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1、第4章 数字式传感器,4.1 光栅传感器 4.2 磁栅传感器 4.3 容栅传感器,第4 章数字式传感器,随着科学技术的进步和生产的发展，对测量提出了大尺寸、数字化、高精度、高效益和高可靠性等一系列要求，因而近年来出现了新的测量元件：数字传感器，以适应当前生产和利学技术不断发展的需要。 数字式传感器就是将被测量转化为数字信号，并进行精确检测和控制的传感器。按其定义可分为直接数字传感器和间接数字传感器。目前，它们在机床业的数控技术、自动化技术以及计量技术中已被日益广泛地采用。本章主要介绍常用的光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器及数字式角编码器。,返回,4.1 光栅传感器,光栅传感器主要用于长度和角

2、度的精密测量以及数控系统的位置检测等，在坐标测量仪表和数控机床的伺服系统中有广泛的应用。 4.1.1 光栅的结构和分类 光栅的结构 如图4-l 所示为光栅的结构。光栅是由很多等节距的透光和不透光的刻线相互排列构成的栅形光器件，主要由主光栅和指示光栅组成，主光栅又称标尺光栅。图中，W 为光栅的栅距，a 为光栅栅线的宽度，b 为光栅栅线之间的间隙宽度，三者之间的关系是W = a +b ，通常a=b 。光栅的精度越高，栅距W 就小,下一页,返回,4.1 光栅传感器,光栅的分类 光栅按照光的传播方式不同可分为物理光栅和计量光栅。 物理光栅主要利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定。 计量光栅主

3、要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，非常适用于动态测量。计量光栅按照光线的走向可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,4.1.2 光栅传感器的组成与工作原理 光栅传感器的组成 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（标尺光栅和指示光栅）和光电接收元件组成常用的光源有两种：一种是钨丝灯泡，其输出功率较大，另一种是半导体发光器件，这种器件转换效率高，响应快速。光电接收元件主要有光电池和光敏三极管等。 光栅传感器的工作原理 光栅传感器测量位移的原理主要是利用光栅的莫尔条纹效应来工作的。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,所谓莫尔条纹效应

4、就是将光栅常数相等的标尺光栅G1和指示光栅G2刻线面对面叠合在一起，如图4-3 所示，中间留有很好的间隙，并使两者之间保持一很小的夹角，于是在近似垂直栅线方向出现明暗相间的条纹，这种现象称莫尔条纹效应。形成的明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 测量时，当指示光栅沿x 轴自左向右移动，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上（图中）方向不断地掠过光敏元件。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化，如图4-3所示。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,莫尔条纹有如下重要特性 1)平均效应。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

5、起的误差。 2)方向性。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)放大作用。莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线之间的夹角而改变。 4)对应关系。莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,4.1.3 光栅传感器常用的光路 垂直透射式光路 如图4-4 所示，光源1发出的光线经准直透镜2 后成为平行光束，垂直投射到光栅卡，由主光栅3和指示光栅4形成的莫尔条纹信号直接由光电元件5接收。这种光路适用于粗栅距的黑自透射光栅。 这种光路的特点是结构简单、位置紧凑、调整使用方便，是目

6、前应用比较广泛的一种。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,透射分光式光路 透射分光式光路只适用于细栅距透射光栅，如图4-5 所示。从光源1发出的光，经准直透镜2变为平行光，并以一定角度射向光栅，经过主光栅3和指示光栅4衍射后，有不同等级的衍射光射出，经透镜5聚焦，由光电元件7接收到一定衍射光的莫尔条纹信号。光阑6的作用是选取一定宽度的衍射光带，使光电元件有较大的输出信号。 反射式光路 反射式光路适用于黑自反射光栅，如图4-6所示。光源6 经聚焦透镜5 和场镜3 后成为平行光束以一定角度射向指示光栅2 ，经反射式主光栅l 反射后形成莫尔条纹，经反光镜4 和物镜7 成像在光电元件8上。,上

7、一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,镜像式光路 镜像式光路如图4-7 所示。它不设指示光栅，光源1发出的光线，经半透半反镜2 和聚光镜3 后成为平行光束，照射到主光栅4 上，光栅上的栅线经物镜5 和反射镜6 又成像在主光栅仁形成莫尔条纹，然后经半透半反镜2 反射由光电元件7 接收。 这种光路不存在光栅间隙问题。同时，光学系统保证了光栅和光栅像按相反方向移动。因此，光栅移过半个栅距，莫尔条纹就变化一个周期，即灵敏度提高了一倍。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,4.1.4 辨向与细分技术 辨向技术 如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅是正向移动还是反向移动，光电元件

8、都产生相同的正弦信号，无法分辨移动方向。为此，必须设置辩向电路。 通常可以沿栅线的y 方向相隔1 / 4 条纹间距的位置上安装正弦和余弦两套光电元件，这样就可以得到两个相差 / 2 的电信号U1和U2，经过整形后得到两个方波信号u1和u2。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,u2的电平状态可作为与门的控制信号，来控制u1所产生的脉冲输出，就可以根据运动的方向正确地给出加计数器脉冲和减计数器脉冲，从而达到辨别光栅正、反向移动的目的。 细分技术 由图4-8 的工作原理可知，当光栅相对移动一个栅距W ，则莫尔条纹移过一个间距B , 与门输出一个计数脉冲，其分辨率为W 。为了能分辨比W 更小的

9、位移量，就必须对电路进行细分处理，就是在不增加光栅刻线数的情况下，光栅移动一个W ，等间距地输出若干个计数脉冲，这种技术就称为细分技术。细分以后，提高了光栅的分辨力。,上一页,下一页,返回,4.1 光栅传感器,4.1.5 光栅传感器的应用 由于光栅具有测量精度高、测量范围大、信号抗干扰能力强等一系列优点，因此受到广泛的重视和推广，但在使用时对环境的要求较高，必须注意防尘、防震等问题。 近年来我国设计、制造厂很多光栅式测量长度和角度的计量仪器，并成功地将光栅作为数控机床的位置检测元件，用于精密机床和仪器的精密定位、长度检测、速度、振动和爬行等测量。,上一页,返回,4.2 磁栅传感器,与其他类型的

10、位置检测元件相比，磁栅传感器具有制作简单、录磁方便、易于安装及调试、测量范围大、抗干扰能力强、价格比光栅便宜等优点，因而应用广泛。目前，磁栅已被广泛地用于各类精密机床、数控机床和各种测量仪器中。 磁栅，又称磁尺，是20 世纪50 年代后期发展起来的一种新型检测元件。根据用途可将磁栅分为长磁栅和圆磁栅两种，分别用来测量线位移和角位移。,下一页,返回,4.2 磁栅传感器,4.2.1 磁栅传感器的组成及工作原理 磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。 磁尺 磁尺按基本形状分有带状磁尺、线状磁尺和圆形磁尺三种。 带状磁尺固定在用低碳钢作的屏蔽壳体内，并以一定的预紧力固定在框架或支架中。 线状磁

11、尺是用2-4 mm 的圆形线材作尺基，磁头套在圆型材料上。 圆形磁尺做成圆形瓷盘或磁鼓形状，用于组成圆磁栅。,上一页,下一页,返回,4.2 磁栅传感器,磁头 磁头的作用类似于磁带机的磁头，用来读写磁栅上的信号，并将磁信号转化成电信号。按读取信号方式的不同，磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。 动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，它只有一组输出绕组。当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，由于电磁感应将在磁头线圈中产生感应电动势。当磁头与磁栅之间的相对运动速度不同时 ，输出感应电动势的大小也不同，静止时，就没有信号输出。 静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。它与动态磁头的根本不同之处

12、在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。,上一页,下一页,返回,4.2 磁栅传感器,4.2.4 磁栅传感器的应用 磁头、磁尺与专用磁栅数显示表配合，可用来检测机械位移量，其行程可达数十米，分辨力优于1m 。图4-15 为ZCB-101 鉴相型磁栅数显表的原理框图。 目前磁栅数显表多采用微机来实现框图中的功能。这样，硬件的数量大大减少，而功能却优于普通数显表。,上一页,返回,4.3 容栅传感器,容栅传感器是一种新型大位移数字式传感器，它是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。与光栅、磁栅等大位移传感器相比，虽然精度稍差，但体积小

13、、造价低、耗电省、环境使用性能强。因此，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪和机床行程的测量中。 4.3.1 容栅传感器结构及工作原理 根据结构形式，容栅传感器可分为直线容栅、圆容栅和圆简形容栅三种。直线容栅和圆筒容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量。,下一页,返回,4.3 容栅传感器,容栅传感器的结构 图4-16 所示为直线型传感器结构简图。容栅传感器由动尺和定尺组成，如图4-16 （a）所示，动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极，定尺上有多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极（接地），两者保持很小的间隙，一组发射电极的长度为一个节距，一个反射电极对应于一组发射电极。,

14、上一页,下一页,返回,4.3 容栅传感器,容栅传感器的工作原理 发射电极与反射电极、反射电极与接收电极之间存在着电场，见图4 -16（b）所示。由于反射电极的电容耦合和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。当动尺向右移动x 距离时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，反射电极上的电荷量发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在接收电极上累积的电荷Q与位移量x 成正比。经运算器处理后进行BCD 码转换，再由译码器将BCD 码转变成七段码，送显示驱动单元进行显示。,上一页,下一页,返回,4.3 容栅传感器,4.3.2 容栅传感器在数显尺中的应用 普通测量工具，

15、如游标卡尺、千分尺等在读数时存在视差。随着容栅技术在测量中的应用及性价比的不断提高，数显卡尺、千分尺应运而生，并在生产中越来越多地替代了传统的测量工具。容栅定尺安装尺身上，动尺与测量转换电路安装在游标上，分辨力为0. 01 mm ,重复精度为0. 01 mm。 除此以外，直线式容栅还可配以单片机为处理核心的测量电路，用于数显测高仪中，测量范围可达1 m以上，分辨力可达0. 001 mm。,上一页,返回,4.4 数字式角编码器,数字式角编码器是测量角位移的最直接有效的方法。编码器主要分为码盘式（绝对编码器）和脉冲式（增量编码器）两大类。码盘式编码器能直接输出某种码制的数码，而脉冲式编码器不能直接

16、输出数字编码，需要增加有关数字电路才能得到数字编码。 4.4.1 绝对式编码器 绝对式编码器是按位移量直接进行编码的转换器，其精度达l 。它的结构和原理可分为接触式、光电式和电磁式。,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,码道的圈数（不包括最里面的公用码道）就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。若是n位二进制码盘，就有n 圈码道，且圆周均分2n个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度a为： 分辨率为：,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,光电式编码器 光电式编码器是用光电方法将角位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。光电式编码器按其构造类型分可分为转动方式光电式编码器和光束形式

17、光电式编码器，按数字脉冲的性质分可分为增量式光电式编码器和绝对式光电式编码器。 光电码盘的特点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，精度也较高。就码盘材料而言，光电码盘有不锈钢码盘和玻璃码盘，不锈钢码盘比玻璃码盘抗振性好，耐不洁环境，但分辨力比玻璃码盘低。 如图4-18 所示为绝对式光电码盘测量原理图。,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,电磁式编码器 电磁式角度数字编码器是近儿年发展起来的新型传感器，主要由磁鼓与磁阻探头组成多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓，在磁性材料中混人适当的载合剂，注塑成形；另外一种是在铝鼓外面覆盖一层豁结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大

18、小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加下技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关，而与电流平行的磁场无关。 电磁式角度数字编码器精度高、寿命长、工作可靠、对环境要求比较低，但是成本较高。,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,4.4.2 增量式角度数字编码器 增量式编码器通常是光电式的，码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心透光狭缝，透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等，整个码盘圆周上就等分成n 个透光的槽。码盘也可用于不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽，其余部分均不透光图4-19

19、增量式光电编码器外观图。增量光电编码器的内部结构图如图4-20 所示。 增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关。,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图4-20 中的“零标志位光槽”，又称“一转脉冲”；为了判断码盘旋转的方向，光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的m +l / 4 倍，m 为正整数，并设置了两组光敏元件，其输出波形如图4-21所示。 4.4.3 角编码器的应用 转速测量 由于光电编码器的输出信号是脉冲形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。,上

20、一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,光电编码器可以代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。 数字测速方法有M 法测速和T 法测速等，如图4-22 所示。 M 法测速。在一定的时间间隔TC（如10s 、1s 、0.1s 等）内，用编码器产生的脉冲数来确定速度的方法称为M 法测速。若编码器每转产生N 个脉冲，在TC时间间隔内得到m1个脉冲，则编码器所产生的脉冲频率为： 则转速（r/ min）为：,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,M 法测速适合于转速较快的场合。当转速较快时，编码器的脉冲频率较高，测量精度高；而当转速较慢时，编码器的脉冲频率较低，测量精度降低。 TC长短也会

21、影响测量精度当TC较长时，测量精度较高，但不能反映速度的瞬时变化，不适合动态测量；当TC取得太小时，以至于在TC段内的脉冲太少，而使测量精度降低。 T 法测速。 用编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间来确定被测转速的方法称为T 法测速。在T 法测速中，必须使用标准频率fC = 1 MHz 作为测量编码器周期T 的“时钟”。,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,设编码器每转产生N 个脉冲，测出编码器输出的两个相邻脉冲上升沿之间所能填充的标准时钟数个数m2，就可得到周期T 为 转速n (r /min）可由下式求得： T 法测量适合于转速较慢的场合。,上一页,下一页,返回,4.4 数字式角编码器,工位编码 由于绝对式编码器每一转角位置均有一个固定死亡编码输出，若编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一个工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，如图4-23所示。当转盘卡某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编