数字式传感器

0755-83376489第10章数字式传感器10.1光栅传感器10.2磁栅传感器10.3感应同步器10.4角数字编码器10.5频率式数字传感器0755-83376489第10章数字式传感器模拟式传感器——模拟量传感器—数字式传感器——数字量数字式传感器的优点：测量精度与分辨率高，无读数误差；抗干扰能力强，稳定性好，易于远距离传输；易于与微机接口，便于信号处理和实现自动化测控。数字式传感器分类：脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编码器；数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。0755-8337648910.1光栅传感器物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等光栅线位移长光栅—长度测量计量光栅：莫尔条纹现象（透射式和反射式）角位移圆光栅—角度测量0755-8337648910.1光栅传感器10.1.1光栅传感器的结构和原理10.1.1.1结构：图10-1黑白透射式光栅示意图0755-8337648910.1光栅传感器结构:照明系统：普通白光源，GaAs固态光源等；光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅；光电接收元件：光电池或光敏三极管。光栅：刻线宽度a，刻线间距b，通常a=b=W/2；或a:b=1.1:0.9；光栅栅距（或光栅常数）W=a+b；光栅规格：10、25、50、100线/mm。0755-8337648910.1光栅传感器10.1.1.2工作原理1．莫尔（Moire）条纹的形成光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻线之间保持很小的夹角，由于遮光效应，在近于垂直栅线方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（Moire）条纹。如图10-2所示。Moire条纹的间距B为图10-2光栅和横向莫尔条纹WW222sin2WB（10-1）0755-8337648910.1光栅传感器2.莫尔（Moire）条纹的基本特性（1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对应关系；（2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间距B，由B=W/知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移；（3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果；（4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分技术，提高测量分辨率。0755-8337648910.1光栅传感器10.1.2光栅传感器的测量电路10.1.2.1光栅的输出信号主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关系。光电元件输出电压uo可表示为式中，Uav—输出信号的平均直流分量；Um—输出信号的幅值，Um=Uav。(10-2))2cos1()22sin(WxUWxUUummavo0755-8337648910.1光栅传感器光栅输出信号的光电转换电路及其输出信号波形如图10-3所示。图10-3光栅输出信号（a）光电转换系统示意图（b）输出信号波形0755-8337648910.1光栅传感器光栅传感器测位移x的原理：当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉冲，则位移量x为x=NW(10-3)式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。输出信号灵敏度：输出电压信号的斜率为(10-4)由上式可见，当2x/W=n，即x=W/2、W、3W/2、…时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为Ku=2Um/W(10-5)WxWUdxdumo2sin20755-8337648910.1光栅传感器10.1.2.2辨向原理计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。图10-4光栅辨向原理图0755-8337648910.1光栅传感器辨向原理：在相距B/4位置设置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的Moire条纹正弦电压信号u1和u2，然后送到辨向电路中去处理。正向移动（A）时，Y1输出脉冲，计数器作加法计数；反向移动（）时，Y2输出脉冲，计数器作减法计数。由此辨向，进行位移的正确测量。0755-8337648910.1光栅传感器10.1.2.3细分技术细分技术就是当Moire条纹变化一个周期时，输出若干个计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。1.机械细分(位置细分或直接细分)在一个Moire条纹间距上相距B/4依此设置四个光电元件。当Moire条纹变化一个周期时，可以获得依此相差/2的四个正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图10-5），实现四细分。图10-5四倍频机械细分法0755-8337648910.1光栅传感器2.电子细分（正、余弦组合技术）电子细分只需在一个Moire条纹间距上相距B/4的位置设置两个光电元件，获得相差/2的两个正弦信号u1=Umsin(2x/W)；u2=Umcos(2x/W)（10-6）（1）四倍频细分由u1、u2及其各自的反相信号u3、u4，可以获得依此相差/2的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四细分。0755-8337648910.1光栅传感器（2）电阻电桥细分图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载电阻无穷大，则电桥输出电压uo为(10-7)21211212122211RRuRuRRRRuRRRuuo电桥平衡条件R2u1+R1u2=0令2x/W=，则式（10-6）改写为u1=Umsin和u2=Umcos，代入上式，得tan=R1/R2（10-8）R1/R2x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/2图10-6电阻电桥细分原理0755-8337648910.1光栅传感器由于R1/R2与位移x有严格的对应关系，用电桥平衡信号（uo=0）去触发施密特电路，便发出脉冲计数信号。从式（10-8）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是，如果同时用u1、u2的反向信号，便可在四个象限中得到任意的细分组合。图10-7就是这种电阻电桥10细分电路的例子。图10-7电阻电桥10细分电路0755-8337648910.1光栅传感器（3）电阻链细分法电阻链细分实质上也是电桥细分，只是结构形式不同而已。如图10-8所示，对任一输出电压为零时，有如下关系10-8电阻链细分电路nxxxxRRRRRRtan1121（10-9）0755-8337648910.2磁栅传感器10.1.3零位光栅和绝对零位光栅测量系统是一个增量式测量系统，在测量过程中，它只有相对零位。实际测量过程中需确定一个基准点，即绝对零位。零位光栅确定系统的绝对零位。零位光栅是在标尺光栅和指示光栅的原有刻线之外另行刻制的，最简单的零位光栅刻线是一条单独刻制的透光亮线。圆光栅传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测量。0755-8337648910.2磁栅传感器10.1.4光栅传感器的应用光栅传感器因其测量精度高、量程大、易于实现系统的自动化和数字化，广泛应用于机械工业中数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量、机床运动链的比较和反馈校正以及工件和工模具形状的二维和三维坐标精密检测等方面。图10-13是透射长光栅传感器结构示意图。图10-13透射长光栅传感器0755-8337648910.2磁栅传感器10.2.1磁栅传感器的结构和工作原理结构：磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电路等组成，如图10-14所示。图10-14磁栅传感器示意图0755-8337648910.2磁栅传感器磁信号节距：长磁栅，=0.05mm，0.02mm两种；磁栅条数在100~30000之间。磁头：动态磁头，非调制性磁头或速度响应式磁头；静态磁头，磁通响应式磁头或调制式磁头。0755-8337648910.2磁栅传感器原理：动态磁头与磁栅间以一定速度相对移动时，磁头线圈输出正弦感应信号，信号的大小与移动速度有关。结构原理如图10-16所示。图10-16动态磁头结构与读出信号0755-8337648910.2磁栅传感器静态磁头为多间隙磁头，磁芯上具有两个绕组（激磁绕组N2和输出绕组N1），它根据激磁绕组所产生的磁感应强度和磁尺上的磁化强度的变化情况，输出一个与磁尺位置相对应的电信号。静态磁头结构如图10-17所示。图10-17静态磁头结构0755-8337648910.2磁栅传感器0755-8337648910.2磁栅传感器静态磁头的工作原理如图10-18所示。激磁绕组相当于一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的和Rm随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻Rm在磁芯中的作用相当于一个“磁开关”，对磁尺产生的磁通起“导通”和“阻断”作用，从而引起输出绕组的磁芯回路中的磁通变化，产生感应电动势。每一激磁电压周期内有两次磁通变化，感应电动势频率是激磁电压频率的2倍，幅值与磁尺所产生的磁通量大小成比例。0755-8337648910.2磁栅传感器图10-18静态磁头磁栅传感器工作原理图0755-8337648910.2磁栅传感器10.2.2磁栅传感器测量系统磁栅传感器测量系统都采用两个多间隙磁头来读出磁尺上的磁信号，如图10-14所示。双磁头间隔/4安置，则两磁头的磁信号相位差/4，输出绕组输出相位差/2的两正弦信号(10-14)式中，—磁尺磁信号的空间波长；x—磁头在一个波长内的位置状态；—输出信号的频率，=2f（激励信号频率为f/2）；EO1、EO2—两输出信号的幅值，通过调整，可使EO1=EO2=EO。tsinxcosEe;tsinxsinEeOoOo2222110755-8337648910.2磁栅传感器若采用鉴幅方式，则先经检波去掉高频载波，得(10-15)再送相关电路进行细分、辨向后输出。xEexEeOoOo2cos;2sin2'1'0755-8337648910.2磁栅传感器若采用鉴相方式，用两个相差/4的激磁信号激励，则输出信号为(10-16)将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为(10-17)这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。tsinxcosEe;tcosxsinEeOoOo2221xtsinEeoo20755-8337648910.2磁栅传感器10.2.3磁栅传感器的特点和误差分析磁栅传感器录制的磁信号的空间波长稍大于计量光栅的栅距W；零磁栅录制比零位光栅刻线简单；存在零位误差和细分误差；系统总误差在±0.01m以内；分辨力为1~5m.。0755-8337648910.3感应同步器感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理而制成的测位移的传感器，其输出是数字量，测量精度高，并且能测1m以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。0755-8337648910.3感应同步器10.3.1感应同步器的结构和工作原理结构：直线式:滑尺（平面分段绕组，正、余弦绕组）和定尺（平面连续绕组）感应同步器旋转式(圆盘式)：转子（平面连续绕组）和定子（平面分段绕组，正、余弦组）感应同步器的连续绕组和分段绕组相当于变压器的原边绕组和副边绕组，利用交变电磁场和互感原理工作。0755-8337648910.3感应同步器图10-19直线式感应同步器示意图图10-20圆感应同步器示意图0755-8337648910.3感应同步器原理：图10-21画出一个简化了的直线式感应同步器结构，用来定性地说明它的输出感应电动势与相对位置之间的关系。图10-21感应同步器的相对位置与输出感应电动势的关系S—正弦绕组；C—余弦绕组；(f)感应电势与位移关系曲线0755-8337648910.3感应同步器如图（10-21），在