自动检测技术讲义第10章位移数字传感器.ppt

第十章 位移-数字传感器,第一节 光栅传感器,数字式传感器可以把输入量转换成数字量输出，直接送入计算机进行数据处理。数字式传感器是检测技术、微电子技术和计算机技术的综合产物，是传感器技术发展的一个重要方向。进行位移测量的数字式传感器主要有光栅、磁栅、容栅、感应同步器和旋转编码器等。本章将对这几种位移数字传感器作以介绍。,光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。我们这里所讲的光栅传感器是根据莫尔条文原理制成的一种计量光栅，计量光栅指的是测量长度的光栅，多用于直线位移和角位移的测量。,光栅传感器由光源、透镜、光栅副、光电元件四大部分组成，如图10-1所示。,一、光栅传感器的结构,栅距,栅线宽度,栅线缝隙宽度,长光栅,圆光栅,图10-2 长光栅与圆光栅示意图,圆光栅上的刻线：,径向刻线,切向刻线,图10-3 圆光栅结构示意图,二、莫尔条纹形成原理（长光栅）,1 主光栅,2 指示光栅,将主光栅和指示光栅刻线面相对叠合，中间留很小间隙，栅线保持很小夹角，则在a方向上会透射出明暗相间的莫尔条纹。,栅距,一般选择主光栅和指示光栅的光栅常数（栅距）相等，则有：,莫尔条纹斜率：,莫尔条纹间距：,结论：条纹间距B是栅距W的倍数，可以通过检测较宽B条纹来检测微小的栅距变化。,图10-5 莫尔条纹与输出光强信号的关系,（3）x向位移与光强的对应关系,当莫尔条纹的亮带出现的时候，相应的光电元件接收到一个幅值比较大的信号，暗带出现时，接收到幅值较小的信号，信号的频率取决于光栅常数W，如图10-5所示。这样就将光栅的位移信号变换成了电信号。,每当光栅移动一个栅距（W），莫尔条纹明暗变化一次，光电元件感受到的光强按正弦规律变化一个周期（），它输出的电信号也就发生相应地变化。在去除光电元件输出信号中的直流分量后，我们可以得到光电元件输出电压和光栅位移之间的关系式：,输出信号经整形放大和微分电路变为脉冲信号，送入计数器进行计数，计数值反映位移的大小。,三、辨向电路 在实际应用中，由于位移具有方向性，即位移有正负之分，如果采用一个光电元件则无法确定光栅的移动方向。为此，必须设置辨向电路。为了实现这种功能，我们可以在相距B/4的莫尔条纹位置上设置两个光电元件。辨向电路原理方框图如图10-7所示。,图10-8 向右移动的波形 图10-9 向左移动的波形,图10-8 向右移动的波形,图10-9 向左移动的波形,光电元件接收到的信号,和,信号波形如图,为了增加光栅传感器的分辨率和测得比栅距更小的位移量，以提高测量精度，若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，则其分辨率为光栅栅距。一般可以通过增加光栅刻线密度（机械的方法）和对测量信号进行细分（电气的方法）的这两种方法来提高测量精度。第一种方法制造工艺比较麻烦，成本较高而且会给安装和调试带来困难，因此一般不采用这种方法，而采用对测量信号细分方法获得所需的分辨率。下面介绍几种常用的电气细分法。,四、细分电路,（一）直接细分,在一个莫尔条纹的间隔B内，放置若干个光电元件来接收同一个莫尔条纹信号，从而得到多个不同相位的信号。如图获得这四个依次相差的信号后，经微分电路和辨向电路送可逆计数器进行计数，这样就将光栅的位移量转换成了数字量。,根据电脉冲数量识别光栅位置（或速度）的变化。正向移动时加法计数，反向移动时减法计数。,（二）电桥细分,光电信号1,光电信号2,输出电压,桥臂电阻1,桥臂电阻2,电桥平衡条件：,输出表达式：,恰当配合的 参数，可以获得合理细分的输出电压。,令,选取,，,则可得,采用多个类似电桥，选取不同R1/R2值，就可以得到一系列初始相位 各不相同的正弦信号，从而达到任意细分的目的。,这里令,，,则当输出信号的相位,刚好等于,时，负载上得到的电压信号为,。即输出波形在相位角,处过零。,这样就利用电桥细分的方法得到一个新的输出信号：,第二节 磁栅传感器,磁栅传感器主要由磁栅、磁头和测量电路三部分组成的一种利用磁栅与磁头之间的磁作用以计算磁波数目来进行测量的位移传感器。在大型机床的数控、精密机床的自动控制等方面了得到广泛的应用。,一、磁栅结构与工作原理,磁栅结构,磁性基体,节距d,磁栅录磁示意图,磁性材料,长磁栅（见下图）,测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因为它直接影响位移测量精度。为此需要在高精度录磁设备上对磁尺进行录磁。当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处在静止状态时，也应能够进行位置测量。,二、磁头,磁头的主要作用是把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。它是把反映空间位置变化的磁化信号检测出来并转换成电信号输送给检测装置中的关键元件。磁头分静态磁头和动态磁头两种。,1.静态磁头-磁通响应式磁头,静态磁头读取信号的原理,输出电动势为一调幅波,2.动态磁头-速度响应式磁头,若输出信号的周期数为n，则可以测量出位移量,三、测量电路,动态磁头一般只装一个，绕组中输出正弦波，输出信号为正弦波，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录输出信号的周期个数，就可以测量出位移量的多少。缺点：不能辨别运动方向，测量精度低。静态磁头一般装两个互差90度的磁头，两磁头相距，其中m为任意正整数，d为磁栅节距，能辨别运动方向，测量精度高，其信号处理方式相对比较复杂。主要分幅值测量和相位测量两种方法。,去掉高频载波后,2倍与励磁角频率,1.幅值测量,在幅值测量电路中，相邻两个磁头的输出电压可用以下两式表示：,将上面的两路互差90度的输出信号分别进行去除高次谐波处理后,再进行细分和辩向处理、计数输出。,2.相位测量,将以上两个输出信号叠加，则可获得总输出信号为：,结论：在磁矩d一定的情况下，输出电压的相位由位移量x决定，即只要测量出输出电压相位的大小，就可以测量出位移量的大小。,相位测量是将其中一个磁头的励磁电流移相45度或输出信号90度后，其输出信号为,四、磁栅数显示表及其应用,容栅传感器是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的一种传感器。,第三节 容栅传感器,一、容栅的结构形式与工作原理 容栅按其结构形式可分为长容栅和圆容栅两大类。长容栅主要用于直线位移测量，圆容栅主要用于角位移测量。长容栅的结构原理如图10-19所示。,反射式容栅,长容栅由定栅尺和动栅尺组成，国内一般用敷铜板制造。圆容栅主要由以透射板作主栅、以分别置于主栅两面的、保持最佳恒定距离的发射极板和接收极板作分体式副栅构成。对于长容栅，当动栅尺沿方向平行于定栅尺移动时，每对容栅的覆盖面积将发生周期性变化，电容量也随之发生周期性变化，如图10-20所示,定栅尺反射电极的极距 d,常用的电极的结构形式有反射式、透射式和倾斜式。,二、容栅传感器电极的结构形式,透射式容栅传感器结构示意图,三、测量电路,容栅式电容传感器测量电路主要有调幅式和调相式测量电路两种形式。1.调幅式测量原理,调幅式测量原理,电极相对位置图,当静电极片P相对于两组动栅片A和B有位移时，差动电容器CA、CB不等，电容静极板P上的电荷量发生变化，有,从而导致Um由原来的0发生改变，这时可以通过电子开关改变差动电容器CA、CB的输入电压，使得QP的值减小，直至为零。这时有:,上两式中C0为初始电容量，l0为发射电极的极距，则,2.调相式测量原理,调相式测量原理如图10-23所示。,当两个极板相对移动x(x l0/2)而处于位置b时，反射极片E上感应的电荷为，,由于传感器的接收电极耦合发射电极的电荷，其输出电压与接收电极的电荷成正比，可见，传感器输出一个与激励电压同频的正弦波电压，其幅值近似为常数K，而其相位则与被测位移x近似成线性关系。只要测量出输出电压的相位就可以测量出被测位移x。,第四节 旋转编码器,编码器按照被测物理量的形式，可以分为角位移和直线位移编码器。目前，脉冲编码器每转可发出数百至数万个方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。数控系统通过对该信号的接收、处理、计数即可得到电动机的旋转角度，从而算出当前工作台的位置。我们这里主要讲述常用的旋转编码器（角位移）。,、旋转编码器的分类,按照信号的读出方式编码器可分为接触式和非接触式两种。,按照工作原理编码器可以分为绝对式和增量式两种。,二、绝对式编码器,绝对式编码器有许多编码方式，我们这里只介绍自然二进制编码和循环二进制码(格雷码)。1.自然二进制编码器,能分辨的最小角度为,n位二进制码盘,该图n为4。,当码盘随转轴转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定数码，相应的表示十进制数的015。然后将这些信号送往信号处理显示电路，即可显示码盘转过的角度。,2.循环二进制编码器,循环码的特点是相邻的两组数码只有一位发生变化。因此即使安装和制作有误差，产生的误差最多也只是最低位的一位。循环码的码盘结构示意图如图所示,循环码码盘结构示意图,三、增量式编码器 增量式码盘由圆盘、光源、光敏元件和计数器等组成，如图所示。,计数值就反映了码盘转过的角位移,m为圆盘上的缝隙数，,n为计数器获得的脉冲数,四、旋转编码器的应用,增量式光电码盘测角度的原理图,输出波形图,第五节 感应同步器,感应同步器是一种根据电磁感应原理，利用两个平面型电路绕组，其互感随位置而变化的原理工作的位移传感器。按用途可分为测量线位移的直线型感应同步器和测量角位移的圆盘型感应同步器。主要优点：结构简单、制造方便、对工作环境要求不高，在大中型机床上得到广泛应用。,一、结构,直线型感应同步器按其使用的精度、测量尺寸的范围和安装的条件不同，又可以设计制造成以下几种不同形状的感应同步器。,1.标准型,直线形感应同步器,定尺,滑尺,滑尺上的绕组,*感应输出信号互差90度!,3.带型 原理同标准型。带型感应同步器定尺不需要拼接，便于安装，特别是对于设备安装面不易加工的场合，但由于定尺的刚性差，测量精度要比标准型低，,2.窄型 原理同标准型。其不同点是宽度窄一点，其电磁感应强度较标准型小，因此测量精度较低。一般用于设备安装位置受到限制的场合。,圆盘形感应同步器,定子,转子,输出感应脉冲,绕组,绕组,二、工作原理,感应电动势最大,感应电动势为0,感应电动势负向最大,感应电动势为0,定尺上滑尺的正弦绕组感应电势,感应电动势随滑尺的移动x周期性变化。,滑尺有2套绕组,c 余弦绕组,根据电磁感应定律，当滑尺绕组（励磁绕组）加正弦电压时，将产生同频率的交变磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上产生同频率的交变电动势。,S-正弦绕组,如果在滑尺上安装两个在空间上互差90度（1/4节距）的激磁绕组，分别通入同幅的差90度的交流电，有：正弦绕组激磁电压,余弦绕组激磁电压,正弦和余弦绕组磁场都会在定尺绕组引起感应电动势。,余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：,三、信号处理,正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：,1、调相方式,定尺绕组上的总输出感应电动势为：,结论：只要测量出感应电动势e的相位，即可换算出位移x！,2、调幅方式,如果在滑尺上安装两个在空间上互差90度（1/4节距）的激磁绕组，分别通入不同幅度、相位一致的正弦交流电，有：正弦绕组激磁电压,余弦绕组激磁电压,正弦和余弦绕组都会在定尺绕组引起感应电动势。,余弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：,正弦绕组在定尺绕组上的感应电动势：,根据叠加原理，定尺绕组上的总输出感应电动势为：,结论：只要测量出感应电动势e的幅值，即可通过上式换算出希望的位移x！,四、感应同步器应用,图10-34某调幅型数显表系统框图,感应同步器的应用比较广泛，一般与数字位移显示装置配合，能进行各种位移的精密测量及显示。,