数字式传感器课件

可编辑第10章数字式传感器10.1光栅传感器

10.2磁栅传感器

10.3感应同步器

10.4角数字编码器

10.5频率式数字传感器

1可编辑第10章数字式传感器

模拟式传感器——模拟量

传感器—

数字式传感器——数字量

数字式传感器的优点：

测量精度与分辨率高，无读数误差；

抗干扰能力强，稳定性好，易于远距离传输；

易于与微机接口，便于信号处理和实现自动化测控。

数字式传感器分类：

脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编码器；

数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。2可编辑10.1光栅传感器

物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等光栅线位移长光栅—长度测量计量光栅：莫尔条纹现象（透射式和反射式）角位移圆光栅—角度测量3可编辑10.1光栅传感器10.1.1光栅传感器的结构和原理10.1.1.1结构：

图10-1黑白透射式光栅示意图

4可编辑10.1光栅传感器

结构:

照明系统：普通白光源，GaAs固态光源等；

光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅；

光电接收元件：光电池或光敏三极管。

光栅：

刻线宽度a，刻线间距b，通常a=b=W/2；或a:b=1.1:0.9；

光栅栅距（或光栅常数）W=a+b；

光栅规格：10、25、50、100线/mm。5可编辑10.1光栅传感器10.1.1.2工作原理

1．莫尔（Moire）条纹的形成

光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻线之间保持很小的夹角

，由于遮光效应，在近于垂直栅线方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（Moire）条纹。如图10-2所示。

Moire条纹的间距B为图10-2光栅和横向莫尔条纹（10-1）

6可编辑10.1光栅传感器

2.莫尔（Moire）条纹的基本特性（1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对应关系；（2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间距B，由B=W/

知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移；（3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果；（4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分技术，提高测量分辨率。7可编辑10.1光栅传感器10.1.2光栅传感器的测量电路10.1.2.1光栅的输出信号

主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关系。

光电元件输出电压uo可表示为式中，Uav—输出信号的平均直流分量；Um—输出信号的幅值，Um=Uav。(10-2)8可编辑10.1光栅传感器

光栅输出信号的光电转换电路及其输出信号波形如图10-3所示。图10-3光栅输出信号

（a）光电转换系统示意图（b）输出信号波形9可编辑10.1光栅传感器

光栅传感器测位移x的原理：当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉冲，则位移量x为

x=NW(10-3)式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。

输出信号灵敏度：输出电压信号的斜率为(10-4)

由上式可见，当2

x/W=n

，即x=W/2、W、3W/2、…时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为Ku=2

Um/W(10-5)10可编辑10.1光栅传感器10.1.2.2辨向原理

计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。图10-4光栅辨向原理图11可编辑10.1光栅传感器

辨向原理：

在相距B/4位置设置两个光电元件1和2，得到两个相位差

/2的Moire条纹正弦电压信号u1和u2，然后送到辨向电路中去处理。正向移动（A）时，Y1输出脉冲，计数器作加法计数；反向移动（）时，Y2输出脉冲，计数器作减法计数。由此辨向，进行位移的正确测量。12可编辑10.1光栅传感器10.1.2.3细分技术

细分技术就是当Moire条纹变化一个周期时，输出若干个计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。

1.机械细分(位置细分或直接细分)

在一个Moire条纹间距上相距B/4依此设置四个光电元件。当Moire条纹变化一个周期时，可以获得依此相差

/2的四个正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图10-5），实现四细分。图10-5四倍频机械细分法

13可编辑10.1光栅传感器

2.电子细分（正、余弦组合技术）

电子细分只需在一个Moire条纹间距上相距B/4的位置设置两个光电元件，获得相差

/2的两个正弦信号

u1=Umsin(2

x/W)；u2=Umcos(2

x/W)

（10-6）（1）四倍频细分由u1、u2及其各自的反相信号u3、u4，可以获得依此相差

/2的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四细分。14可编辑10.1光栅传感器

（2）电阻电桥细分

图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载电阻无穷大，则电桥输出电压uo为

(10-7)

电桥平衡条件

R2u1+R1u2=0

令2

x/W=

，则式（10-6）改写为u1=Umsin

和u2=Umcos

，代入上式，得

tan=

R1/R2

（10-8）

R1/R2

x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/2图10-6电阻电桥细分原理

15可编辑10.1光栅传感器

由于R1/R2与位移x有严格的对应关系，用电桥平衡信号（uo=0）去触发施密特电路，便发出脉冲计数信号。从式（10-8）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是，如果同时用u1、u2的反向信号，便可在四个象限中得到任意的细分组合。图10-7就是这种电阻电桥10细分电路的例子。图10-7电阻电桥10细分电路16可编辑10.1光栅传感器

（3）电阻链细分法

电阻链细分实质上也是电桥细分，只是结构形式不同而已。如图10-8所示，对任一输出电压为零时，有如下关系10-8电阻链细分电路

（10-9）

17可编辑10.2磁栅传感器10.1.3零位光栅和绝对零位

光栅测量系统是一个增量式测量系统，在测量过程中，它只有相对零位。实际测量过程中需确定一个基准点，即绝对零位。零位光栅确定系统的绝对零位。零位光栅是在标尺光栅和指示光栅的原有刻线之外另行刻制的，最简单的零位光栅刻线是一条单独刻制的透光亮线。

圆光栅传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测量。18可编辑10.2磁栅传感器10.1.4光栅传感器的应用

光栅传感器因其测量精度高、量程大、易于实现系统的自动化和数字化，广泛应用于机械工业中数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量、机床运动链的比较和反馈校正以及工件和工模具形状的二维和三维坐标精密检测等方面。图10-13是透射长光栅传感器结构示意图。图10-13透射长光栅传感器19可编辑10.2磁栅传感器10.2.1磁栅传感器的结构和工作原理

结构：磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电路等组成，如图10-14所示。图10-14磁栅传感器示意图20可编辑10.2磁栅传感器

磁信号节距：

长磁栅，

=0.05mm，0.02mm两种；磁栅条数在100~30000之间。

磁头：动态磁头，非调制性磁头或速度响应式磁头；静态磁头，磁通响应式磁头或调制式磁头。21可编辑10.2磁栅传感器

原理：

动态磁头与磁栅间以一定速度相对移动时，磁头线圈输出正弦感应信号，信号的大小与移动速度有关。结构原理如图10-16所示。图10-16动态磁头结构与读出信号22可编辑10.2磁栅传感器

静态磁头为多间隙磁头，磁芯上具有两个绕组（激磁绕组N2和输出绕组N1），它根据激磁绕组所产生的磁感应强度和磁尺上的磁化强度的变化情况，输出一个与磁尺位置相对应的电信号。静态磁头结构如图10-17所示。图10-17静态磁头结构23可编辑10.2磁栅传感器24可编辑10.2磁栅传感器

静态磁头的工作原理如图10-18所示。激磁绕组相当于一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的

和Rm随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻Rm在磁芯中的作用相当于一个“磁开关”，对磁尺产生的磁通起“导通”和“阻断”作用，从而引起输出绕组的磁芯回路中的磁通变化，产生感应电动势。每一激磁电压周期内有两次磁通变化，感应电动势频率是激磁电压频率的2倍，幅值与磁尺所产生的磁通量大小成比例。25可编辑10.2磁栅传感器图10-18静态磁头磁栅传感器工作原理图262024/12/3027可编辑10.2磁栅传感器10.2.2磁栅传感器测量系统磁栅传感器测量系统都采用两个多间隙磁头来读出磁尺上的磁信号，如图10-14所示。双磁头间隔

/4安置，则两磁头的磁信号相位差

/4，输出绕组输出相位差

/2的两正弦信号

(10-14)式中，

—磁尺磁信号的空间波长；x—磁头在一个波长

内的位置状态；

—输出信号的频率，

=2

f（激励信号频率为f/2）；EO1、EO2—两输出信号的幅值，通过调整，可使EO1=EO2=EO。28可编辑10.2磁栅传感器

若采用鉴幅方式，则先经检波去掉高频载波，得

(10-15)

再送相关电路进行细分、辨向后输出。29可编辑10.2磁栅传感器

若采用鉴相方式，用两个相差

/4的激磁信号激励，则输出信号为

(10-16)将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为

(10-17)

这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。30可编辑10.2磁栅传感器10.2.3磁栅传感器的特点和误差分析

磁栅传感器录制的磁信号的空间波长

稍大于计量光栅的栅距W；

零磁栅录制比零位光栅刻线简单；

存在零位误差和细分误差；

系统总误差在±0.01

m以内；

分辨力为1~5

m.。31可编辑10.3感应同步器

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而制成的测位移的传感器，其输出是数字量，测量精度高，并且能测1m以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。32可编辑10.3感应同步器10.3.1感应同步器的结构和工作原理

结构：

直线式:滑尺（平面分段绕组，正、余弦绕组）和定尺（平面连续绕组）感应同步器旋转式(圆盘式)：转子（平面连续绕组）和

定子（平面分段绕组，正、余弦组）

感应同步器的连续绕组和分段绕组相当于变压器的原边绕组和副边绕组，利用交变电磁场和互感原理工作。33可编辑10.3感应同步器

图10-19直线式感应同步器示意图图10-20圆感应同步器示意图34可编辑10.3感应同步器

原理：

图10-21画出一个简化了的直线式感应同步器结构，用来定性地说明它的输出感应电动势与相对位置之间的关系。图10-21感应同步器的相对位置与输出感应电动势的关系

S—正弦绕组；C—余弦绕组；(f)感应电势与位移关系曲线35可编辑10.3感应同步器

如图（10-21），在滑尺的余弦绕组加上激励电压。由于绕组导片的长度远大于其端部，导片的长度与气隙之比又远大于1，因此，为了简化，可以略去定、滑尺绕组的端部影响，并将导片视为无限长导线。为了进一步简化，把激励的正弦电压看成带正、负号的“直流”持续增长情况。设其相应的激励电流方向如图中所示。图10-21(a)所示，余弦绕组中的电流在定尺绕组中感应的电动势之和为零。这个位置称为感应同步器的零位置。当滑尺向右移动一段距离(W／8)，如图10-21(b)的位置时，保持激励电压不变，如图所示，余弦绕组左侧导片在定尺绕组中感应的电动势比右侧导片所感应的大，定尺绕组中感应电动势的总和就不再为零，它的感应电流的方向如图中所示。36可编辑10.3感应同步器

可以得出，定尺的感应电动势随着滑尺的右移而增大，在向右移动W／4位置时(图10-21(c))，达到最大值。滑尺继续向右移动，定尺的感应电动势又逐渐减小。当移过W／2位置(图10-21(d))时又回复到零。滑尺再继续向右移，定尺绕组中又开始有感应电动势输出，但是电动势的极性改变了。在滑尺右移3W／4位置图(10-21(e))时，定尺绕组中的感应电动势达到负的最大值。滑尺继续向右移动，定尺中的感应电动势会逐渐减小。当移过距离W时，回复到图10-21(a)的位置状态，定尺绕组中的感应电动势也回复到开始时的零态。只是相对位置右移了一个周期W。再继续移动将重复以上过程。37可编辑10.3感应同步器

可见，当滑尺绕组上加上激励电压时，定尺输出感应电动势是滑尺与定尺相对位置的正弦函数，如图10-21(f)所示，可以写成（10-18）式中，

=2

x/W，是位移所形成的正弦电压的相位角。同理，如果滑尺正弦绕组加上与余弦绕组相同的激励电流，则由于正、余弦绕组在空间位置上相差

/2的相位角(即空间位置相差W/4)，在同样移动情况下，将会在定尺绕组中产生相同的感应电动势，只不过相位差

/2而已。为后面讨论方便，可以将正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别写成（10-19）38可编辑10.3感应同步器10.3.2信号处理方式

1.鉴相法

如果滑尺的正、余弦绕组中的激励电压不是前面简化假设的“直流”情况，而是交流激励电压，则在定尺中的感应电动势es和ec将不再是幅值Em恒定、与相对位移成正、余弦关系，而是幅值交变的正、余弦关系。实际应用时，在滑尺的正、余弦绕组上供给频率相同、相位差

/2的交流激励电压，即正弦绕组激磁电压us=Umsin

t

余弦绕组激磁电压uc=Umcos

t（10-20）式中，Um—激磁电压幅值。39可编辑10.3感应同步器

由于定尺和滑尺都是平面绕圈，这种“线圈”又是由导体往复曲折构成的“匝”，它并不是平面螺线，更不是柱形螺管，所以感抗L是非常小的，可以略去L而只考虑其电阻R，于是上列两激励电压在各自的线圈中产生的电流是

(10-21)这种激励电流在定尺中所感应出的电动势分别为(e=

kdi/dt)(10-22)式中，ks和kc分别为正、余弦绕组与定尺绕组间的耦合系数40可编辑10.3感应同步器

定尺绕组中感应电动势为滑尺的正、余弦绕组共同产生的，为当ks=kc=k时，上式可以写成

(10-23)

上式表明定尺绕组中的感应电动势eo的相位是感应同步器相对位置

角(或位置x)的函数，位移每经过一个节距W，感应电动势eo则变化一个周期(2

)。检测eo的相位，就可以确定感应同步器的相对位置。因此，这种方法称为鉴相法。41可编辑10.3感应同步器2．鉴幅法

如果滑尺绕组的激励电压分别为正弦绕组us=Umcos

cos

t

余弦绕组uc=Umsin

cos

t则在定尺绕组中产生的感应电动势的总和为

eo=ec+es=kUmsin

tsin

cos

kUmsin

tcos

sin

=kUmsin(

)sin

t=Emsin(

)sin

t(10-24)式(10-24)表明，激励电压的电相角

值与感应同步器的相对位置

角有对应关系。调整激励电压的

值，使输出感应电动势eo的幅值为零，此时，激励电压的

值就反映了感应同步器的相对位置

。通过检测感应电动势的幅值来测量位置状态或位移的方法称为鉴幅法。42可编辑10.3感应同步器

在这种情况下，利用专门的鉴幅电路，检查eo的幅值是否等于零。若不等于零，则判断(

)>0或是(

)<0，通过对

的自动调整，使达到(

)=0。最后测出稳定后的

值，它就是

值。由于

=

=2

x／W，所以

(10-25)这就是鉴幅法测位移x的原理。若设在初始状态时

=

，则e=0。然后滑尺相对定尺存在一位移

x，使

+

，则感应电动势增量为（10-26）由此可见，在位移增量

x较小时，感应电动势增量

e的幅值与

x成正比，通过鉴别

e的幅值，就可以测出

x的大小.43可编辑10.3感应同步器

实际中设计了这样一个电路系统，每当位移

x超过一定值(例如0.0lmm)，就使

e的幅值超过某一预先调定的门槛电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动改变激励电压幅值，使新的

跟上新的

。这样继续下去，便把位移量转换成数字量，从而实现了对位移的数字测量。44可编辑10.3感应同步器10.3.3直线式感应同步器的接长与定尺激励方式

标准型直线式感应同步器定尺的规定长度为250mm，单块使用时有效长度为180mm左右。因此，当测量长度超过180mm时，需要用两块以上的定尺接长使用。定尺接长后输出电动势会减弱。这是因为接长后感应同步器输出阻抗增大所造成的。为此，当测量长度超过一定值时，需要对定尺采取串、并联组合的方法来改善信号条件。

3m以下的接长，采用定尺绕组串联接线方式；

3m以上的大行程接长，往往采用分段串联后再并联的接线方式。定尺接长时，在接缝区因为磁路的变化将出现误差跳动的现象。目前我国已能生产长度为lm，精确度达

1.5

m的定尺，这将有助于改进直线式感应同步器的接长工作。45可编辑10.3感应同步器

为了改善滑尺激励的缺点，20世纪70年代中期出现了定尺激励技术。定尺激励工作方式是在定尺绕组输人一个激励信号，如Umcos

t，滑尺绕组中就分别输出两个幅值与感应同步器位置状态

有关的相位差

/2的信号

es=kUmsin

sin

t，ec=kUmcos

sin

t（10-27）通过相应的电路处理，就可以测出感应同步器的位置状态

的值，进而确定位置x。46可编辑10.3感应同步器

定尺激励工作方式的优点：

(1)因激励信号的负载是一个恒定负载—定尺，它不需要像滑尺激励方式那样改变有关参数，电路中没有开关元件，因此，可以有效地加强激励，提高输出信号电平。

(2)在系统中，定尺是处于强信号电平下，滑尺是处于弱信号电平下。因此，定尺激励改善了信号通道的信噪比，提高了抗干扰能力。

(3)在感应同步器的制作中，不可能保证滑尺两个绕组的空间位置完全正交(相差W/4间隔)，因而也就引人了一定的测量误差。这种误差在滑尺激励方式中是无法弥补的。但是，在定尺激励方式下，因为它的处理电路在感应同步器的后面，因此可以对这种误差加以校正。因而有利于提高细分，实现高精度测量。

(4)在对正、余弦函数信号的处理中不涉及功率，因此，有利于提高电路工作的稳定性和可靠性。47可编辑10