传感器综述

传感器综述

一、光栅式传感器

光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的，主要用于线位移和角位移的测量。

1.工作原理

光栅式传感器是采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。

2.应用范围

光栅式传感器由于量程大和精度高应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。光栅传感器是依靠光电学机理实现位移量检测，其分辨率高，测量精确，安装使用方便。封闭式的光栅传感器对工作环境适应性强、光栅传感器性能价格比的提高和技术复杂性的降低使其在测长方面有比感应同步器更普遍的应用。

二、磁栅传感器

磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。磁栅式传感器（ magnetic grating transducer ）利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器，成本较低且便于安装和使用。当需要时，可将原来的磁信号（磁

栅）抹去，重新录制。还可以安装在机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。并且可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺,因而精度较高,可达±0.01毫米／米，分辨率为1～5微米。

l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头

1.工作原理

磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。磁尺是用非导磁性材料做尺基，在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜，然后录上一定波长的磁信号而制成的。磁信号的波长（周期）又称节距，用W表示。磁信号的极性是首尾相接，在N、 N重叠处为正的最强，在S、S重叠处为负的最强。磁尺的断面和磁化图形如图所示。

这里以静态磁头为例，简要说明磁栅传感器的工作原理。 静态磁头的结构如上图所示，它有两组绕组N1和N2。其中， N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5 kHz 或25 kHz ， 幅值约为200 mA 。 励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e 。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e 的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。

磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：

式中： Em －感应电势的幅值

W －磁栅信号的节距

x －机械位移量

2.应用范围

磁栅由于价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。应用于大量程，中等精度的场合。

三 、长感应同步器传感器

感应同步器是利用电磁原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。根据用途，可将感应同步器分为直线式和旋转式两种，分别用于测量线位移和角位移。

感应同步器 (inducsyn) 将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器，又称平面式旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测角位移信号，直线式用以检测线位移。感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。

感应同步传感器具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单的优点。可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。

1.工作原理

长感应同步器在工作时，如果在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。该电动势随定尺和滑尺（对长感应同步器而言）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。通过对正弦、余弦函数变化的感应电动势信号的检测处理，便可测量出直线位移量。

2.应用范围

感应同步器已被广泛应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中心测量装置等。感应同步器利用电磁耦合原t W x E E m ωπsin 2cos ∙=

理实现位移检测具有明显的优势：可靠性高，抗干扰能力强，对工作环境要求低，在没有恒温控制和环境不好的条件下能正常工作，适应于工业现场的恶劣环境。

感应同步器利用电磁耦合原理实现位移检测具有明显的优势：可靠性高，抗干扰能力强，对工作环境要求低，在没有恒温控制和环境不好的条件下能正常工作，适应于工业现场的恶劣环境；光栅传感器是依靠光电学机理实现位移量检测，其分辨率高，测量精确，安装使用方便。封闭式的光栅传感器对工作环境适应性强、光栅传感器性能价格比的提高和技术复杂性的降低使其在测长方面有比感应同步器更普遍的应用。