传感器技术 课件 第5章 位置位移传感器

第5章位置位移传感器理论知识Contents目

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1.1

超声波接近开关传感器1.2光栅位移传感器1.3

磁栅位移传感器1.4霍尔接近开关传感器教学目标1、了解霍尔接近开关传感器的结构，理解其基本工作原理；2、了解超声波传感器的分类、结构，理解其工作原理；3、了解光栅的结构与类型4、掌握光栅传感器测量位移的原理5、熟悉光栅位移传感器应用电路的组成、实现方法；6、理解磁栅传感器的工作原理和分类7、掌握磁栅传感器在控制领域中的应用范围。5.1霍尔接近开关传感器导入新课在汽车用速度及里程仪表中速度传感器是十分重要的部件。车速传感器控制器脉冲信号霍尔式接近开关传感器汽车行驶过程中的实时速度采集器图5-1霍尔接近开关基本概念分两类（1）连续测量物位变化的连续式物位传感器；（2）以点测为目的的开关式物位传感器即物位开关。物体的位置简称为物位，物位包括料位和液位。物位传感器是能感受物位(液位、料位)并转换成可用输出信号的传感器开关型位置传感器是利用位置传感器对接近物体的敏感特性，控制开关通、断电一种装置。►霍尔传感器5.1.1霍尔传感器●定义：霍尔传感器是利用霍尔效应原理将被测物理量转换成电动势输出的一种传感器，主要被测物理量有电流、磁场、位移、压力和转速等。特点多种非电量测量；制作高斯计、电流表、接近开关等；结构简单体积小动态特性好寿命长√直接测量磁场及微小位移量；√间接测量液位、压力等工业生产过程参数，特别是在检测微位移、大电流、微弱磁场等方面得到了广泛应用。霍尔效应霍尔传感器霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall)1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这一现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。5.1.1霍尔传感器金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流I时，在薄片的两侧面出现电势差UH，这个电势差就称为霍尔电势，这种物理现象称为霍尔效应。IBbldUHfLvfE

——————5.1.1霍尔传感器图5-2霍尔效应原理图霍尔效应图5-3霍尔效应动画设霍尔元件

为N型半导体，通电流I时，那么在磁场B的作用下，半导体的电子受到磁场中的洛仑兹力的大小为式中，q0为电子电荷量，q0=1.602×10-19C；v

为电子速度；B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。

在洛仑兹力的作用下，电子向垂直于磁场和电子运动的方向偏转，运动的结果便形成电荷积累，产生静电场，亦称霍尔电场。5.1.1霍尔传感器（5-1）电场力大小为：磁场力与电场力达到动态平衡：即；霍尔电压为：如果磁场方向与薄片法线方向为角，则而电流密度j=-nq0v,其中n为导电板电子浓度，即单位体积中的电子数。则电流为：5.1.1霍尔传感器（5-2）（5-3）（5-4）（5-5）RH被定义霍尔元件的霍尔系数（m2/C），由载流材料的性质所决定，反映材料霍尔效应的强弱。设KH

即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电势的大小，单位是mV/(mA·T)。若取5.1.1霍尔传感器（5-6）（5-7）5.1.1霍尔传感器(1)霍尔传感器的工作原理当磁性物体靠近霍尔元件时，霍尔元件产生电动势EH，与基极直流电压叠加使晶体管VT饱和导通，其集电极的继电器吸合或光耦合器工作，使霍尔接近开关动作，改变电路原来的通、断状态，即接通或断开电路。需要注意的是，霍尔接近开关检测的对象必须是磁性物体。图5-4霍尔传感器工作原理电路（2）霍尔传感器的分类被测量的性质电量型（电流型、电压型）非电量型（开关型和线性型）功能霍尔线性器件（输出模拟量）霍尔开关器件（输出数字量）对象的性质直接应用间接应用5.1.1霍尔传感器（3）霍尔接近开关的特点①非接触检测，不影响被测物的运动状况；无机械磨损和疲劳损伤，

工作寿命长。②属于电子器件，响应快。③采用全封闭结构，防潮、防尘，可靠性高且维护方便。④可以输出标准电信号，易与计算机或PLC配合使用。5.1.1霍尔传感器►霍尔集成传感器●定义：是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。打破了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。特点减少了焊点，可靠性显著地提高；具有体积小、质量轻、功耗低等优点；线性型开关型●分类►霍尔集成传感器——线性霍尔集成传感器●定义：是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。霍尔元件恒流源线性差动放大器●应用：广泛用于位置、力、质量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。图5-5线性型三端霍尔集成电路－＋×稳压整形VCC输出地123霍尔元件放大●组成：它由霍尔元件、放大器、输出晶体管、施密特电路和稳压电源等组成，与线性集成传感器不同之点是增设了施密特电路，通过晶体管的集电极输出。图5-6开关集成传感器●开关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电路，开关特性具有时滞性，因此有较好的抗噪声效果。►霍尔集成传感器——开关集成霍尔传感器③转速测定④里程测定⑤机械设备的限位开关⑥按钮开关⑦电流的检测与控制

⑧位置及角度的检测②保安系统①汽车点火系统►霍尔集成传感器——开关集成霍尔传感器开关集成霍尔传感器的应用领域图5-7气缸活塞运动位置的测量在气缸活塞的两端部装上磁性物质（如磁铁），在气缸两端安装霍尔接近开关（也称磁性开关）即可检测、控制活塞运动的极限位置。霍尔接近开关的应用——①气缸活塞运动位置测量5.1.2霍尔接近开关的应用在机械手的手臂上安装两个磁极磁极与霍尔接近开关处于同一水平面上当磁铁随机械手运动到距霍尔开关几毫米时，霍尔接近开关工作，驱动电路使控制机械手动作的继电器或电磁阀释放，控制机械手停止运动，起到限位的作用。图5-8机械手臂位置测量霍尔接近开关的应用——①气缸活塞运动位置测量5.1.2霍尔接近开关的应用当转盘转动时，固定在转盘附近的霍尔接近开关便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间内脉冲数即频率，结合转盘上小磁铁的数目便可测定转盘的转速。霍尔接近开关的应用——②

转盘（转轴）的速度测量图5-9转盘速度测量5.1.2霍尔接近开关的应用5.2超声波接近开关传感器●声波是一种机械波，由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动，并由近及远的传播。●超声波是振动频率高于20kHz的机械波。►超声波的物理特性——声波的分类图5-10声波频率界限图波形类型纵波横波表面波质点振动方向与波的传播方向一致的波质点振动方向垂直于传播方向的波点振动介于横波和纵波之间►超声波的物理特性——声波的分类1.传播速度：超声波的传播速度与波长及频率成正比；超声波的波长超声波的频率►超声波的物理特性——声波的分类2.当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在两种介质面上一部分超声波被反射，另一部分超声波透射过界面，在另一种介质内传播，这两种情况称之为超声波的反射和折射。●但当它由气体传播到液体或者固体中，或者固体、液体传播到气体中时，由于介质密度相差太大而几乎发生全部反射。入射波

′界面介质1介质2反射波折射波►超声波的物理特性——声波的分类图5-11超声波的反射与折射►超声波的物理特性——超声波的传播特性3.超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射、吸收等因素有关。超声波在气体中的衰减很快，当频率较高时衰减更快。传播距离增加强度衰减声波的扩散、散射、吸收等超声波仪器主要用于固体和液体中►超声波传感器●定义：超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波传感器的应用十分广泛，目前已成功地应用在测距、测厚、测深、探伤、医疗探测、超声洗涤等方面，而它的典型应用就是超声测距技术。1.超声波探头超声波探头是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或传感器。一般物体位置的检测传感器包括超声波接近开关、电容式接近开关、光电开关等。通过超声波发射器向某一方向发射超声波（一般为40KHz的超声波）在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物立即返回超声波接收器收到反射波立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差Δt，可以计算出发射点距障碍物的距离S，则：（1）超声波测距原理图5-12超声波测距原理图接收管5.2.1超声波接近开关障碍物数字显示功能键发射管单片机发射驱动接收处理超声波接近开关超声换能器处理单元输出级（2）超声波接近开关5.2.1超声波接近开关图5-13超声波接近开关的结构（2）超声波接近开关目标超声换能器处理单元输出级5.2.1超声波接近开关5.2.1超声波接近开关（2）超声波接近开关

超声波换能器交替地作为发射器与接收器使用。加上触发脉冲时,超声换能器受激以脉冲形式发出超声波，随后换能器转入接收状态,发射出来的超声波脉冲作用到一个声反射的物体上,经过一段时间后,被反射回来的声波又重新回到换能器上,经过单片机分析处理之后,根据所设定的开关距离确定物体是否在开关动作范围之内,如是则激活相应的输出级,使其对应的开关点有控制信号输出；反之无信号输出。（2）超声波接近开关图5-14开关范围调节原理图超声波接近开关的量程(最远探测距离)根据超声换能器的频率而定,频率越高,量程越小。实际应用时,往往只要求接近开关在量程范围内的某段距离内允许开关动作，见图5-14，可以采用设定允许检测的时间范围来调节超声波接近开关的动作范围。01在电路中用2个电位器来调整其开关动作范围,用S1调整开关范围的起始值,用S2调整开关动作范围的宽度(深度),这将确保被测物的非检测区的前后背景干净，减少误操作。025.2.1超声波接近开关5.2.2电容式接近开关电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，主要用于定位或开关报警控制等场合。特点:无抖动、无触点、非接触监测、体积小、功耗低、寿命长、检测物质范围广、抗干扰能力强及耐腐蚀性能好。与电涡流式接近开关、霍尔接近开关相比，电容接近开关检测距离远，而且静电电容接近开关还可以检测金属、塑料和木材等物质的位置。电容式接近开关的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制接近开关的接通和关断。图5-15电容式传感器测齿轮转速当转轴转动时，电容式接近开关周期地检测到齿轮的齿端端面，就能输出周期性的变化信号。该信号经放大、变换后，可以用频率计测出其变化频率，从而测出转轴的转速。5.2.2电容式接近开关光电开关传感器是利用光束如近红外线和红外线来检测、判别物体，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。图5-16部分光电开关外形5.2.3光电开关传感器图5-17光电开关工作原理5.2.3光电开关传感器光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成，其工作原理示意图见图5-16所示。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二级管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二级管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。图5-18光电开关工作示意图5-18给出了各种光电开关的工作示意图。有对射式、镜反射式、漫反射式、槽式及光纤式等方式。广泛应用于:工业控制、自动化包装线及安全装置中5.2.3光电开关传感器图中检测生产流水线上瓶盖及商标的实例除计数外，还可进行位置检测（如装配体有没有到位）、质量检查（如瓶盖是否压上，标签是否等）。图5-19为检测生产流水线上瓶盖及商标的实例传感器传感器5.2.3光电开关传感器可以根据被测物的特定标记进行自动控制，（如根据特定的标记检测后进行自动切断、封口等）。图5-20自动切断控制实例标记切断刀传感器5.2.3光电开关传感器5.3光栅位移传感器5.3.1光栅位移传感器的结构及分类1.定义：光栅式位移传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器。特点√检测精度和分辨率高√抗干扰能力强√稳定性好√易与微机接口√便于信号处理和实现自动化测量等应用√易实现系统的自动化和数字化√用于高精度机床和一起的精密定位或长度、速度、加速度及振动等方面的测量图5-21光栅式位移传感器(2)结构：光栅传感器主要由光栅副、光源和光电器件等组成。光栅副即光栅尺，包括主光栅和指示光栅。工作原理：主光栅和被测物体相连，它随被测物体的移动而产生移动。当主光栅产生位移时，形成的莫尔条纹便随着产生位移，若用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。5.3.1光栅位移传感器的结构及分类图5-21光栅传感器的结构►光栅传感器的结构光栅传感器测量位移光栅副透镜主光栅指示光栅光电元件光源图5-22光栅传感器的结构光栅条纹如图5-23所示。常见的长光栅的线纹密度为25、50、100、125、250条/mm等。对于圆光栅，两条相邻刻线的中心线之夹角称为角夹距r。这些刻线是等栅距角的向心条纹，整圆内的栅线数一般为5400条-64800条。图5-23光栅条纹5.3.1光栅位移传感器的结构及分类3.分类（1）光栅按光线的走向分，可分为透射式光栅和反射式光栅，直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，而短的为指示光栅或短光栅。透射式直线光栅的应用比较广泛。图5-24光栅的结构示意图1-光源；2-透镜；3-指示光栅；4-标尺光栅；5-光敏元件5.3.1光栅位移传感器的结构及分类►透射式光栅和反射式光栅反射式光栅透射式光栅用光学玻璃做基体20线-150线/mm用不锈钢做基体25线-50线/mmW为光栅常数，也称光栅栅距图5-25光栅条纹（2）按光栅的形状和用途可分为长光栅和圆光栅，前者用于测量长度，后者用于测量角度。其中，圆光栅又分为径向光栅和切向光栅，径向光栅是通过沿圆形基体的周边在直径方向上刻划栅线而形成，而切向光栅沿周边刻划，全部栅线都与中央的一个半径为r的小圆相切。（3）按光栅的物理原理分为黑白光栅(幅值光栅)和闪耀光栅(相位光栅)。长光栅中有黑白光栅，也有闪耀光栅，两者均有透射式和反射式，而圆光栅一般只有黑白光栅，主要是透射光栅。5.3.1光栅位移传感器的结构及分类又称光栅尺，用于长度或直线位移的测量。√长光栅又称光栅盘，用于角度或角位移的测量。√圆光栅莫尔条纹光栅是利用物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，构成一系列四棱形图案。在两光栅刻线的重合处，光从缝隙透过，形成亮带。在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光的作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。5.3.2工作原理及测量电路图5-26等栅距黑白投射光栅形成的莫尔条纹（θ≠0）1.莫尔条纹5.3.2工作原理及测量电路相邻两莫尔条纹的间距为L，其表达式为L=W/sinθ≈w/θ式中：W——光栅栅距；θ——两光栅刻线夹角，必须以弧度表示，上式才成立。当两光栅在栅线垂直方向相对移动一个栅距W时，莫尔条纹则在栅线方向移动一个莫尔条纹间距L。通常在光栅的适当位置(如图5-24中sin位置或cos位置)安装光敏元件。1.莫尔条纹5.3.2工作原理及测量电路①放大作用②平均效应③运动方向④对应关系莫尔条纹特性：2.莫尔条纹特性5.3.2工作原理及测量电路2.莫尔条纹的特性—①放大作用莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着两块光栅栅线之间的夹角而改变。由于θ较小，所以具有明显的光学放大作用，其放大比为Κ=L/W≈1/θ光栅栅距很小，肉眼分辨不清，而莫尔条纹却清晰可见。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。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。5.3.2工作原理及测量电路5.3.2工作原理及测量电路01莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以，对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。2.莫尔条纹的特性—②平均效应02当两光栅沿与栅线垂直的方向做相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动(两者运动方向垂直)；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。在图6-12中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹则向上移动。2.莫尔条纹的特性—③运动方向5.3.2工作原理及测量电路2.莫尔条纹的特性—④对应关系当指示光栅沿x轴自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带(a—a线和b-b线)将顺序自下而上(Y方向)不断掠过光敏元件。01光敏元件接收到的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，如图5-27所示。02图5-27光栅位移与光强及输出电压的关系莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数01例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm，即移过了100x条光栅栅线，则从光敏元件前掠过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。02将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。035.3.2工作原理及测量电路5.3.2工作原理及测量电路3.测量电路光栅测量系统由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路等组成。光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件(常使用硅光电池)接收透过光栅尺的光信号，并将其转换成相应的电压信号。驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作为一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，作用是把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号，再经过后续的测量电路输出反映位移大小、方向的脉冲信号。图5-28光栅传感器测量电路原理框图3.测量电路光敏元件前置放大器整形细分电路辩向电路可逆计数器5.3.2工作原理及测量电路3.测量电路——①细分电路01当两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距L，与门输出一个计数脉冲，则它的分辨力为一个光栅栅距W。

为了提高分辨力，方法1是采用增加刻线密度来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。方法2是采用细分技术，在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，即在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期时，不是输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。细分越多，分辨率越高。02由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又称为倍频技术。035.3.2工作原理及测量电路5.3.2工作原理及测量电路3.测量电路—①细分电路直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，当莫尔条纹移动时，4个光电元件依次输出相位差90°的电压信号，经过零比较器鉴别出4个信号的零电平，并发出计数脉冲，即1个莫尔条纹周期内发出4个脉冲，实现了四细分。优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统；缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。01020304图5-29未细分波形图5.3.2工作原理及测量电路图5-30电阻电桥细分电路图5-31电阻电桥细分结构5.3.2工作原理及测量电路a.电桥细分法（矢量和法）5.3.2工作原理及测量电路b.电阻链细分法（电阻分割法）图5-32电阻链细分法电路5.3.2工作原理及测量电路3.测量电路——②辨向电路如果传感器只安装一套光敏元件，在实际应用中，无论光栅做正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨移动方向的，必须设置辨向电路。1为了辨向，通常可以在沿光栅线的y方向上相距(m±1/4)L(相当于电角度1/4周期)的距离处设置sin和cos两套光电元件，如图5-32中的sin和cos位置。这样就可以得到两个相位相差π/2的电信号Uos和Uoc，经放大、整形后得到U＇os和两个方波信号，分别送到如图5-34(a)所示的辨向电路中。2从图5-34(b)可以看出，在指示光栅向右移动时，U＇os的上升沿经Rl、C1微分后产生的尖脉冲正好与的高电平相与。IC1处于开门状态，与门ICl输出计数脉冲，并送到计数器的UP端(加法端)做加法计数，而U＇os经IC3反相后产生的微分尖脉冲正好被U＇oc的低电平封锁，与门IC2无法产生计数脉冲，始终保持低电平。35.3.2工作原理及测量电路图5-33辨向波形5.3.2工作原理及测量电路反之，当指示光栅向左移动时，由图5-32(c)可知，IC1关闭，IC2产生计数脉冲，并被送到计数器的DOWN端(减法端)，做减法计算，从而达到辨别光栅正、反方向移动的目的。（2）测量电路——②辨向电路图5-34辨向电路原理图5.3.2工作原理及测量电路图5-34辨向电路原理图5.3.2工作原理及测量电路图5-35四倍频细分辨向测量电路5.3.2工作原理及测量电路采用在相距L/4的位置上，放置两个光电元件，首先得到相位差90°的两路正弦信号s和c，然后将此两路信号送入图5-33(a)所示的细分辨向电路。两路信号经过放大器放大，再由整形电路整形为两路方波信号，并将这两路信号各反向一次，就可以得到四路相位，依次为0°、90°、l80°、270°的方波信号，经过RC微分电路输出4个尖脉冲信号。当指示光栅正向移动时，4个微分信号分别和有关的高电平相与。01同辨向原理中阐述的过程相类似，可以在一个W的位移内，在IC1的输出端得到4个加法计数脉冲，如图5-33(b)中UZ1波形所示，而IC2保持低电平。与图5-33(b)比较，当光栅移动一个栅距W时，可以产生4个脉冲信号；反之，就在IC2的输出端得到4个减法脉冲。这样，可逆计数器的计数值就能正确地反映光栅的位移值。025.3.2工作原理及测量电路4.轴环式光栅数显表光栅数显表主要有两种类型数字逻辑电路数显表和以MCU为核心的智能化数显表。前者以传统的放大整形、细分、辨向电路、可逆计数器及数字译码显示器等电路组成。随着可编程逻辑器件的广泛使用，将细分、辨向、计数器、译码驱动电路通过CPLD来实现，使得数显表的电路大为简化，体积缩小很多。5.3.2工作原理及测量电路基于MCU的数显示表功能框如图5-36，光栅传感器的输出信号经放大、整形电路后，送到MCU及相关电路进行辨向、细分及计数，数据处理后将位移值显示出来。由于微控制器具有强大的处理能力，此类数显表除了能显示位移之外，还能进行打印实时数据，并可以和上位机进行通信，是数显表的主要方案。5.3.2工作原理及测量电路图5-36基于MCU的数显表功能框图5.3.2工作原理及测量电路动片表面均匀地刻有500条透光条纹，如图5-37(b)所示。3定片(指示光栅)固定，动片(主光栅)与外接旋转轴相联并转动。2主光栅用不锈钢圆薄片制成，可用于角位移测量。1定片为圆弧形薄片，在其表面刻有两组透光条纹(每组3条)，定片上的条纹与动片上的条纹成一角度θ。两组条纹分别与两组红外发光二极管和光敏三极管对应。4图5-37轴环式光栅数显表的结构当动片旋转时，产生莫尔条纹亮暗信号由光敏三极管接收，相位正好相差π/2，即第一个光敏三极管接收到正弦信号，第二个光敏三极管接收到余弦信号。经整形电路处理后，两者仍保持相差1/4周期的相位关系。再经过细分及辨向电路，根据运动的方向来控制可逆计数器做加法或减法计数，测量电路框图如图5-38所示。测量显示的零点由外部复位开关完成。5.3.2工作原理及测量电路图5-38轴环式光栅数显表的结构图5-39轴环式光栅数显表结构和测量框图光电接收元件光电接收元件放大整形电路放大整形电路辩向、细分电路可逆计数器数字显示电路正弦信号余弦信号5.3.2工作原理及测量电路图5-40直线光栅位移传感器的结构示意图光源、透镜、指示光栅和光电元件固定在机床床身上，主光栅固定在机床的运动部件上，可往复移动。安装时，指示光栅和主光栅要有一定的间隙,光栅位移传感器的光源一般为钨丝白炽灯或发光二极管；光电元件为光电池或光电三极管。5.3.2工作原理及测量电路5.4磁栅位移传感器磁栅位移传感器是一种测量大位移的新型数字式传感器。主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件，其行程可达数十米，分辨率优于1μm，允许最高工作速度为12m/min，使用范围0-40℃。磁栅位移传感器具有结构简单，使用方便，动态范围大（1-20m）和磁信号可以重新录制等优点，其缺点是需要屏蔽和防尘。图5-38给出了磁栅传感器在磨床测长系统中的应用。5.4.1磁栅位移传感器的结构和工作原理图5-41磁栅传感器在磨床测长系统中的应用5.4.1磁栅位移传感器的结构和工作原理磁栅位移传感器由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成，磁栅的外形及结构见图5-42所示。图5-42磁栅的外形及结构5.4.1磁栅位移传感器的结构和工作原理工作原理是电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。感应电动势的大小，既和线圈的运动速度有关，还和磁性体与线圈接触时的磁性大小及变化率有关。根据感应电动势的变化情况，就可获得线圈与磁体相对位置和运动的信息。5.4.1磁栅位移传感器的结构和工作原理磁栅是有磁化信息的标尺，磁栅即磁尺是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02㎜厚的Ni-Co-P磁性薄膜，并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长λ录上磁性刻度线而构成，如图5-43中所示，其中上部为不导磁的基底，下部N-S及S-N为录制磁信息的栅条。图5-43磁栅的磁化结构5.4.1磁栅位移传感器的结构和工作原理5.4.1磁栅位移传感器的结构和工作原理录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以