自动检测技术 教学课件第7章 数字式传感器

第七章数字式传感器

本章的主要内容：

1数字式角编码器：绝对式编码器、增量式编码器、编码器的应用；

2光栅传感器：光栅结构、工作原理、光栅传感器的应用；

3磁栅传感器：磁栅、磁头、信号处理、磁栅传感器应用；

4感应同步器：感应同步器结构、工作原理、信号处理、感应同步器应用。

需要掌握的知识：

1理解数字式角编码器的原理及应用；

2了解光栅传感器的结构，掌握光栅传感器的原理；

3了解磁栅传感器的的结构、掌握磁栅传感器的工作原理、信号处理方式；

4了解感应同步器的结构、掌握感应同步器的工作原理、信号处理方式；

5学会应用数字式传感器测量位移、转速等非电量。

7.1数字式角编码器数字式角编码器1绝对式编码器2增量式编码器导轨丝杆—螺母副旋转式位置传感器运动部件7.1.1绝对式光电编码器绝对式编码器是按照角度直接进行编码的传感器，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式和电磁式等形式；具有非接触、体积小、重量轻、可靠性好、不易受磁场干扰等优点；广泛应用于数控机床、机器人、雷达等领域。下面以光电式传感器为例介绍绝对式编码器的原理。

可以根据二进制编码确定码盘转过的角度，也可以测量码盘的转速。

7.1.2增量式编码器能分辨的最小角度为分辨率

LED转轴导线连接座光栏板零标志位光槽码盘光敏元件例如，条纹数为1024，则分辨角度=360º/1024=0.325º。7.1.3角编码器的应用

1．在交流伺服电动机中的应用三相电源连接座转子轴电动机光电编码器编码器信号输出连接座光电编码器在交流伺服电动机控制中起的作用：1）提供电动机定、转子之间相互位置的数据；2）通过F／V(频率／电压)转换电路提供速度反馈信号；3）提供传动系统角位移信号，作为位置反馈信号。2．工位编码

这种编码方式在加工中心的刀库选刀控制中得到广泛应用。

绝对式编码器电动机转轴转盘工件刀具7.2光栅传感器

7.2.1光栅的类型和结构物理光栅：利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定计量光栅：利用光的透射和反射现象，常用于位移测量

按工作原理分类按形状分类透射式光栅反射式光栅均由光源、光栅副、光敏元件组成圆光栅：用于角位移测量

长光栅：用于直线位移测量

由标尺光栅(主光栅)和指示光栅组成（光栅副）光源透镜1狭缝透镜2光敏元件主光栅指示光栅光源透镜1透镜2光敏元件主光栅指示光栅透射式光栅一般是用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区，如图a）所示；反射式光栅一般使用不锈钢作基体，在其上用化学方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区，如图b）所示。b)反射式光栅

a)

光学玻璃透射式直光栅

计量光栅的种类称为光栅常数，或称栅距。光栅尺扫描头电缆光源透镜指示光栅标尺光栅零位光栅光敏元件

直线光栅栅线密度一般为10线／mm、25线／mm、50线／mm、100线／mm和200线／mm等几种。圆光栅，角节距，每周的栅线数从100线到21600线不等。7.2.2光栅副的工作原理莫尔条纹：亮带和暗带形成明暗相间的条纹等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹光栅位移与光强及输出电压的关系

莫尔条纹有如下特征：

1)莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。

2）当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。

3)莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距。

4)莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。7.2.3辨向及细分

（一）辨向原理在与莫尔条纹相垂直的方向上，在相距(1／4)的距离处设置sin和cos两套光敏元件，这样就可以得到两个相位相差的电信号和，经放大、整形后得到和两个方波信号、，分别送到图7-13a所示的辨向电路中。（二）细分技术

在不增加光栅刻线数的情况下提高光栅的分辨力。细分方法：四倍频细分法、十六倍频细分法、计算机细分法等数种。

辨向逻辑电路原理图a)辨向电路

b)正向电路波形图c)反向运动的波形图例细分数4，光栅刻线数100线／mm，求细分后光栅的分辨力。解栅距1/100mm=0.01mm0.01/4mm=0.0025mm=2.5

图7-14四倍频细分原理a)逻辑电路b)波形(正向运动)(三)零位光栅零位光栅信号与光栅计数脉冲要同步，如右图(四)信号波形在增量式光栅中，输出信号的波形有经过数字化处理后的方波信号，也有正弦波信号。方波输出信号可以和‘TTI电路相适配，高电平在2.5V以上，低电平低于0.5V。

正弦波输出信号一般都是六路电流信号。

7.2.4光栅传感器的应用

光栅测量精度高，测量范围可达数十米，而且不需要接长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广。必须注意防尘、防震问题。

1．微机光栅数显表的组成图7-14微机光栅数显表的组成框图2．在位置控制中的应用图7-15位置控制系统框图丝杆工作台光栅3．轴环式数显表外形电源线轴套数字显示器复位开关主光栅红外发光二极管指示光栅光敏三极管指示光栅主光栅外形内部结构测量电路框图

具有体积小、安装方便、读数直观、工作稳定、可靠性好、抗干扰能力强、性价比高等优点。适用于中小型机床。手柄紧固螺母轴环式数显表丝杠轴溜板轴环式数显表在车床的进给显示中的应用7.3磁栅传感器

磁栅传感器是由磁栅(又名磁尺)与磁头组成。制作工艺简单、复制方便、易于安装、调整方便、测量范围广(从0.001mm到几m)、不需要接长，在大型机床的数字检测和自动化机床的自动控制等方面得到广泛的应用。7.3.1磁栅

1．磁栅的结构

磁栅基体磁性薄膜磁栅结构图磁栅录磁框图2．磁栅的类型

长磁栅：测量直线位移圆磁栅：测量角位移

尺形带形同轴形尺形带形同轴形3．对磁栅的要求基尺要求不导磁，线膨胀系数应与仪器或机床的相应部分相近似，良好的加工和电镀性能。当采用一般钢材作基尺材料时，必须用镀铜的方法解决绝磁的问题，铜镀层厚度约0.15一0.20mm。磁性薄膜要求剩磁感应要大，矫顽力要高，电镀要均匀。目前常用Ni-Co-P合金。磁尺表面要求长磁栅平直度0.005一0.01mm，圆磁栅的不圆度0.005一0.01mm，表面粗糙度要小，所录磁信号要求幅度均匀，幅度变化小于10%，节距均匀，满足一定精度要求。7.3.2磁头1.动态磁头磁芯材料为铁镍合金片；每片厚度为0.20mm，叠成需要的厚度(例如3mm窄型或18mm宽型)；前端放入0.01mm厚的铜片，后端磨光靠紧；线圈线径=0.05mm，匝数=2×1000～2×1200，电感=4.5H

。动态磁头磁栅读出的正弦信号2．静态磁头

N1=4×15～4×20匝，N2=100～200匝，线径0.1mm

静态磁头结构静态磁头磁栅磁头读出信号静态磁头读取信号7.3.3信号处理方式

下图的两个静态磁头(通常做成一体)，它们的输出电压为：经检波器后可得此两个电压相位差90°的信号送有关电路进行细分和辨向后输出计数。

2．鉴相方式将第一个磁头的励磁电流移相45°或将其读出信号输出移相90°，则

将两个磁头的输出用求和电路相加，则总输出输出电压的相位与位移量有关，只要鉴别出相移的大小，然后用有关电路进行细分与输出，就能测量出位移量的多少。7.3.4应用举例鉴频型磁栅数显表框图7.4感应同步器

7.4.1类型与结构1．直线形感应同步器（1）标准形

定尺和滑尺的基板一般选用磁导率高、矫顽力小、便于加工、不易变形的材料，而且要求其线膨胀系数与机床相似，如18钢或20钢，铸铁和非金属材料。

直线形：测量直线位移圆盘形：测量角位移定尺滑尺图7-27标准型感应同步器外形

绕组的栅距为(又称为定尺绕组的节距，=2mm),绕组导片宽度为，间隙为，故节距=2=2mm定尺绕组滑尺绕组感应同步器绕组结构

滑尺绕组结构余弦绕组（2）窄型

（3）带型

（4）三重型例如：设

=0.02(1°9´)，则

绕组导线斜置可扩大节距

2．圆盘形感应同步器7.4.2工作原理

绕组通电时磁力线流向图感应电动势与绕组相对位置关系7.4.3信号处理及应用举例

1．鉴相处理：根据输出感应电动势的相位来鉴别定滑尺间相对位移量的方法。

正弦绕组和余弦上的励磁电压分别为、假定：只考虑正弦绕组励磁，这时定尺绕组上的感应电动势为：

假定：只考虑余弦绕组励磁，这时定尺绕组上的感应电动势为：感应同步器定滑尺相对直线位移与定尺绕组的节距之比，对应于定滑尺之间相对位移角与定尺绕组输出电动势周期2之比，

即在定尺绕组上总的感应电动势为：此式表明了感应同步器定尺的输出感应电动势和感应同步器定滑尺间相对机械位移的函数关系。

鉴相式测量系统的框图2．鉴幅处理：根据定尺绕组输出感应电动势的幅值来鉴别定滑尺间的相对位移量。

正弦绕组和余弦绕组上的励磁电压分别为、如果只考虑正弦绕组励磁，则在定尺绕组上感应出来的电动势为如果只考虑余弦绕组励磁，则在定尺绕组上感应出来的电动势为

当定滑尺间有相对位移时，定尺绕组上的感应电动势应为和之和，即

设