺上相应产生的感应电势分别为： 22sincossincosSmSmek Utxek UtxWW 或 22sinsinsinsinCmCmek Utxek UtxWW 或 sinimuUt感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 式中式中x机械位移；机械位移；W绕组节距；正、负号表示滑绕组节距；正、负号表示滑尺移动的方向。尺移动的方向。 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 v 感应同步器的输出信号是一个反映定尺与滑尺相对位移的感应同步器的输出信号是一个反映定尺与滑尺相对位移的交变感应电势交变感应电势，可以通过，可以通过鉴相法鉴相法或或鉴幅法鉴幅法对输出信号