传感器与检测技术(第3版)[谢志萍]04

第4章数字式传感器电子工业出版社传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器4.1.1光栅的分类传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器圆光栅刻线方向传感器与检测技术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传感器与检测技术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—光电元件传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器1．长光栅副传感器与检测技术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。22sin22传感器与检测技术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：（1）平均效应。（2）放大作用。（3）对应关系。1WBX传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器2．圆光栅副rWRB2传感器与检测技术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。传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器（2）透射分光式光路。传感器与检测技术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—光电元件传感器与检测技术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—光电元件传感器与检测技术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，如图传感器与检测技术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：WxUUU2sinm0式中，0U为输出信号的直流分量；mU为交流信号的幅值；x为光栅的相互位移量。传感器与检测技术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—指示光栅传感器与检测技术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。传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器（2）电桥细分法。12L1o121o1212o222o222L2L220()/()/()/()///iiiiuuRuuGiuuRuuGiuRuG2o11o22123()/()uuGuGGGG022o11oGuGu21cossintanRR传感器与检测技术4.1光栅数字式传感器4.1.4光栅传感器的应用1．光栅位移传感器型号BG1BG1A光栅栅距40m（0.040mm）、20m（0.020mm）、10m（0.010mm）光栅测量系统透射式红外光学测量系统，高精度性能的光栅玻璃尺读数头滚动系统垂直式五轴承滚动系统，优异的重复定位性，高精度测量精度45°五轴承滚动系统，优异的重复定位性，高等级的测量精度防护尘密封采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶，防水、防尘优良，使用寿命长分辨率1m2m5m10m有效行程50～3000mm每隔50mm一种长度规格（整体光栅不接长）工作速度＞20米/分钟工作环境温度0℃～50℃湿度≤90(20±5℃)工作电压5V±5%12V±5%输出电压TTL正弦波传感器与检测技术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0.8±0.15mm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。传感器与检测技术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。传感器与检测技术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用。传感器与检测技术4.2磁栅数字式传感器4.2.1磁栅的结构和种类传感器与检测技术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（0.005～0.01）mm/m，圆磁栅的不圆度为0.005～0.01mm，表面粗糙度要小。传感器与检测技术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—输出波形传感器与检测技术4.2磁栅数字式传感器2．静态磁头tWxUUsin2sinm1—磁头；2—磁栅；3—输出波形传感器与检测技术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。tWxUUsin2sinm1tWxUUsin2cosm21m2sinxUUW2m2cosxUUW传感器与检测技术4.2磁栅数字式传感器2．鉴相方式tWxUUcos2sinm1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：tWxUUsin2cosm2txUU2sinm传感器与检测技术4.2磁栅数字式传感器4.2.4磁栅传感器的应用传感器与检测技术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。传感器与检测技术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，其截面结构如图传感器与检测技术4.3感应同步器滑尺绕组由两组绕组（正弦和余弦绕组）所构成，如图传感器与检测技术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。传感器与检测技术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，如图传感器与检测技术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（0.20～0.05mm）装配而成，可以用来测量角位移，也可以测量直线位移。传感器与检测技术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传感器与检测技术4.3感应同步器我们先假定滑尺上只有一个绕组，如图传感器与检测技术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lx2MmMmMmMsincoscossinsin()eKUtKUtKUt传感器与检测技术4.3感应同步器2．鉴幅处理McMssincoscoscostKUtKUe)sin(cosMEmtKU)sin(.cosEMmKUtxlKUtKUecos2sinsincosmMm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、滑尺间的相对位移量传感器与检测技术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传感器与检测技术4.3感应同步器SF2-Ⅱ数显表框图传感器与检测技术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传感器与检测技术4.4编码器2．脉冲盘式编码器的辨向方式传感器与检测技术4.4编码器4.4.2码盘式编码器1．接触式编码器传感器与检测技术4.4编码器电刷在不同位置时对应的数码角度电刷位置二进制码（B）循环码（R）十进制数0a0000000001b0001000112c0010001123d0011001034e0100011045f0101011156g0110010167h0111010078i1000110089j10011101910k1010111110角度电刷位置二进制码（B）循环码（R）十进制数11l101111101112m110010101213N110110111314O111010011415P1111100015传感器与检测技术4.4编码器V扫描法的电刷分布和逻辑电路传感器与检测技术4.4编码器2．光电式编码器传感器与检测技术4.4编码器3．电磁式编码器传感器与检测技术4.4编码器4.4.3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。传感器与检测技术4.4编码器CHA-2型增量型编码器的输出电路传感器与检测技术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：1c/fmt1c1c60/60(/)/60/()nfNmtNmNt传感器与检测技术4.4编码器例4.1某编码器的指标为1024个脉冲/r（1024p/r），在0.4s时间内测量得4K个脉冲（1K=1024），求转速n。解：编码器轴的转速为：1c60/()6041024/(10240.4)600(r/min)nmNt传感器与检测技术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1s），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：2cTmT2cc260/60/()60/[()]60/()nfNTNmTNfNm若编码器每转产生N个脉冲，则转速为：传感器与检测技术4.4编码器例4.2某编码器的指标为1024个脉冲/r（1024p/r），标准时钟频率fc=1MHz，测得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m2=1000个，求转速n。解：编码器轴的转速为：6c260/()60110/(10241000)58.6(r/min)nfNm传感器与检测技术4.4编码器2．工位编码传感器与检测技术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。传感器与检测技术4.5拉线位移传感器4.5.1拉线位移传感器工作原理传感器与检测技术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。传感器与检测技术4.5拉线位移传感器（2）装配灵活。传感器与检测技术4.5拉线位移传感器（3）体积小巧。相对于测量范围来说，拉线位移传感器具有较小的尺寸。