数字式传感技术

透光线纹宽度：白的部分 b 不透光线纹宽度：黑的部分 a 栅距：W=a+b ,一般 a=b 常见长光栅的线纹宽度为（25，50，100，125，
250）线/mm。
2）圆光栅
刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘， 用来测量角度或角位移。
根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径 向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同 心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切
2）辨向原理与辨向电路
两个光电元件相隔1/4条纹
两个相差π/2电压信号U01和U02
微分 电路
整形后得到两个 方波U’01和U’02
设计数器记得脉冲数为 N，位移
x=N W 光栅测量位移属于增量 式测量。
辨向电路原理框图 左移
右移
3.1.3 细分技术 目的：提高分辨力（测量比栅距更小的
位移量）。
3.1.4 光栅数显装置
２ ４）
（ ＨＫＥ ７ ０ １ ３ １
该芯片的主要功能是：为整机提供高频和低频 脉冲；完成 Ｂ Ｃ Ｄ译码；完成 Ｘ Ｊ 校验以及超 速报警。
3.1.4 光栅数显装置
３
（ ＨＫＥ
７０１２０１）
该芯片的主要功能是：接收从光栅信号处 理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收 参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值， 同时也完成清零、置数、记忆等功能。
3.1 光栅传感器------光电传感器
光栅传感器是利用光栅的莫尔条纹现象，将被 测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条 纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从 而实现精密测量。
3.1.1光栅的结构和类型
光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。 通常，标尺光栅固定在活动部件上，光栅读数 头安装在固定部件上。
额定值时铁心截面较小的那一段磁路每周两次被激励而产生磁饱和，使磁栅
所产生的磁力线不能通过铁心。只有当激磁电流小于额定值时，铁心不被饱
和，磁栅的磁力线才能通过铁心。此时输出绕组有感应电势受其调制输出。
其频率为激磁电流频率的两倍，输出电压的幅度与进入铁心的磁通量成正比，
即与磁头相对于磁栅的位置有关。
E Em cos 2 x sin t, W
3.2.1 磁栅传感器的组成及类型
1 磁栅传感器的组成：磁栅（磁尺）、磁头、检测电路
静态磁头
磁栅是在非导磁材料制成的尺 基上镀一层均匀的磁性薄膜， 并录上一定波长的磁信号。 节距W：磁信号的波长。
0.05mm和0.2mm 图中N与N、S与S重叠部分磁 感应强度最强，但极性相反。 磁头有动态磁头(速度响应式 磁头)和静态磁头（磁通响应 式磁头）两种。动态磁头有一 个输出绕组，只有在磁头和磁 栅产生相对运动时才能有信号 输出。静态磁头有激磁和输出 两个绕组，它与磁栅相对静止 时也能有信号输出。
选购卧式投影光学计管（或目视卧式光学计管） 及大小活动测钩即可进行比较测量。
3.2 磁栅传感器
磁栅传感器具有制作简单、复制方便、易于 安装和调整、测量范围宽（几十mm到数十m）、 不需要接长、抗干扰能力强等一系列优点，因而 在大型机床的数字检测、自动化机床的自动控制及 轧压机的定位控制等方位得到广泛应用。
在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运 动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运 动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
• 在相差BH/4位置上安装两个光电元件，
得(2到) 细两分个技相术位相差π/2的电信号。
• 若将这两个信号反相就可以得到四个 依次相差π/2的信号，从而可以在移动 一个栅距的周期内得到四个计数脉冲， 实现四倍频细分。
２ 磁栅的类型
磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。长磁栅 主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角 位移测量。
3.2.2 磁栅传感器的工作原理
１ 基本工作原理------静态磁头
静态磁头有激磁N1和输出N2两个绕组，它与磁栅相对静止时也能有 信号输出。
激磁绕组N1的作用相当于一个磁开关。当对它加以交流电时，达某一
例W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻 线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。
（ ２ ）位移的放大特性
莫尔条纹的间距：B
两光栅刻线夹角为：
当 1 时，
BW
θ 越 小 ， B 越 大 ， 这 相 当 于 把 栅 距 W 放 大 了 1/θ 倍 。 例 如 令 W=0.02mm ，θ=0.0017rad，则B=11.46mm相当于把栅距放大了 573倍，
3.1.5 光栅传感器的应用
由于光栅传感器测量精度高、动态测量范 围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动 化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的 应用。
光栅传感器通常作为测量元件应用于机床 定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量 速度、加速度、振动等。
光栅栅距W＝0.01μm， 照明光源采用红外发光二极管TIL-23， 其发光光谱为930nm～l000nm， 接收用LS600光电三极管， 两光栅之间的间隙为0.02nm～ 0.035mm，
Em 感应电势的幅值，x--机械位移量
为辨别方向，静态磁头总是成对使用,其间距为(m+1/4)W，其中m为
正整数,W为磁栅栅条的间距。两磁头的激励电流或相位相同,或相差л/4。输
出信号通过鉴相电路或鉴幅电路处理后可获得正比于被测位移的数字输出。
2 基本工作原理------动态磁头
动态磁头有一个输出绕组，只有在磁头和磁栅产生相对 运动时才能有信号输出。
光栅位移与光强输出电压的关系
由上式可见，输出电压反映了位移量的大小。
２ 辨向原理
1）为什么要辨向
当可动光栅（主光栅）无论正向或反向移动 时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔 条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生 同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向， 也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因 而必须在测量电路中加入辨向电路。需要两个有 一定相位差的莫尔条纹。
说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。
（ ３ ）移动特性 位移移动一个栅距W，莫尔条纹也移动一个间
距B。
表3.1 光栅移动与莫尔条纹移动关系表
主光栅相对指示光 栅的转角方向
顺时针方向
逆时针方向
主光栅移动方向
←向左 →向右 பைடு நூலகம்向左 →向右
莫尔条纹移动方向
↑向上 ↓向下 ↓向下 ↑向上
B
细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹 信号变化周期内, 发出n脉冲, 每个脉冲代表 原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率 提高了n倍, 因此也称之为n倍频。
细分类型：
常用的细分方法有四倍频细分、电位器桥 细分、复合细分等。
1. 四倍频细分 在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个
相差π/2电压信号（S和C），将这两个信号整形、 反相得到四个依次相差π/2的电压信号。0°（S）， 90°（C）180°（S）270°（C）。
• 因为在一个莫尔条纹的间距内不可能 安装更多的光电元件。 优点是，对莫尔 条纹产生的信号波形没有严格要求。
2.电桥细分法
设Z点的输出电压为，根据电工基础中的节点电压法可知：
式中
，
，g3
1 R3
若电桥平衡，
则
,
(3.2)
如前述，莫尔条纹信号是光栅位置状态的正弦函数。令 与 的
相位差为 /2，光栅在任意位置x时， 和 可以分别写成Usin 和Ucos ，式(3.2)可改写成
光栅按其形状和用途分为：长光栅和圆光栅.
光栅按光线的走向可分为：透射光栅和反射光 栅。
1.长光栅和圆光栅
1）光栅尺（长光栅，直线光栅） 由标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成。 用于长度测量。
标尺光栅和指示光 栅上都有均匀相互平 行、透光和不透光相 间的线纹，线纹与两 光栅相对运动的方向 垂直。
莫尔条纹有如下几个重要特性: （ １ ）消除光栅刻线的不均匀误差 （ ２ ）位移的放大特性 （ ３ ）移动特性 （ ４ ）光强与位置关系
（ １ ）消除光栅刻线的不均匀误差
光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。
光栅尺的刻线非常密集，光电元件收到的莫尔条纹所对 应的明暗信号，是一个区域内许多刻线的综合结果它对光 栅尺的栅距误差有平均效应，有利于提高光栅的测量精度。 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响 甚微，能在很大程度上消除短周期误差的影响。
(3.3) 由式(3.3)可见，选取不同R1/R2值，就可以得到任意的值，即在 一个节距W以内的任何地方经过零触发器输出一个脉冲。虽然从 式(3.3)看来，只有在第二、第四象限，才能满足过零的条件，但
是实际上取正弦、余弦及其反相的四个信号，组合起来就可以在 四个象限内都得到细分。也就是说通过选择R1和R2的阻值，理 论上可以得到任意多的细分数。
第３章 数字式传感技术
数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字量的装置。
与模拟传感器相比的特点是:测量精度和分辨率更高，抗干扰 能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化 测量。
常见数字传感器：栅式、编码器、频率输出式、感应同步式
第3章 数字式传感器
本章讲述常用的数字式传感器
3.1 光栅传感器 3.7 RC振荡器式频率传感器 3.2 磁栅传感器 3.8 弹性体频率式传感器 3.3 接触式编码器 3.9 直线式感应同步器 3.4 光电式编码器 3.10 旋转式感应同步器 3.5 电磁式编码器 3.11 旋转变压器 3.6 脉冲盘式传感器 3.12 典型应用举例
图中的上方显示出磁尺的磁化波形。在N和N、S与S重 叠部分的磁感应强度的绝对值最大，磁头的输出电压包络 线也最高。若磁尺的磁化从N到S的磁感应强度是呈正弦 波变化，则磁头的输出电压也呈受调制波形，见下面出现 的调幅波