第13章 数字式传感器

第13章 数字式传感器
13.1.2 光栅传感器的组成
光栅读数头: 利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电
信号；光栅数显表: 实现细分、辨向和显示功能的电子系统。
标尺光栅的有效长度即 为测量范围。指示光栅比标 尺光栅短得多，但两者一般 刻有同样的栅距，使用时两 光栅互相重叠，两者之间有 微小的空隙。 标尺光栅一般 固定在被测物体上，且随被 测物体一起移动，其长度取 决于测量范围，指示光栅相 图13 – 3 光栅读数头结构示意图 对于光电元件固定。 1. 光栅读数头
W
图13 – 1 透射光栅示意图
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2. 光栅测量
W 莫尔条纹：把两块栅距相等的光 栅 1 、光栅 2 面向对叠合在一起， 光栅 1 中间留有很小的间隙，并使两者 d d 的栅线之间形成一个很小的夹角θ， f f 这样就可以看到在近于垂直栅线 d d 方向上出现明暗相间的条纹 在d - d线上，两块光栅的栅线 f f BH 重合，透光面积最大， 形成条纹 d d 的亮带， 它是由一系列四棱形图 光栅 2 案构成的； 在f - f线上，两块光栅的栅线 错开，形成条纹的暗带，它是由 图13-2 光栅莫尔条纹的形式 一些黑色叉线图案组成的。
激励时加上等幅等频，相位差为 90°的交流电压，即分别以
sinωt和cosωt来激励，这样，就可以根据感应电势的相位来鉴别 位移量， 故叫鉴相型。
第13章 数字式传感器 当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sinωt，感应电势为 式中，k为耦合系数。
es kUm cost sin
图13-11 圆感应同步器示意图 (a) 定子； (b) 转子
第13章 数字式传感器 13.3.2 信号处理方式 按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的 特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。下面以长 感应同步器为例进行叙述。
1. 鉴相方式
滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开 1/4 定尺的节距，
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莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。
(1) 位移的放大作用 之间的关系为 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ
BH
W sin

2

W

（13 - 1）
θ 越 小 ， BH 越 大 ， 这 相 当 于 把 栅 距 W 放 大 了 1/θ 倍 。 例 如 θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这 相当于把栅距放大了573倍. (2) 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动 时，莫尔条纹将沿着光栅 2 的栅线向上移动；反之，当光栅 1 向 左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 (3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线 纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误 差的影响。
2x uo Uo U m sin 2 W
（13 - 2）
式中： uo——光电元件输出的电压信号； Uo——输出信号中的平均直流分量； Um——输出信号中正弦交流分量的幅值。 输出电压反映了位移量的大小。
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正最 大 输出 电压 uo Um Uo a b c
(13-7) (13-8)
uc U c cost
第13章 数字式传感器 它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为 es=kωUs sinωt sinθ ec=kωUc sinωt cosθ 定尺的总感应电势为 e=es+ec=kωUs sinωt sinθ+kωUc sinωt cosθ =kωUm sinωt(cosφ cosθ+sinφsinθ) =kωUm sinωt cos(φ-θ) 式中把感应同步器两尺的相对位移 x=2πθ/ω 和感应电势的幅值 kωUm cos(φ-θ)联系了起来。
第13章 数字式传感器 2. 鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、 同相但幅值 不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量， 称为鉴幅型。 加到滑尺两绕组的交流励磁电压为
us U s cost
式中 Us=Um sinφ； Uc=Um cosφ； Um——激励电压幅值； φ——给定的电相角。
当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非
磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分 状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件 要求较低，但成本较高。
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13.3 感 应 同 步 器
13.3.1 结构原理
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（1） 辨向原理
3 1 2 4
BH 4 B B
u
u1
3W 4
u2
0 W W
4 2
W
x
A
u1
u 2
Y1 A
A
u1 u 2
A
Y2
1 、 2 —光 电 元 件 ； 3 、 4 —光 栅 ； A( A )—光 栅 移 动 方B 向 ( ； ) —A 与 ( B )对 应 的 莫 A尔 条 纹 移 动 方 向
光电式编码器
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13.2.1 光电式编码器
2
48 C6 32
4
5
1
0
C1
3 1 —光 源 ； 2 —透 镜 ； 3 —码 盘 ； 4 —窄 缝 ； 5 — 光电 元件组
16
图13-6 光电式编码器示意图
图13-7 码盘构造
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48 R6
32
0 R1
二进制码当某一较高的数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。如 果由于刻划误差等原因， 某一较高位提前 或延后改变，就会造成粗误差。 可用循环码代替二进制码 , 是一种无权 码。对于n位循环码码盘，最小分辨率 α=360°/2n。
感应同步器有直线式 和旋转式两种，分别用于 直线位移和角位移测量， 两者原理相同。
e
1 W 4
(a ) x
Us
Uc 余弦绕组 (b )
图13-10 长感应同步器示意图 (a) 定尺； (b) 滑尺
正弦绕组
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sin cos cos
sin
sin
cos
cos
sin (a ) (b )
当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcosωt）, 感应电
势为
ec kUm cost sin
e es ec kU m cost sin kU m sin t cos kU m sin(t )
按叠加原理求得定尺上总感应电动势为
式中的 θ=2πx/ω称为感应电动势的相位角，它在一个节距 W之内 与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距， 变化一个周期（2π）。
图13 – 5 辨向逻辑工作原理
第13章 数字式传感器 (2) 细分技术 所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个 脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测 量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分 后计数脉冲频率提高到了 n 倍，因此也称之为 n 倍频。细分方法 有机械细分和电子细分两类。
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电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区
（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马 蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接
触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激
励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转 化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。
第13章 数字式传感器 13.2.2 磁编码器 由磁鼓与磁阻探头组成
2 3
多极磁鼓有两种：一种是塑 磁磁鼓， 在磁性材料中混入 适当的粘合剂，注塑成形； 另一种是在铝鼓外面覆盖一 层粘结磁性材料而制成。
N NS
SN
NS SN NS
S
4 1
多极磁鼓产生的空间磁场由 磁鼓的大小和磁层厚度决定， 1 —磁鼓；2 —气隙；3 —磁敏传感部件；4 —磁敏电 磁阻探头由磁阻元件通过微 细加工技术而制成，磁阻元 图13 – 9 磁编码器的基本结构 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。
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13.1 光栅传感器 13.2 编码器 13.3 感应同步器
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13.1 光 栅 传 感 器
13.1.1 光栅的结构及工作原理
a b
1. 光栅结构 光栅：在镀膜玻璃上均匀刻制许多 有明暗相间、等间距分布的细小条 纹，又称为刻线 a为栅线的宽度（不透光）， b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅栅距（光栅常数）。 通常a=b=W/2， 也可刻成a∶b=1.1∶0.9。
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感应 同步器
13.3.3 感应同步器位移测量系统
参考 信号 0 脉 冲 —相 位 变 换 脉 冲 发生 器 门 sin 激 磁 供 电 线 路 cos 放大 整形
指令 信号 1 误差 信号
鉴相 器
反馈 信号 2
可逆 计数器
译码 显示
图13 –12 鉴相测量方式数字位移测量装置方框图
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图13-8 6位循环码码盘
表13-1 四位二进制码与循环码对照表
第13章 数字式传感器 循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将 它转换成二进制码然后再译码。 按表13 -1 所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关 系为 Rn Cn (13-3) Ri Ci Ci 1 或 Ci Ri Ci 1 式中： R——循环码； C—二进制码。 用与非门构成循环码 -二进制码转换器，所用元件比较多。 采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码或任意进制码。 如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大， 而且精度也难以达到。这时可采用双盘编码器， 它的特点是由 两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。