数字量传感器

工程测试技术栅式(光栅、磁栅)传感器编码式(接触式、光电式、电磁式)传感器频率输出式传感器感应同步器式传感器数字传感器的分类5数字量传感器5数字量传感器5.1

光电编码器5.2

光栅传感器5.3

感应同步器机电工程测试技术第一节

光电编码器5数字量传感器光电编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的检测器件（增量编码器、绝对编码器）。5.1光电编码器问题：存在读数误差非单值误差2、增量编码器5.1光电编码器5.1光电编码器2、增量编码器3、光电编码器的应用——数字测速5.1光电编码器光栅：基体（光学玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的光学元件。分透射光栅和反射光栅。2）栅距：W＝a+b

。通常a=b或a:b=1.1:0.9。

光栅常数通常用刻线密度来表示25，50，100，250条/mm。5.2光栅传感器4、直线位移测量---光栅尺5.1光电编码器反射式5.1光电编码器透射式问题：1）受光电元件尺寸限制，刻线不可能过密，分辨力低

2）受加工精度等限制，刻线的不均匀导致精度差第二节

光栅传感器5数字量传感器1、光栅传感器结构与测量原理光源标尺光栅指示光栅光电元件测量范围－－标尺光栅的有效长度1）结构5.2光栅传感器两个光栅组成，栅线呈一定夹角。利用莫尔条纹进行测量。播放动画长光栅莫尔条纹——演示7.2光栅传感器2）莫尔条纹的形成均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动5.2光栅传感器圆光栅莫尔条纹7.2光栅传感器播放动画播放中……单击准备演示θ

0环形莫尔条纹——演示7.2光栅传感器特例：当

=0,w1=w2

→B=

→光闸莫尔条纹当

=0,w1≠w2

→纵向莫尔条纹3）莫尔条纹的宽度5.2光栅传感器播放动画长光栅光闸莫尔条纹——演示5.2光栅传感器4)莫尔条纹的特点②对应关系莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B。因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。③放大作用由公式B=W/θ可知，当W一定，θ越小时，莫尔条纹间距B越大。①平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。5.2光栅传感器5）光栅位移与输出关系光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。B=W/θ莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。注意事项：5.2光栅传感器2、辨向原理两个感光元件相差1/4周期5.2光栅传感器辨向电路条纹下移：5.2光栅传感器条纹下移：5.2光栅传感器条纹上移：5.2光栅传感器脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。得出：被测物体位移＝栅距×脉冲数【例】先正向移动11个脉冲，而后反向移动5个脉冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移8个栅距。5.2光栅传感器3、细分技术细分方法：机械细分：增加刻线密度。电子细分：在一个莫尔条纹的间隔内，增加计数脉冲数。问题的提出：如何提高分辨力？5.2光栅传感器辨向原理：

在相差B/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号。5.2光栅传感器四倍频细分法

2)仍为2个光敏元件，若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。

1)采用4个光敏元件就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。5.2光栅传感器5.2光栅传感器HeiDenHain的细分设备对正弦输出信号进行细分，细分倍数可达100倍，并转换为TTL方波脉冲信号；IBV60005.2光栅传感器敞开式直线光栅尺5.2光栅传感器直线光栅尺5、光栅传感器的特点优点：分辨力高(可达1μm或更小）测量范围大（几乎不受限制）动态范围宽易于实现数字化测量和自动控制缺点：对使用环境要求较高，在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。5.2光栅传感器6、光栅传感器的应用1．位置测量5.2光栅传感器2．测长仪5.2光栅传感器5.2

光栅传感器7、其它栅类传感器1）容栅：由两个电容标尺和检测电路组成全重叠时，C=Cmax不重叠时，C=0数显游标卡尺误差平均效应5.2光栅传感器7、其它栅类传感器2）磁栅：由磁性标尺、磁头和检测电路组成5.2光栅传感器5.2光栅传感器5.2光栅传感器7、其它栅类传感器3）球栅：由线圈、钢球、不导磁管和检测电路组成绕组：自感式传感器铝、陶瓷、不锈钢…5.2光栅传感器光栅：光刻um级，莫尔条纹，灵敏度高；抗污、抗震性能差。磁栅：磁带便宜，但使用寿命不如光栅，容易退磁；精度差一般为1～5um。特点对比：容栅：间距大，精度不高；但电容为储能元件，电荷工作方式，电流小，消耗能量小，体积也可以很小。球栅：钢球mm级别，但是外有不导磁管，封闭性好，抗污性强。5.2光栅传感器数字量传感器作业8光栅作业1、光栅传感器是依靠莫尔条纹哪三大特性来进行位移测量的？

第三节

感应同步器5数字量传感器

感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两大类。感应同步器的优点是：①具有较高的精度与分辨力；②抗干扰能力强；③使用寿命长，维护简单；④可以作长距离位移测量；⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。

广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。5.3感应同步器1、感应同步器的基本结构

由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同——定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90°相角，又称为正、余弦绕组。5.3感应同步器感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二次线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。圆盘式感应同步器由定子和转子组成，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。5.3感应同步器2、感应同步器的工作原理当定尺和滑尺产生相对线位移时，或定子与转子产生相对角位移时，两绕组间的耦合状态发生变化，这时，在定尺和转子绕组上感应出一个与位移有关的电压信号，由此可以测定位移量的大小。5.3感应同步器5.3感应同步器5.3感应同步器5.3感应同步器5.3感应同步器数显表是一种高精度位移测量仪、广泛应用于航空、航海及数控机床等的精度测量和定位跟踪方面。特点：1)准确测量静态位移量，又能在运动中输出动态移量。2)精度高、速度快、体积小、重量轻。3)抗干扰能力强。4)数码显示，操作简单。主要技术指标：1)显示范围：角度测量0－359.999°，直线测量0－9999.999mm。2)分辨率：角度0.001°（3.6"）或0.00028°(1"），直线0.001mm。3)动态精度：≤7.2"。4)静态精度：角度±3.6"或±1"，直线：±1μm。3、感应同步器的应用——数显表5.3感应同步器常用位移传感器一览表（数字量）型式测量范围精确度直线性特点感应同步器直线式10-3~104mm①2.5μm~250mm模拟和数字混合测量系统，数字显示(直线式感应同步器的分辨力可达1μm)旋转式0o~360°±0.5°计量光栅长光栅10-3~103mm①3μm~1m同上(长光栅分辨力可达1μm)圆光栅0o~360°±0.5”磁尺长磁尺10-3~104mm①5μm~1m测量时工作速度可达12m/min圆磁尺0o~360°±1”角度编码器接触式0o~360°10-6rad分辨力好，可靠性高光电式0o~360°10-6rad型式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移1~300mm①±0.1%±0.1%分辨力较好，可静态或动态测量。机械结构不牢固角位移0~360°±0.1%±0.1%变阻器式线位移1~1000mm①±0.5%±0.5%结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大角位移0~60r±0.5%±0.5%应变式非粘贴的±0.15%应变±0.1%±1%不牢固粘贴的±0.3%应变±2%~3%使用方便，需温度补偿半导体的±0.25%应变±2%~3%满刻度

±20%输出幅值大，温度灵敏性高电感式自感式变气隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移测量螺管型1.5~2mm测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差特大型300~2000mm①0.15%~1%差动变压器±0.08~75mm①±0.5％±0.5%分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式±2.5~±250mm①±1%~3%＜3%分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响同步机360°±0.1°~±7°±0.5%可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感微动同步器±10°±1%±0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器±60°±0.1%电容式变面积10-3~103mm①±0.005%±1%受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响变间距10-3~10mm①0.1%分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性霍尔元件±1.5mm0.5%结构简单，动态特性好仿生传感器仿生传感器的背景与现状

仿生传感器是目前热门的研究领域。人们对人或其他动物的各种感觉如视觉，听觉，感觉，嗅觉和思维等行为进行模拟，研制出了自动捕获和处理信息，模仿人或动物行为的装置，这就是仿生传感器。机器人使用的传感器就是仿生传感器的典型应用,目前各国对此类传感器的研制和开发都非常重视。电子皮肤日本东京大学染谷隆夫和樱井贵康教授的联合研究小组开发出可测试自由曲面压力和温度分布的人工电子皮肤。电子皮肤由塑料网状薄布制造，有机材料制成的感应器与读取用晶体管连接在网眼交接处。网状电子皮肤能够伸长25%，可贴在鸡蛋等自由曲面上进行传感测量。１０００个以上的压力传感器英研制新型机器人可实时模仿10种人类表情

仿生传感技术的研究模型的建立生物体的某个功能生物模型数学模型技术模型技术装置与生物的功能相似仿生传感器的主要类型和应用视觉传感器嗅觉传感器听觉传感器味觉传感器触觉传感器接近觉传感器力觉传感器和滑觉传感器一、视觉传感器电视摄像机＋固态图像传感器＋计算机工作过程：视觉检测图像分析图像描述识别光电转换A/