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第3章 数字式传感器,光栅传感器,感应同步器,数字传感器的特点：,数字式传感器,具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。,测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。,采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。,稳定性好，易于微机接口，便于信号处理和自动化测量。,常用数字传感器有四大类：栅式（光栅、磁栅）传感器编码器（接触式、光电式、电磁式）传感器频率输出式传感器感应同步器式传感器,3.1.1.光栅传感器的构成及原理光栅的构成：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的玻璃构成，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。,3.1 光栅式传感器,图3 1 透射光栅示意图,数字式传感器,2.栅距：光栅的栅距，a、b分别为透光和不透光条纹的宽度，通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，125,250条/mm。,数字式传感器,3.莫尔条纹现象当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹，如图所示。,莫尔条纹的形成,莫尔条纹的宽度可按下式计算：设a=b=W/2，则(W/2)/B=sin(/2)，所以，B=W/(2sin(/2)，当很小时，sin(/2)=/2，故有：B=W/，称作莫尔条纹的宽度，又称为节距。,数字式传感器,莫尔条纹（Moire）,4.莫尔条纹的特点平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。,数字式传感器,对应关系：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。,放大作用：由公式B=W/可知，当W一定，而较小时，可使W。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，0.50.009 rad，则：B=0.01/0.0091mm，放大100倍。若=0，则不产生莫尔条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。对于圆光栅，同样有这些特点。,5.光栅传感器的结构 对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。光栅传感器结构为：光源标尺光栅指示光栅光电元件，如图所示。,数字式传感器,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,反射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,二.光栅位移数字转换的基本原理1.光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：,数字式传感器,输出表达式：0mCOS(2/w)X 式中，2/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；精度低；分辨力只为一个栅距W。,怎么解决这两个问题呢？,数字式传感器,2.辨向原理：用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90空间角，B:2=B/4:/2），如图所示，可以解决辨向问题。,当条纹上移时，V2落后于V1 90。当条纹下移时，V2超前于V1 90。因此，由V1、V2之间的相位关系可以 判别运动方向。,数字式传感器,辨向原理 采用图中一个光电元件的光栅读数头，无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。图为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。,从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲,正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2 的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲,则说明u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。,辨向逻辑工作原理,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。,3.细分技术（解决精度问题）当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。,数字式传感器,四个光电元件间隔B/4安装，1，3，2，4分别接入两个差分放大器用以消除共模干扰，这样可以得到两个相差90度的信号sin和cos，经整型等到方波信号，再反相得到A,B,C,D四路方波信号，将四路方波信号再微分，得到四个脉冲,将A,B,C,D与,进行逻辑组合，可由两个输出端输出正向位移脉冲信号和反向位移脉冲信号。当正向运动时，由正向上升沿微分得到正向脉冲，经逻辑到输出；反之亦然。利用这种方法，可在一个周期内输出四个脉冲，所以又称之为四倍频电路，其分辨率提高四倍，当栅距w=10m时，分辨力为2.5m，即脉冲当量为2.5m，当w=4m,其分辨力可为1m。,数字式传感器,2.电位器桥（电阻链）细分实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为90度的交流信号Umsin,Umcos和-Umsin,-Umcos。以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把=0-360度,（x=0-W）分成四个象限。(2x/w=)每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。,四.光栅数显装置,主要芯片简介1.光栅信号处理芯片(HKF710502)主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。2.逻辑控制芯片（HKE701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验及超速报警。3.可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201)主要功能：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。,五.光栅传感器的应用,是利用磁栅与磁头的电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。特点：成本较低且便于安装和使用；制作简单，复制方便；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；精度较高,可达0.01毫米米，分辨率为15微米。测量范围宽（从（几十毫米到数十米）；应用：磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上。,3.2 磁栅传感器（magnetic grating transducer）,3.2.1 磁栅的结构与类型,磁栅的结构 磁栅由磁性标尺、磁头以及检测电路三部分组成。,l磁尺；2尺基；3磁性薄膜；4铁心；5磁头,磁栅的外形及结构图,磁尺,静态磁头,去信号处理电路,固定孔,1）磁性标尺,磁尺可分为两部分，即磁性标尺基体和磁性膜。磁性标尺的基体料由非导磁性材料(如玻璃、铜、铝或其他合金材料)制成。磁性膜是化学涂敷、化学沉积或电镀在磁性标尺基体上的一层厚 的磁性材料，该磁性材料均匀分布在磁性标尺的基体上，且成膜状，故称磁性膜。磁性膜上有用录磁方法录制的间距相等、极性正负交错的磁信号栅条，栅条节距为w。图中NN和SS分别为正负极性的栅条。按磁性标尺基体的形状，磁栅可分为实体式磁栅、带状磁栅、线状磁栅和回转形磁栅。前三种磁栅用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。对于长磁性标尺来说，其磁性膜上的磁波波长一般取0.005，0.01,0.20，1mm等几种；对于圆磁性标尺，为了等分圆周，录制的磁波波长不一定是整数值。,2)磁栅的类型,长磁栅,圆磁栅,（测量直线位移）,（测量角位移）,尺形,带形,同轴形,各种磁尺结构示意图（a）实体式磁尺（b）带状磁尺（c）线状磁尺（d）回转形磁尺,磁尺,磁栅外观图,磁头,德国SIKO 磁栅尺,磁头与磁尺相对运动时的输出波形,3.2.2 磁栅传感器的工作原理,1基本工作原理,磁栅传感器工作原理动画演示,式中：Em感应电势的幅值 W磁栅信号的节距 x机械位移量,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：,磁头 磁头是进行磁电转换的器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。磁头分类：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，不仅能在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时拾取信号，而且也能在它们相对静止时拾取信号。其结构如图所示，它的一个明显的特点就是在它的磁路中设有“可饱和铁心”，并在铁心的可饱和段上绕有两个可产生不同磁通方向的激磁绕组N2和N3。,（静态）磁通响应式磁头,上图是磁通响应式磁头中可饱和铁心的磁化曲线，H是施加于可饱和铁心的外磁场强度，B是可饱和铁心内的磁感应强度。当磁场强度H 时，磁感应强度B与H成正比，即B=H,是磁导率。当H 时，磁感应强度恒定于 值，不再随H的增加而提高，达到磁饱和状态。,施加于可饱和铁心的外磁场强度可分为两部分。一是激磁电流I流过绕组N2和N3时产生的交变磁场强度H2和H3，设激磁电流为则磁场强度为 式中n2 和n3 分别为绕组N2 和N3 单位长度内的匝数。另一外磁场强度是磁尺上的磁信号H1对可饱和铁心的作用。,设H1为：式中：H0 一一磁场强度的振幅；一一磁波 的波长；x一一磁头相对于磁尺的位移。激磁绕组的作用相当于一个磁开关。当对它加以交流电时，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。只有当激磁电流每周两次过零时，铁心不被饱和，磁栅的磁力线才能通过铁心。此时输出绕组才有感应电势输出。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。,在实际应用时，为了提高拾磁绕组中感应电势的幅值，常将空间上相距的几个磁头的线圈串联起来，作为一组拾磁磁头。其输出信号是多个磁头所取得信号的平均值，因此可以提高输出精度。静态磁头总是成对使用,其间距为(m+1/4)，其中m为正整数,为磁栅栅条的间距。两磁头的激励电流或相位相同,或相差/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）鉴相式工作方式,对图所示的两组磁头A和B的激磁绕组分别通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流,取磁尺上的某N点为起点，若A磁头离开起点的距离为x，则A和B磁头上拾磁绕组输出的感应电势为：式中 I0激磁电流幅值；E0磁头输出的感应电势幅值；激磁电流频率的二倍值。,把A磁头输出的感应电势中的sint移相2，则得到,将,和,相加，于是有,通过鉴别e和,sin,t之间的相位差(2,)x，便可,检测出磁头相对于磁尺的位移x。,磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。,设置两个磁头的意义何在？,2）振幅式工作方式,同鉴相式工作状态一样，对两组拾磁磁头A，B的激磁绕组通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流，即从两磁头绕组输出感应电势，感应电势为 这是磁头给出的原始信息。如果我们用检波器将和中的高频载波滤掉，便可得到相位差为2的两路交变电压信号，即,与光栅测量元件的信息处理方式一样，首先，对 和 进行放大、整形，将 和 转换成两路相差14周期的方波信号。此方波信号与被测位移即磁头相对于磁性标尺的位移有如下对应关系：,(1)方波信号每变化一个周期，即 或 变化,一个周期，磁头相对于磁性标尺增加或减少一个波长,的距离。,(2)方波信号变化频率越高，即,表示磁头相对磁性标尺的移动速度越大。,变化越快，,(3)因两磁头在空间上相差4，即 或 的周期，与光栅读数头中的光敏元件布置方式相同。因此，由 和 转换而来的两路方波信号的超前滞后关系反映了磁头相对于磁性标尺的移动方向。这两路方波信号经鉴向倍频之后，就变成了便于应用的正反向数字脉冲信号，具体线路与光栅信息处理线路相同。,鉴幅型磁栅传感器的原理框图,磁栅数显装置的结构示意图1磁性标尺 2磁头 3固定块 4尺体安装孔 5泡沫垫 6滑板安装孔 7磁头连接板 8滑板,三、磁栅数显装置,国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：,1磁头放大器（SF023）,2磁尺检测专用集成芯片（SF6114）,主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相 900；通道A和通道B信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显 表供给两只磁头的励磁信号。,主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号 经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。,4可逆计数芯片（WK50395）。,3磁尺细分专用集成芯片（SIM011）；,主要功能：对磁尺的节距W200m实现200或40 或20等分的电气细分，从而获得1、5、10m的分辨力（最小显示值）。,该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道MOS六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位用BCD码置数，及有异步清零功能。,1磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,四、磁栅式传感器的应用,数显,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,2应用实例,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0.01m以内；分辨力为15m.。,3.3 编 码 器,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、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：,3.3.1 接触式编码器,编码盘或编码尺是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。一、工作原理 编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码、二十进制编码、格莱码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。,角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）4位二进制编码盘的一个编码单位所对应的角度为36016=22.5。,图是一个4位二进制编码盘，图中涂黑部分是导电区，码盘的所有导电区连接到高电位（为“1”）、空白处为绝缘区，为低电位（“0”）组成二进制码。组成编码的各圈称为码道。对应4个码道并排安装有4个电刷，电刷经电阻接到电源正极。编码盘的转轴与被测对象连在一起(如机床丝杠)，编码盘的电刷则装在一个不随被测对象一起运动的部件(如机床本体)上。当被测对象带动编码盘一起转动时，根据与电刷串联的电阻上有无电流流过，可用相应的二进制代码表示。如图(b)所示，若编码盘沿顺时针方向转动，就可依次得到0000，0001，0100，1111的二进制输出。用图示二进制代码做的编码盘，由于编码盘制作方面的误差以及由于电刷的安装不准确，有误差，个别电刷微小地偏离其设计位置，将造成很大的测量误差。,4位二进制编码盘的展开图,当电刷在左图 所示位置时，该读数应是由1011向1100过渡。若电刷严格保持在一条直线上且编码盘制作无误差，读数也就无误差；若电刷安装不准或编码盘制作有误差，如电刷安装位置如右图中白色所示，则读数可能会由1011先到1000，再到1100。类似于这种情况，对于4位二进制编码盘，由于电刷错位会产生从0(0000)到15(1111)之间的读数误差，一般称这种误差为“非单值性误差”。,消除非单值性误差有两种方法：一种方法是采用双电刷，即在编码盘的不同位置上分别安装一组电刷，并且当一组电刷位于过渡线上时，另一组电刷一定位于两个过渡线中间。这样，根据两组电刷的空间位置和测得的编码值进行比较判断，可推算出正确的测量值。另一种方法是采用特殊代码即循环码。,循环码的特点是相邻两个代码间只有一位数变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”，这样，由于电刷安装不准确而产生的误差最多不超过一个编码单位，故误差大大减小。,四位二进制码与循环码对照表,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。按上表所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为,或,式中：R循环码；C二进制码。,1）编码规则将二进制码右移 一位并舍去最末位与原二进制做不进位加法。2）特点相邻两个数码之间只有一位变化。,根据上式用与非门构成循环码-二进制码转换器，这种转换器所用元件比较多。如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。,接触式编码盘的优点：简单，体积小，输出信号强，不需放大；缺点：是存在电刷的磨损问题，故寿命短，转速不能太高(几十转分)，而且精度受到最高位(最内圈上)分段宽度的限制。目前，电刷最小宽度可做到0.1mm左右。最高位每段宽度可达0.25mm，最多可做到9位二进制。,3.3.2 光电式编码器,特点：高精度、高分辨力、可靠性好,1-光源；2-柱面镜；3-码盘；4-狭缝；5-光电元件,原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,光学码盘式传感器-用光电方法将被测角位移转化成数字电信号,码盘：光学玻璃，透光/不透光（同心码道）照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）,光源：LED 光学系统 平行光 投影精确,光电元件：硅光电池，光电晶体管,码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）,光电元件输出：,亮区-“1”;暗区-“0”,1-20/21位,信号组合-编码数字量-转角大小,绝对测量-固定的数字码（不需要基准）,特点与应用,特点：精度高、分辨率高，寿命长，可靠性好，非接触式 直接数字量输出，绝对码输出，允许高速度运转（最高几千转/分）但光源寿命短，结构较复杂,应用：小范围绝对位置测量-角度、直线位置 小范围位移、速度检测,例：,1-光源；2非球面聚光镜；3 码盘；4狭缝；5-光电元件,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。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。,3.3.3 磁编码器,3.3.4、脉冲盘式数字传感器 脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生几位编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。1)增量编码器的结构和工作原理 增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈(A、B)的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差90的两相（A、B两路）脉冲和一个零位(C相)脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身的精度。,增量式光电盘,增量式编码器测量输出的是当前状态与前一状态的差值，即增量值。它通常是以脉冲数字形式输出，然后用计数器计取脉冲数。因此它需要规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测物理量的值，同时它还要确定一个零位标志，即测量的起始点标志。这样，被测量就等于当量值乘以自零位标志开始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。例如，用增量式光电编码器或光栅测量直线位移，若当量值为0.01 mm，计数值为200时，则位移为2.00 mm，分辨力为0.01 mm。增量式测量的缺点是：一旦中途断电，将无法得知运动部件的绝对位置。,2旋转方向的判别 为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用A、B两相脉冲来实现。光电元件A、B输出信号经放大整形后，产生P1和P2脉冲。将它们分别接到D触发器的D端和CP端，由于A、B两相脉冲(P1和P2)脉冲相差90，D触发器FF在CP脉冲(P2)的上升沿触发。正转时P1脉冲超前P2脉冲，FF的Q“1”表示正转；当反转时，P2超前P1脉冲，FF的Q“0”表示反转。可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。C相脉冲接至,计数器的复位端，实现每码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广泛的应用。,3.提高分辨率的方法插值法,三.光电编码器的应用,1.在数控机床中的应用,2.角度及转速的测量 脉冲频率法,脉冲周期法,3.4 频率式数字传感器 频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：(1)利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。(2)利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。,温度 频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时RT的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。RC振荡器的振荡频率由下式决定：,其中RT与温度T的关系为 式中：B为热敏电阻的温度系数。RT、R0分别为温度T(K)和T0(K)时的阻值。电阻R2、R3的作用是改善其线性特性，流过RT的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影响。,3.4.1 RC振荡器式频率传感器,3.4.2 弹性振动体频率式传感器 任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，介绍弹性振动体频率式传感器的基本结构及其激励电路。,管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理奏乐，这早已为人们所熟知。弦乐器和乐鼓改变弦的粗细和长度，或改变鼓皮的张紧度和厚度，就可改变它们的发声频率。,振弦式传感器,受此启发把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用于传感器技术。只要被测量与其中某一物理参数有相应的变化关系，我们就可通过测量振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体固有振动频率来达到测量被测参数的目的。这种传感器的最大优点是性能十分稳定。,振弦式传感器,振弦式传感器包括振弦、激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一瑞与被测量物体的运动部分连接，并使振弦拉紧。作用于振弦上的张力就是传感器的被测量振弦的张力为F时，其固有振动频率可用下式表达：,L 振弦的有效长度；振弦的线密度；A 弦的截面积，弦的应力。,对已定传感器：,弦的激发方式,要测量振弦振动频率，必须先激发振弦起振，给弦以足够的激励力。振弦的激振方式：间歇激发连续激发,1）间歇激发,当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由衰减振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。为了克服阻尼作用对振弦振动的衰减，必须间隔一定时间激励一次。,2、连续激发,连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。,用振弦、运算放大器和永久磁铁可以组成一个自激振荡的连续激振应力传感器的测量电路。当电路接通时，有一个初始电流流过振弦，振弦受磁场作用下产生振荡。振弦在激励电路中组成一个选频的正反馈网络，不断提供振弦所需要的能量，于是振荡器产个等幅的持续振荡。在这个电路电阻R2和振弦支路形成正反馈回路，R1、Rf和场效应管FET组成负反馈电路。R3、R4、二极管D和电容C组成的支路给FET管提供控制信号，由负反馈支路和场效应管控制支路控制起振条件和自动稳幅。如果由于某种原因引起振荡器的输出幅值增加，输出信号经过R3、R4、D和C检波后，成为FET管的栅极控制信号，具有较大的负电压，使FET管的漏源极间的等效电阻增加，从而使负反馈支路的负反馈增大，运,算放大器的闭环增益降低，使输出信号幅位减小；反之，输出幅值减小，负反馈作用减弱，运算放大器闭环增益提高，有使输出幅值自动提升的趋势。因而，就起到了自动稳定振幅的作用。如果振动器停振，输出信号等于零，此时FET管处于零偏压状态，电路正增益大大提高，为起振创造了条件。,振弦式传感器的输出 输入一般为非线性关系，其输出 输入特性如下图所示。为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。也可以用两根振弦构成差功式振弦传感器，通过测量两根振弦的频率差来表示应力，可以大大地减小传感器的温度误差和非线性误差。,3.5 感应同步器 感应同步器时20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。,3.5.1 直线式感应同步器的结构和工作原理 感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成数字量的传感器。它的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移量的。,1载流线圈所产生的磁场 矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i(i=I sint)，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左至右(或从右至左)移过，如右下图所示。在(a)、(c)两图所示的情况下，通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在(b)图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。,载流线圈所产生的磁场,载流线圈所产生的磁场,2直线式感应同步器的基本结构 直线式感应同步器的绕组结构如下图所示。它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距/2或3/4。当定尺栅距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离L1应满足如下关系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时相差/2，n=1时相差3/4，n=2时相差5/4。,3直线式感应同步器的工作原理 定尺及滑尺中的电流关系 模型如图示 滑尺线圈中流过电流 I；x=0的位置如图（a）。,W,M0为x=0时的互感量。,另一个与此相差90的滑尺线圈（正弦）与定尺定尺与滑尺间的互感 MS,定尺与滑尺间的互感,余弦绕组与定尺间的互感MC，,图 11-22,当滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势。感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。,3直线式感应同步器的工作原理,如图：A点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从A点逐渐向左(或右)平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开14节距的位置B点，感应电势减为零；若再继续移动，移到12节距的C点，感应电势相应地变为与A位置相同，但极性相反；到达34节距的D点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达E点，情况就又与A点相同了，相当于又回到了A点。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。,图13-10 长感应同步器示意图(a)定尺；(b)滑尺,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，激励时加上等幅等频，相位差为90的交流电压，即分别以sint和cost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。,当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为,式中，k为耦合系数。当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcost）,感应电势为,按叠加原理求得定尺上总感应电动势为,式中的=2x/W 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（2）。,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,式中 Us=Um sin；Uc=Um cos；Um激励电压幅值；给定的电相角。,它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为,es=kUs sint sinec=kUc sint cos,定尺的总感应电势为,e=es+ec=kUs sint sin+kUc sint cos=kUm sint(cos cos+sinsin)=kUm sint cos(-),式中把感应同步器两尺的相对位移 x=2/w 和感应电势的幅值 kUm cos(-)联系了起来。,感应同步器位移测量系统 图为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列，经过脉冲相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波0和指令信号方波1。参考信号方波0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。感应同步器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波2。指令信号1和反馈信号2同时送给鉴相器，鉴相器既判断2和1相位差的大小，又判断指令信号1的相位超前还是滞后于反馈信号2的相位。,鉴相测量方式数字位移测量装置方框图,假定开始时1=2，当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的感应电压的相位2（即反馈信号的相位）发生变化。此时12，由鉴相器判别之后，将有相位差=2-1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。此误差信号控制门电路“开门”的时间，使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。通过门电路的脉冲，一方面送给可逆计数器去计数并显示出来；另一方面作为脉冲相位变换器的输入脉冲。在此脉冲作用下，脉冲相位变换器将修改指令信号的相位1，使1随2而变化。当1再次与2相等时，误差信号=0，从而门被关闭。当滑尺相对定尺继续移动时，又有=2-1作为误差信号去控制门电路的开启，门电路又有脉冲输出，供可逆计数器去计数和显示，并继续修改指令信号的相位1，使1和2在新的基础上达到1=2。因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中，就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来。,鉴幅法测量系统,此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。,感应同步器的接长使用,当感应同步器用于检测机床工作台的位移时，一般地，由于行程较长，一块感应同步器常常难以满足检测长度的要求，需要将两块或多块感应同步器的定尺拼接起来，即感应同步器接长。感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静态和动态测量。在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常用它作为测量元件。与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，接长方便。目前在测长时误差约为1m/250mm，测角时误差约为0.5”。,3.5.2旋转式感应同步器 旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的之定尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有50mm、76mm、178mm和302mm等几种。径向导体数(极数)有360、720和1080几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。,旋转感应同步器示意图(a)定子；(b)转子,3.6 旋转变压器,旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。3.6.1 旋转变压器的结构 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁心由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状心片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁心内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。,下图是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。,上图是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁心及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。,常见的旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。3.6.2 工作原理1、两极式旋转变压器的工作原理 由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到