数字式位移传感器
位移传感器
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有 多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b） 所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一 个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时， 次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之 间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位 置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1> e2 ， ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往 复变化，其输出电压ey，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。
2. 数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同
特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输 出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲
就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数 字式传感器的工作原理。 1）光栅位移传感器
光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它 的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般 为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相 差很多，其结构如图3-8所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光 栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角 度 ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
LVDT详解
图1-6
图1-5
图1-7
回弹式LVDT 内弹簧式LVDT
弹簧在线圈内运动，要求弹簧无磁，如图1-8所示。 滚珠导轨式LVDT
用于精密测量，与带滚珠导轨的测量头相连接，弹簧为宝塔形态，如图19所示。
图1-21 图1-8
图1-9
高压LVDT 气密封型LVDT
LVDT线圈密封在焊接的外管中，引出线用耐压的插座连接，如图1-10所示。
器分为三级： 商业级：0℃～+70℃ 工业级：-40℃～+85℃ 军 级：-55℃～+125℃ 9. 时间常数小，动态特性好，频带宽一般为200HZ（5ms）最高可500HZ （2ms）。 10.毛利率高：50%。
LVDT的特点
LVDT与光栅，磁栅，同步感应器等高精度测长仪器相比有以下几个优 点：
度20g。 5. 体积小，价格低，性能价格比高。
LVDT分类
按用途分类 交流LVDT 直流LVDT 回弹式LVDT 高压LVDT 航空航天LVDT 特种LVDT
交流LVDT 技术指标
交流LVDT的技术指标：
输入电压: 3Vrms (1～20Vrms)
激励频率: 2.5KHz (1～10KHz)
线性度: 0.5%;0.25%;0.2%;0.1%
LVDT工作原理 直流LVDT，更确切地说应该称为位移变送器。它是在位移传感器
LVDT基础上，外加电路，不论多大行程，都可以使其输出均为0～ ±5V，或0～±10V标准电压信号，或4～20mA标准电流信号的变送 器，其方框图如图1-2：
图1-2
LVDT的特点
1.结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好，性能价格比高，利税 率高。
（6.36—127毫米）≤0.5% 10.0英寸（254毫米）≤1.0% 输出： 4～20mA，二线制环路 回路供电： 12.75 to 28VDC 最大回路电阻： 600Ω@28VDC\ 输出噪声与纹波：25µA Pk-Pk (最大) 工作温度： -13°F至185°F（-25°至85°C） 灵敏度温度系数：0.04%/°C （最大） 稳定性： 30分钟预热之后为0.10%
位移的测量
敏度的位移测量。
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3.3 常用位移传感器测量电路
3.3.1电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的 改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理不同，电感 式传感器可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲的电 感式传感器通常是指自感式传感器。而互感式传感器由于它 是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压 器传感器。
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3.3 常用位移传感器测量电路
采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界 影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相 抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。
(2)电感传感器的测量电路 电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压
式中，
——空气隙厚度; ——空气隙的有效截面积; ——真空磁导率，与空气的磁导率相近。
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3.3 常用位移传感器测量电路
因此电感线圈的电感量为：
此式表明，当被测量使 , 或 发生变化时，都会引起 电感L的变化，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另 一个参数，电感量即为该参数的单一函数。由此，电感传感 器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型，如图3-2所 示。
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3.3 常用位移传感器测量电路
差动变压器式传感器也有变气隙式和变面积式，但最多采用 的是螺管式。图3-6为螺管式差动变压器的结构示意图。
差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分 布电容等的影响)，它的等效电路如图3-7所示。图中u1为一 次线圈激励电压;M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈间 的互感；L1、R1分别为一次线圈的电感和有效电阻；L21、 L22分别为两个二次线圈的电感；R21、R22分别为两个二次 线圈的有效电阻。
1-4 位移传感器解析
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4.1.1 光栅传感器
放大
圆光栅还有一个 参数叫栅距角 γ 或称 w 放大 a b 节距角 , 它是指圆光 栅上相邻两条栅线 的夹角。
a w
b
(a ) 长光栅
(b ) 圆光栅
4.1.1 光栅传感器
2. 莫尔条纹原理
莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮 光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅 （通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多微小的 窗口排列而成。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
微窗单元为一长方形, 中间有一透光孔, 透光 孔内光强透过率为一常数C, 孔以外区域光强透过 率为零或接近于零, 透光孔的内边缘沿y 方向的跨 度Δ y是一个变量，可表示为 h y 1 sin 2 x W 2
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4.1.1 光栅传感器
1.光栅位移传感器的结构 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透 光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅， 或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和 漫反射的条纹，称为反射光栅。
利用光栅的一些特点可进行线位移和角位 移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长 度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的 光栅为圆形，称之为圆光栅。
如果滑尺相对于 定尺自某初始位置算 起的位移量为x。则x机 械位移引起的电角度 变化θ＝2πx/W。
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4. 感应同步器信号处理方式
当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uos= K us cos K— 电磁感应系数 —定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uoc = K uc cos（ + π /2） =－K ucsin
位移传感器
位移传感器一、简介位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。
在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。
按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。
模拟式又可分为物性型和结构型两种。
常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。
这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
二、工作原理电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。
但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。
电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。
物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。
阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。
通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。
线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。
如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。
因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。
电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。
它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
数字式传感器
常采用的细分方法有：四倍频细分、电桥细分、 复合细分等。
（1）四陪频细分
将辨向原理中相隔B／4的两个光电元件的 输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为 π/2的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲 信号，实现所谓四倍频细分。
在上述两个光电元件的基础上再增加两个 光电元件，每两个光电元件间隔1／4条纹间距， 同样可实现四倍频细分。
6.1 数字调制传输系统的实际应用 6.2 二进制数字调制及其抗噪声性能分析 6.3 数字信号的最佳接收 6.4 多进制数字调制 6.5 本章 MATLAB仿真实例 本章小结 习题
6.1 数字调制传输系统的实际应 用
在数字电视系统中,多采用多进制的数字调制。所谓数 字电视,就是将传统的模拟电 视信号经过抽样、量化和编码 转换成用二进制数代表的数字式信号,然后进行各种功能的 处理、传输、存储、监测和控制的一种全数字处理过程的端 到端系统。它从电视节目的录 制、播出到发射和接收,全部 采用数字编码与数字传输技术。
• 图6－4 包络(非相干)检波法的原理框图
光栅栅距
两光栅刻 线间夹角 （弧度）
莫尔条纹 的间距
α
莫尔条纹 的斜率
tan tan
2
莫尔条纹的间距B
当 1 时，有 B W
当标尺光栅移动方向 向左时，莫尔方向——顺时针
当标尺光栅移动方向 向右时，莫尔条纹的 移动方向？
同轴形 带形 尺形
• 图6－1 数字电视系统的基本原理框图
的数 字信号进行变换,用尽量少 的数字脉冲来表示信源产生的信
息,这就是压缩编码。 信道编码器包括纠错编码和 数字调制,主要解决数字信号传输 的可靠性问题,故又称 为抗干扰 编码。经过纠错编码的传输码流 具有检错和纠错的能力,其作用是 最大限度地减 少在信道传输中的 误码率,然后将经过纠错编码后的
位移传感器
栅位移传感器
光栅位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理 工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床 与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或 者角位移的检测。
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理 进行工作的。当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之 间形成一个小角度 θ ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置 时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗 相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”。
导电塑料电位器
导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的电阻是由 塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。 导电塑料电位器 的耐磨性很好， 使用寿命较长， 允许电刷的接触压力很 大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能承受较 大的功率。 导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导电塑料电位器的标准阻值有 1 kΩ 、2 kΩ 、5 kΩ 和10 kΩ ， 线性度为0.1%和0.2%。
差动变压器的输出特性
（a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（c）相敏检波后 的特性
由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始 位置进行消除，然而因相位误差造成的零点残余电压是无 法通过调节衔铁初始位置进行消除的。 （1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高 性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力， 以提高磁性能的均匀性和稳定性。 （2） 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向， 而且有利于消除零点残余电压。 （3） 采用适当的补偿电路。
变气隙式自感式传感器的结构原理图
（a） 单边式； （b） 差动式
数字位移传感器的工作原理
数字位移传感器由差动变压器（lvdt）和电测仪器组成。
lvdt是把被测位移量变换成电信号的传感器，它具有结构简单使用方便、使用寿命长等特点，可直接用于测量物体间的相对变位，物体的长度变化。
它不但可测静态位移也可测量动态位移，电测仪器由电子测量线路和数字面板表、a/d转换板组成。
a/d转换板有单端16路模拟量输入，a/d转换位数为14位，转换速度达到10μs。
lvdt最基本的结构是由在圆柱形骨架上绕有螺旋形的原边和两个付边绕组所组成的线圈及一可动铁芯构成。
当原边供给一振荡电压时，由于电磁感应，两付边就分别产生感应电压v1和v2。
若铁芯正处线圈的中心位置时，两付边对原边的互感量正好相等，同时两付边的交流电压分别经检测电路检波后，把所得两直流电压取其差值，则输出差动直流电压v为零。
当铁芯往上位移时，上边的付边与原边的互感量增大，而下边的减小，即出现v1》v2，则差动直流输出电压v》o，反之亦然。
lvdt两付边的感应电压v1，v2和差动直流输出电压v与铁芯在线圈中的位置的定性关系见图3，可见差动直流电压v与铁芯位移的大小在某一范围内是呈线性关系的。
直线位移传感器测量时把lvdt壳体夹固在参照物上，把和铁芯连接的测杆紧固在被测点上，当被测对象位移时就带动铁芯相对于线圈移动，从而线性地改变lvdt的输出电压。
这样通过电测仪器测量lvdt输出电压的大小，即可测量出被测对象的位移量。
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90º
辨向电路
四、细分技术
若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。 为了提高分辨力以测得更小的位移量，可采用细分技术：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。
8.2.2 数字式角位移检测方法
u 为光电元件输出
的电压信号;
U
为输出信号中的
0
平均直流分量;
U m 为输出信号中正
弦交流分量的幅值。
2、利用光栅传感器测量线位移的原理
莫尔条纹演示
三、辨向原理及辨向电路 标尺光栅固定，指示光栅向前或向后移动时，莫尔条纹都是
作明暗交替的变化, 从而无法判别光栅移动的方向, 也不能正确 测量出有往复移动时位移的大小。因此必须在测量电路中加入辨 向电路。
2、增量式光电码盘
在圆盘上等角距地开有能透光的两圈缝隙，内缝隙A和外 缝隙B相错半条缝，最外圈开有一个透光狭缝表示码盘零位。 两透光缝相差为90°电气角。
分辨率取决于狭缝数。 优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。 缺点：电源出现故障时，数据丢失。
编码器在数控加工中 心的刀库选刀控制中
的应用
数显表
8.2.1 光栅数字式线位移检测
一、有关光学的基本原理 1、光栅的构造
透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多 明暗相间、宽度相等、间距相等的透光线，称为栅线，设栅线宽 为a，线间缝宽为b，a+b=W称为栅距。通常a=b=W/2。
ห้องสมุดไป่ตู้
2、莫尔条纹原理
播放动画
长光栅莫尔条纹
长光栅光闸莫尔条纹
将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电 信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高
一、接触式码盘
1、二进制码盘
(1) 黑色:导电区 白色:不导电区
(2) 每组同心圆称 为一个码道;
(3) 内码道为高位
外码道为低位
(4)有n条码道，则
角度分辨率为：
Q 360 / 2n
绝对式接触式编码器演示
4个电刷 4码道
+5V输入 公共码道
最小分辨角度为 α=360°/24 =22.5°
2、格雷码盘(循环码)
任意相邻的两个代码间 只有一位代码有变化，即由 “0”变为“1”或“1”变 为“0”。
因此，读数误差最多不 超过“1”，只可能读成相 邻两个数中的一个数——有 效消除非单值性误差。
格雷码盘的译码电路
Bn1Bn2 Bn3 ......B1B0 Bn1Bn2......B2B1 Gn1 Bn1 Gn1 Bn1 Gn G G 1 n2 n3......G1G0 Gi Bi Bi1 Bi Gi Bi1
二、光电码盘 1、绝对式光电码盘
分辨率取决于码道数。 优点：精度高、绝对码输出、断电无影响 缺点：测量范围小，结构复杂
角编码器与旋 转刀库连接 刀具
旋转刀库
角编码器的输出 为当前刀具号 被加工工件
用不同的刀具加工复杂的工件
作业： 一、画出光栅标尺检测线位移的两路 输出信号的波形，设计辨向电路并简 要分析辨向原理。 二、绝对式编码器与增量式编码器各 自优缺点是什么？说明二进制码盘与 格雷码盘的优缺点。说明二进制码盘 误码产生的原因。设计格雷码盘测量 角位移时的输出转换电路。
传感器与检测技术
8.2 数字式位移检测方法
数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合 的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。
★ 数字式位移传感器的优点
测量精密度高、准确度高；
抗干扰能力强，稳定可靠,易于远传；
测量行程范围大；
可与微处理器直接相连，易于实现测量的自动化和数字化。
光栅在机床上的安装位置（3个自由度）
播放动画
圆弧莫尔条纹
单播击放准播中备放…演动…示画
光闸莫尔条纹
播放中播…放…动画
环形莫尔条纹
播放播中放…动…画 单击准备演示
辐射形莫尔条纹
单击播准放备动演画示
1—标尺光栅 2—指示光栅 3—光电器件 4—光源
标尺 光栅
指示 光栅
均匀刻线
夹角
移动
明暗相间 条纹
莫尔条纹
莫尔条纹演示
二、利用光栅测量线位移的原理 1、光栅传感器输出信号波形