传感器与检测技术(第3版)[谢志萍]04

1、第4章 数字式传感器,电子工业出版社,4.1 光栅数字式传感器,4.1.1 光栅的分类,4.1 光栅数字式传感器,圆光栅刻线方向,4.1 光栅数字式传感器,4.1.2 光栅传感器的结构和工作原理,反射式光栅线纹形状,4.1 光栅数字式传感器,透射光栅传感器光路,1光源；2透镜；3主光栅；4指示光栅；5光电元件,4.1 光栅数字式传感器,1长光栅副,4.1 光栅数字式传感器,如果改变 角，两条莫尔条纹间的距离B也随之变化。,4.1 光栅数字式传感器,莫尔条纹的方向与光栅的移动方向只相差 /2，即近似于与栅线方向垂直，故此莫尔条纹又称横向莫尔条纹。从式（4-1）可以明显地看出莫尔条纹有如下重要特性

2、：,（1）平均效应。,（2）放大作用。,（3）对应关系。,4.1 光栅数字式传感器,2圆光栅副,4.1 光栅数字式传感器,4.1.3 光栅传感器的测量电路,1光栅传感器的常用光路,（1）垂直透射式光路。,4.1 光栅数字式传感器,（2）透射分光式光路。,4.1 光栅数字式传感器,（3）反射式光路。,1主光栅；2指示光栅；3场镜；4反光镜 5聚焦透；6光源；7物镜；8光电元件,4.1 光栅数字式传感器,（4）镜像式光路。,1光源；2半透半反射镜；3聚光镜；4主光栅； 5物镜；6反射镜；7光电元件,4.1 光栅数字式传感器,2光栅传感器的光电转换系统,主光栅和指示光栅做相对位移产生了莫尔条纹，莫尔

3、条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如图,4.1 光栅数字式传感器,光敏元件输出的波形可由如下公式描述：,4.1 光栅数字式传感器,3光栅传感器的辨向处理,1, 2光电元件；3莫尔条纹；4指示光栅,4.1 光栅数字式传感器,4光栅传感器的细分原理,（1）倍频细分法。,4.1 光栅数字式传感器,（2）电桥细分法。,4.1 光栅数字式传感器,4.1.4 光栅传感器的应用,1光栅位移传感器,4.1 光栅数字式传感器,在具体使用时要注意：,（1）传感器应尽量安装在靠近设备工作台的床身基面上。 （2）根据设备的行程选择传感器的长度，光栅传感器的有

4、效长度应大于设备行程。 （3）将传感器固定在设备工作台的基面上，确保主尺上端面同正面与移动方向平行，误差0.1mm。 （4）读数头固定于相对于主尺的另一基面上，读数头与主尺之间应保持0.80.15mm的间隙，尽量使读数头安装在非运动部件上，以方便电缆线的固定。 （5）在安装传感器的设备导轨上应装限位装置。 （6）在使用环境有油污、铁屑等情况时，建议采用防护罩，防护罩应将主尺全部防护。,4.1 光栅数字式传感器,2光栅数显表,所示为微机光栅数显表的组成框图，在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分可由微机来完成。,4.1 光栅数字式传感器,所示为光栅数显表在机床进给运动中的应

5、用。,4.2 磁栅数字式传感器,4.2.1 磁栅的结构和种类,4.2 磁栅数字式传感器,具体使用时对磁栅还有如下的要求：,（1）磁栅的基尺（磁尺）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。 （2）为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希望产生较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感应要大，矫顽力要高，电镀要均匀，目前常用NiCo-P合金。 （3）对磁尺表面要求长磁栅平直度为（0.0050.01）mm/m，圆磁栅的不圆度为0.0050.01mm，表面粗糙度要小。,4.2 磁栅数字式传感器,4.2.2 磁头的结构和种类,1动态磁头,1磁头；2磁栅；3输出波形,4.2 磁栅数字式传感器,2静态

6、磁头,1磁头；2磁栅；3输出波形,4.2 磁栅数字式传感器,4.2.3 磁栅传感器的信号处理,1鉴幅方式,在实际应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号。,4.2 磁栅数字式传感器,2鉴相方式,若两磁头的激励磁绕组上施加相位差为/4的正弦激励信号，或将输出信号移相/2，则两磁头输出信号变为：,4.2 磁栅数字式传感器,4.2.4 磁栅传感器的应用,4.3 感应同步器,4.3.1 感应同步器的类型和结构,1直线式感应同步器,（1）标准型。,4.3 感应同步器,定尺绕组是在250mm长的基板上连续均匀分布的，节距为W2=2（a2+b2）=2mm，其截面结构如图,4.3 感应同步器,滑

7、尺绕组由两组绕组（正弦和余弦绕组）所构成，如图,4.3 感应同步器,（2）窄型。窄型直线形感应同步器结构与标准型感应同步器的结构基本相同，其不同的是窄一点。当安装感应同步器的设备在安装位置上受到限制时可采用这种窄型感应同步器。但这种窄型的电磁耦合情况不如标准型好，精度也比较低。,4.3 感应同步器,（3）带型。带型直线形感应同步器也与标准型基本相似，当安装感应同步器的设备其安装面不容易加工时而采用。它是将绕组印刷在钢带上构成定尺，而滑尺像计算尺上的游标一样，可以跨在钢带上，如图,4.3 感应同步器,2旋转式感应同步器,旋转式感应同步器又称圆盘形感应同步器。人们把感应同步器做成两个具有相对转动的

8、圆盘形状，其固定的圆盘称为定子，而转动的圆盘叫做转子。转子和定子面对面并以一定的间隙（0.200.05mm）装配而成，可以用来测量角位移，也可以测量直线位移。,4.3 感应同步器,4.3.2 感应同步器的工作原理,绕组通电时磁力线流向图,4.3 感应同步器,我们先假定滑尺上只有一个绕组，如图,4.3 感应同步器,4.3.3 感应同步器的信号处理,1鉴相处理,4.3 感应同步器,2鉴幅处理,在使用同样的感应同步器定尺和滑尺时，只要将滑尺上两相绕组的激励磁方式改变一下，即采用同频率、同相位、不同幅值的交流电压，对感应同步器滑尺两相绕组进行激励磁，就可以根据定尺绕组输出感应电动势的幅值来鉴别定尺、滑

9、尺间的相对位移量,4.3 感应同步器,4.3.4 感应同步器的应用,感应同步器的应用很广泛，它与数字位移显示装置配合，能进行各种位移的精密测量，并能实行数字显示，也能实现整个测量系统的半自动化及全自动化,4.3 感应同步器,SF2-数显表框图,4.4 编码器,4.4.1 脉冲盘式编码器,1脉冲盘式编码器的结构和工作原理,4.4 编码器,2脉冲盘式编码器的辨向方式,4.4 编码器,4.4.2 码盘式编码器,1接触式编码器,4.4 编码器,电刷在不同位置时对应的数码,4.4 编码器,V扫描法的电刷分布和逻辑电路,4.4 编码器,2光电式编码器,4.4 编码器,3电磁式编码器,4.4 编码器,4.4

10、.3 编码器的应用,长春第一光学仪器厂生产的CHA系列实心轴增量式编码器，其外径 40，轴径 6，体积小，重量轻，适用于BL-2型联轴器。,4.4 编码器,CHA-2型增量型编码器的输出电路,4.4 编码器,1数字测速,（1）M法测速。,在一定时间间隔Tc内（如10s、20s、0.1s等），用编码器所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：,4.4 编码器,4.4 编码器,（2）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。测速时，先选择一标准时钟，其周期为Tc（如1s）

11、，测出编码器输出的两个相邻脉冲上升沿（即周期T）之间所能填充的标准时钟个数m2，则周期T为：,若编码器每转产生N个脉冲，则转速为：,4.4 编码器,4.4 编码器,2工位编码,4.4 编码器,3在交流伺服系统中的应用,（1）提供电动机定、转子间相到位置的数据。 （2）通过F/V（频率/电压）转换，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。,4.5 拉线位移传感器,4.5.1 拉线位移传感器工作原理,4.5 拉线位移传感器,4.5.2 拉线位移传感器的特点,（1）多轴测量能力。,4.5 拉线位移传感器,（2）装配灵活。,4.5 拉线位移传感器,（3）体积小巧。相对于测量

12、范围来说，拉线位移传感器具有较小的尺寸。例如，尺寸为19mm19mm19mm的拉线位移传感器，可以测量38.1mm的位移；随着测量范围的增加，拉线位移传感器具有相对较小尺寸的优势变得越来越明显。 （4）重量轻便。拉线位移传感器通过一根可靠且轻质量的不锈钢或高强度结构线缆对位移进行测量，它可以在太空、导弹、飞船、赛车、机器人和生物医学等应用中起到非常重要的作用。在工业机械和设备的高冲击和振动环境中，较小的质量也使得拉线位移传感器具有更长的寿命。 （5）坚固耐用。正确设计和制造的拉线位移传感器具有极好的可靠性，可以在恶劣的工业、航空、测试和户外环境中运行35年以上，故它具有较高的可靠性、较低的维护成本和较长的使用周期。 （6）低功率和简单的信号调理。拉线位移传感器的大多数应用都采用5V或者更低的直流