11 数字式传感器

现代检测技术数字式传感器精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事Xi’anJiaotongUniversity数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统相连。数字式传感器具有以下优点：测量精度和分辨率高；抗干扰能力强，稳定性好；易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测量；适宜于远距离传输。数字式传感器Xi’anJiaotongUniversity分类：脉冲输出式：栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器；编码输出式：绝对编码器；频率输出式：振弦式、振筒式和振膜式传感器；本节介绍精密位移测量中广泛应用的光栅数字传感器、感应同步器、编码器及容栅传感器的工作原理和测量电路。数字式传感器Xi’anJiaotongUniversity在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为10～12mm）的密集刻划，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是光栅。用于位移测量的光栅称为计量光栅。abWabW光栅上的刻线称为栅线（不透光），栅线宽度为a，缝隙（透光）宽度为b，一般取a=b，W（W=a+b）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅常数）。光栅的结构Xi’anJiaotongUniversity光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等。计量光栅又分为长光栅和圆光栅。计量光栅圆光栅长光栅黑白光栅切向光栅玻璃体金属体金属膜玻璃体玻璃体透射光栅反射光栅透射光栅径向光栅闪耀光栅幅值光栅相位光栅光栅的分类Xi’anJiaotongUniversity根据栅线形式不同，分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，亦称幅值光栅；闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，亦称相位光栅。根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，如光学玻璃和制版玻璃；反射光栅则将栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。光栅的分类Xi’anJiaotongUniversity长光栅的结构长光栅主要用于测量长度，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。Xi’anJiaotongUniversity径向光栅切向光栅圆光栅也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向分为径向光栅和切向光栅。圆光栅的结构Xi’anJiaotongUniversity光源光电元件透镜主光栅指示光栅光栅传感器由光源、透镜、主光栅（标尺光栅）、指示光栅和光电元件构成。光源和透镜组成照明系统，光线经过透镜后成平行光投向光栅。主光栅与指示光栅在平行光照射下，形成莫尔条纹。光电元件主要有光电池和光敏晶体管，它把莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出。光栅传感器的组成Xi’anJiaotongUniversity主光栅的有效长度即为测量范围。必要时，主光栅可以接长。主光栅与指示光栅之间的距离d可以根据光栅的栅距进行选择，一般取d=W2/λ，W为栅距，λ为有效光波长。测量系统的精度主要由主光栅的精度决定。光栅传感器的组成Xi’anJiaotongUniversity莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角θ时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。莫尔条纹Xi’anJiaotongUniversity当光栅之间的夹角θ很小，且两光栅的栅距都为W时，莫尔条纹间距B（a-a间距）为2sin2WWBKWK为放大倍数。由于θ值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为横向莫尔条纹。WθbaaW莫尔条纹Xi’anJiaotongUniversity（2）位移放大：由于θ值很小，光栅具有位移放大作用，放大系数为：1,BKradW单位（3）减小误差：光电器件接收的是一段莫尔条纹，条纹是由光栅的大量栅线共同形成的。对光栅的刻线误差有平均作用。个别栅线的栅距误差或断线等疵病对莫尔条纹的影响很小，从而提高了光栅传感器的可靠性和测量精度。（1）运动对应关系：任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移动一个栅距W，莫尔条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距；光栅反方向移动时，莫尔条纹也作反方向移动。因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向。莫尔条纹特征Xi’anJiaotongUniversity通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期2π，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。0sin360mxUUUW式中W——栅距；x——主光栅与指示光栅间瞬时位移；U0——直流电压分量；Um——交流电压分量幅值；U——输出电压。光栅信号输出Xi’anJiaotongUniversity将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积：xNW光栅信号输出Xi’anJiaotongUniversity由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。为了能够辨别方向，需要在间距为B/4的位置设置两个光电元件，以得到两个相位差为90°的正弦信号，然后将信号送到辨向电路中去处理。放大整形微分Y1触发器可逆计数器放大整形反相微分Y2≥1延时u1u2u'1u'2u1u'1Wu1W12Q-+HQ辨向电路Xi’anJiaotongUniversityu1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu'2u'1u1u1Wu'1WY1Y2Hu1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu'2u'1u1u1Wu'1WY1Y2H（a）（b）Xi’anJiaotongUniversity当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件1和2分别输出如前图（a）所示的电压信号u1、u2，经过放大整形后得到相位相差90°的两个方波信号u’1、u’2。u’1经反相后得到方波u”1。u’1和u”1经RC微分电路后得到两组光脉冲信号u’1w和u”1w，分别加到与门Y1和Y2的输入端。对与门Y1，由于u’1w处于高电平时u’2总是低电平，故脉冲被阻塞Y1无输出。对与门Y2，u’1w处于高电平时u’2也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置“1”，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数。同理，当主光栅反向移动时，输出信号波形如图（b）所示，与门Y2阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进行减法计数。这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数即代表光栅位移。辨向电路Xi’anJiaotongUniversity若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量，可以增加刻线密度，但这种方法制造、安装及调试困难；采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。细分电路Xi’anJiaotongUniversity四倍频细分法在辨向原理中已知，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。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。细分方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等，直接细分又称为位置细分，常用的是四倍频细分。细分电路Xi’anJiaotongUniversity四倍频细分电路及波形Xi’anJiaotongUniversity光栅传感器产品线位移光栅传感器圆光栅编码器Xi’anJiaotongUniversity数控机床位置控制框图由控制系统生成的指令Pc控制工作台移动，光栅传感器不断检测工作台的实际位置Pf并进行反馈，形成位置偏差Pe，调整工作台的位置。当Pe=0时，表示工作台已到达指令位置。光栅数字传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity感应同步器感应同步器由两个印刷电路绕组构成，类似于变压器的初、次级绕组，又称平面变压器。相对位移会引起两个绕组间的互感量变化，因此可以测量位移，分为直线型（直线位移）和圆盘型（角位移）。直线型感应同步器的基本结构：由定尺和滑尺组成——定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。绕组分布不同——定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。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。Xi’anJiaotongUniversity直线型感应同步器的绕组结构节距Xi’anJiaotongUniversity圆盘式感应同步器（旋转式）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。感应同步器Xi’anJiaotongUniversity定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量。感应同步器的工作原理定尺与滑尺间的气隙应保持在0.25±0.05mm范围内。Xi’anJiaotongUniversity感应同步器中的电磁感应dIeMdtXi’anJiaotongUniversity感应同步器的工作原理Xi’anJiaotongUniversity在滑尺上施加的正弦激磁电压为：正弦或余弦绕组在定尺上相应产生的感应电势分别为：2cossinSmekUtxW2coscosCmekUtxWsinimuUt感应同步器的工作原理式中x——机械位移；W——绕组节距；R——激励绕组内阻，忽略感抗；M——互感系数。cosimduMekUtRdt感生电势为：Xi’anJiaotongUniversity感应同步器的工作原理感应同步器的输出信号是一个反映定尺与滑尺相对位移的交变感应电势，可以通过鉴相法或鉴幅法对输出信号进行处理，得到位移信息。鉴相法：根据感生电势的相位鉴别位移量；在滑尺的正弦、余弦绕组上施加频率相同、幅值相同、相位差为90的交流电压励磁，即定尺输出的总感应电势为：将感生电势输入数字鉴相电路，可由相位得到位移。sincossmcmuUtuUtcos()sinsin()cossin()SCmmmeeekUtkUtkUtxW2练习某感应同步器采用鉴相型测量电路解算被测位移，当定尺节距为0.5mm，激励电压为5sin500tV和5cos500tV时，定尺上的感应电动势为，试计算此时的位移。解：采用鉴相型电路测量时，被测位移量转换为载波相位的变化，即，根据已知条件，可得：Xi’anJiaotongUniversity22.510sin500V5t2xW10.50.05mm252WxXi’anJiaotongUniversity感应同步器的工作原理鉴幅法：根据感生电势的幅值鉴别位移量。在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、幅值不同的正弦励磁电压，即定尺绕组输出的总感应电势为：将感生电势输入数字鉴幅电路，可由幅值得到位移。coscossScCuUtuUtcossinsmcmUUUU