檢測(cè)數(shù)字式傳感器

1、Cha.17 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 數(shù)字式傳感器一般是指把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的數(shù)字式傳感器一般是指把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的 傳感器。它是測(cè)量技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的綜合產(chǎn)物，傳感器。它是測(cè)量技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的綜合產(chǎn)物， 是傳感器技術(shù)的發(fā)展方向之一，主要包括光柵傳感器、磁柵傳是傳感器技術(shù)的發(fā)展方向之一，主要包括光柵傳感器、磁柵傳 感器、碼盤、感應(yīng)同步器等。廣義說，所有模擬式傳感器的輸感器、碼盤、感應(yīng)同步器等。廣義說，所有模擬式傳感器的輸 出都可經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換而得到數(shù)字量輸出，這種傳感器則可稱為出都可經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換而得到數(shù)字量輸出，這種傳感器則可稱為 廣義數(shù)字式傳感器。

2、數(shù)字式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、分辨廣義數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、分辨 率高、輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)和可直接輸入計(jì)算機(jī)處理等。率高、輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)和可直接輸入計(jì)算機(jī)處理等。 本章本章學(xué)習(xí)幾種常用數(shù)字式位置傳感器的結(jié)構(gòu)和原理，如角學(xué)習(xí)幾種常用數(shù)字式位置傳感器的結(jié)構(gòu)和原理，如角 編碼器、光柵傳感器等編碼器、光柵傳感器等，并討論他們?cè)谥本€位移和角位移中測(cè)，并討論他們?cè)谥本€位移和角位移中測(cè) 量和控制的應(yīng)用。量和控制的應(yīng)用。 一、一、位置測(cè)量的方式位置測(cè)量的方式 1 1、直接測(cè)量和間接測(cè)量、直接測(cè)量和間接測(cè)量 位置傳感器有位置傳感器有和和兩大類。若位兩大類。若位 置傳感器所測(cè)量的

3、對(duì)象就是被測(cè)量本身，即用直置傳感器所測(cè)量的對(duì)象就是被測(cè)量本身，即用直 線式傳感器測(cè)直線位移，用旋轉(zhuǎn)式傳感器測(cè)角位線式傳感器測(cè)直線位移，用旋轉(zhuǎn)式傳感器測(cè)角位 移，則該測(cè)量方式為直接測(cè)量。例如直接用于直移，則該測(cè)量方式為直接測(cè)量。例如直接用于直 線位移測(cè)量的線位移測(cè)量的和和等；直接用于角度等；直接用于角度 測(cè)量的測(cè)量的等。等。 若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是中若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是中 間值，再由它間值，再由它推算推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線 位移，則該測(cè)量方式為位移，則該測(cè)量方式為間接測(cè)量間接測(cè)量。 1).1).直接測(cè)量直接測(cè)量 直接測(cè)量的直接測(cè)量的

4、 誤差較小。誤差較小。 圖為利用光圖為利用光 柵傳感器測(cè)柵傳感器測(cè) 量數(shù)控機(jī)床量數(shù)控機(jī)床 工作臺(tái)位移工作臺(tái)位移 量的現(xiàn)場(chǎng)。量的現(xiàn)場(chǎng)。 工作臺(tái)工作臺(tái) 光柵光柵 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向 2).2).間接測(cè)量間接測(cè)量 在間接測(cè)量中，在間接測(cè)量中， 多使用旋轉(zhuǎn)式位多使用旋轉(zhuǎn)式位 置傳感器。測(cè)量置傳感器。測(cè)量 到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參 數(shù)僅僅是中間值，數(shù)僅僅是中間值， 但可由這中間值但可由這中間值 再推算出與之關(guān)再推算出與之關(guān) 聯(lián)的移動(dòng)部件的聯(lián)的移動(dòng)部件的 直線位移。間接直線位移。間接 測(cè)量須使用絲杠測(cè)量須使用絲杠- - 螺母、齒輪螺母、齒輪- -齒條齒條 等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 工作臺(tái)工作

5、臺(tái) 絲杠絲杠 編碼器編碼器飼服電機(jī)飼服電機(jī) x 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 通過滾珠絲杠螺通過滾珠絲杠螺 母副、齒輪母副、齒輪- -齒條齒條 副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能 夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn) 換成直線運(yùn)動(dòng)。換成直線運(yùn)動(dòng)。 但應(yīng)設(shè)法消除傳但應(yīng)設(shè)法消除傳 導(dǎo)過程產(chǎn)生的間導(dǎo)過程產(chǎn)生的間 隙誤差。隙誤差。 齒距齒距 齒條齒條 齒輪齒輪 x 齒輪齒輪- -齒條副齒條副 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺滾珠絲杠螺 母副能夠減母副能夠減 小傳動(dòng)磨檫小傳動(dòng)磨檫 力，延長(zhǎng)使力，延長(zhǎng)使 用壽命，減用壽命，減 小間隙誤差。小間隙誤差。 螺母螺母 絲杠絲杠 x 傳動(dòng)分析傳動(dòng)分析 若：螺距：螺距t=4mm，絲杠

6、在，絲杠在4s時(shí)間里轉(zhuǎn)動(dòng)了時(shí)間里轉(zhuǎn)動(dòng)了10圈，圈，則： 絲杠的平均轉(zhuǎn)速絲杠的平均轉(zhuǎn)速n(r/min)及螺母移動(dòng)了多少毫米？及螺母移動(dòng)了多少毫米？ 螺母的平均速度螺母的平均速度v又為多少？又為多少？ 螺母螺母 絲杠絲杠 螺距螺距 x=？ N=10圈圈 2 2、增量式和絕對(duì)式測(cè)量、增量式和絕對(duì)式測(cè)量 在在增量式增量式測(cè)量中，移動(dòng)部測(cè)量中，移動(dòng)部 件每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單件每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單 位，位置傳感器便發(fā)出一位，位置傳感器便發(fā)出一 個(gè)測(cè)量信號(hào)，此信號(hào)通常個(gè)測(cè)量信號(hào)，此信號(hào)通常 是脈沖形式。這樣，是脈沖形式。這樣，一個(gè)一個(gè) 脈沖脈沖所代表的基本長(zhǎng)度單所代表的基本長(zhǎng)度單 位就是位就是分辨力分辨力，

7、對(duì)脈沖，對(duì)脈沖計(jì)計(jì) 數(shù)數(shù)，便可得到位移量。，便可得到位移量。 絕對(duì)式絕對(duì)式測(cè)量中，每一被測(cè)測(cè)量中，每一被測(cè) 點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼編碼， 常以常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來表形式來表 示。絕對(duì)式測(cè)量即使斷電示。絕對(duì)式測(cè)量即使斷電 之后再重新上電，也能讀之后再重新上電，也能讀 出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。典型出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。典型 的絕對(duì)式位置傳感器有的絕對(duì)式位置傳感器有絕絕 對(duì)式角編碼器對(duì)式角編碼器。 增量式測(cè)量得到的脈沖波形增量式測(cè)量得到的脈沖波形 二、數(shù)字式角編碼器（碼盤）二、數(shù)字式角編碼器（碼盤） 編碼器主要分為脈沖盤式編碼器主要分為脈沖盤式（增量式）（增量式）和碼盤式（絕對(duì)式）和碼

8、盤式（絕對(duì)式） 兩大類：兩大類： 增量式增量式式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電 路才可能得到數(shù)字編碼。而絕對(duì)式編碼器能直接輸出某種碼制路才可能得到數(shù)字編碼。而絕對(duì)式編碼器能直接輸出某種碼制 的數(shù)碼。絕對(duì)編碼器將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方的數(shù)碼。絕對(duì)編碼器將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方 便地與數(shù)字系統(tǒng)便地與數(shù)字系統(tǒng)( (如微機(jī)如微機(jī)) )聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式接觸式、 光電式光電式和和電磁式電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼。目前，使用最三種，后兩種為非接觸式編碼。目前，使用最 多的是

9、光電編碼器。多的是光電編碼器。 （絕對(duì)式編碼器） 碼盤式編碼器 （增量式編碼器） 脈沖盤式編碼器 編碼器 角編碼器外形角編碼器外形 （參考德國(guó)圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司）（參考德國(guó)圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司） 1 1、絕對(duì)式碼盤工作原理絕對(duì)式碼盤工作原理（以接觸式為例）（以接觸式為例） 接觸式碼盤由碼盤和電刷組成。碼盤利用制造印刷電路板的工藝，接觸式碼盤由碼盤和電刷組成。碼盤利用制造印刷電路板的工藝， 在銅箔板上制作某種碼制圖形的盤式印刷電路板在銅箔板上制作某種碼制圖形的盤式印刷電路板。電刷是一種活動(dòng)觸電刷是一種活動(dòng)觸 頭結(jié)構(gòu)頭結(jié)構(gòu)，在外界力的作用下，在外界力的作用下，旋轉(zhuǎn)碼盤時(shí)，電刷

10、與碼盤接觸處就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)碼盤時(shí)，電刷與碼盤接觸處就產(chǎn)生 某種碼制的數(shù)字編碼輸出。某種碼制的數(shù)字編碼輸出。下面以四位二進(jìn)制碼盤為例，說明其工作下面以四位二進(jìn)制碼盤為例，說明其工作 原理和結(jié)構(gòu)。原理和結(jié)構(gòu)。 紅色處為導(dǎo)電區(qū)，若將所有導(dǎo)電紅色處為導(dǎo)電區(qū)，若將所有導(dǎo)電 區(qū)連接到高電位區(qū)連接到高電位(“1”)；空白處為絕緣；空白處為絕緣 區(qū)，為低電位區(qū)，為低電位(“0”)。四個(gè)電刷沿著某。四個(gè)電刷沿著某 一徑向安裝，四位二進(jìn)制碼盤上有四一徑向安裝，四位二進(jìn)制碼盤上有四 圈碼道，每個(gè)碼道有一個(gè)電刷，電刷圈碼道，每個(gè)碼道有一個(gè)電刷，電刷 經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)其一角度后，經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)其一角度后， 電

11、刷就輸出一個(gè)數(shù)碼；碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周，電刷就輸出一個(gè)數(shù)碼；碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周， 電刷就輸出電刷就輸出16種種 四位二進(jìn)制數(shù)碼。由此可知，碼盤所能分辨的角度為四位二進(jìn)制數(shù)碼。由此可知，碼盤所能分辨的角度為360/2 n，若，若n4， 則則22.5。位數(shù)越多，可分辨的角度越小，若取。位數(shù)越多，可分辨的角度越小，若取n8，則，則1.4。 當(dāng)然，可分辨的角度越小，對(duì)碼盤和電刷的制作和安裝要求越嚴(yán)格。當(dāng)當(dāng)然，可分辨的角度越小，對(duì)碼盤和電刷的制作和安裝要求越嚴(yán)格。當(dāng) n 多到一定位數(shù)后多到一定位數(shù)后(一般為一般為 n8)，這種接觸式碼盤將難以制作。，這種接觸式碼盤將難以制作。 絕對(duì)式接觸式編碼器絕對(duì)式接觸式編碼器演示

12、演示 4 4個(gè)電刷個(gè)電刷 4 4位二進(jìn)制碼盤位二進(jìn)制碼盤 +5V+5V輸入輸入 公共碼道公共碼道 8-4-2-18-4-2-1碼制碼盤碼制碼盤 8-4-2-1碼制的碼盤，由于電刷安裝不可能絕對(duì)精確可能存在機(jī)碼制的碼盤，由于電刷安裝不可能絕對(duì)精確可能存在機(jī) 械偏差，這種機(jī)械偏差會(huì)產(chǎn)生非單值誤差。例如，由二進(jìn)制碼械偏差，這種機(jī)械偏差會(huì)產(chǎn)生非單值誤差。例如，由二進(jìn)制碼 0111 過渡到過渡到1000時(shí)，即由時(shí)，即由 7 變?yōu)樽優(yōu)?8 時(shí)，如果電刷進(jìn)出導(dǎo)電區(qū)的先后可能時(shí)，如果電刷進(jìn)出導(dǎo)電區(qū)的先后可能 是不一致的，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)是不一致的，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)815間的某個(gè)數(shù)字。這就是所謂的非間的某個(gè)數(shù)字。這就是

13、所謂的非 單值誤差。單值誤差。 消除非單值誤差的辦法消除非單值誤差的辦法采用循環(huán)碼采用循環(huán)碼( (格雷碼格雷碼) ) 采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。其編碼如前表所示。循環(huán)采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。其編碼如前表所示。循環(huán) 碼的特點(diǎn)是任意一個(gè)半徑徑線上只可能一個(gè)碼道上會(huì)有數(shù)碼的改變，碼的特點(diǎn)是任意一個(gè)半徑徑線上只可能一個(gè)碼道上會(huì)有數(shù)碼的改變， 這一持點(diǎn)就可以避免制造或安裝不精確而帶來的非單值誤差。這一持點(diǎn)就可以避免制造或安裝不精確而帶來的非單值誤差。 循環(huán)碼盤結(jié)構(gòu)如下圖循環(huán)碼盤結(jié)構(gòu)如下圖(b)所所 示。由循環(huán)碼的特點(diǎn)可知，示。由循環(huán)碼的特點(diǎn)可知， 即使制作和安裝不準(zhǔn)，產(chǎn)即使制作和安裝不準(zhǔn)，

14、產(chǎn) 生的誤差最多也只是最低生的誤差最多也只是最低 位的一個(gè)比特。因此采用位的一個(gè)比特。因此采用 循環(huán)碼盤比采用循環(huán)碼盤比采用8-4-2-1碼碼 盤的準(zhǔn)確性和可靠性要高盤的準(zhǔn)確性和可靠性要高 的多。的多。 絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式光電編碼器 高位高位 低位低位 在一塊圓形光學(xué)玻璃上刻有透光和不透光的碼形。以裝有相同個(gè)在一塊圓形光學(xué)玻璃上刻有透光和不透光的碼形。以裝有相同個(gè) 數(shù)的光電轉(zhuǎn)換元件代替接觸式編碼器的電刷。當(dāng)光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換元件代替接觸式編碼器的電刷。當(dāng)光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng) 形成一束平行光投射在碼盤上時(shí)，光經(jīng)過碼盤的透光和不透光區(qū)，形成一束平行光投射在碼盤上時(shí)，光經(jīng)過碼盤的透光和不透光區(qū)

15、， 脈沖光照射在碼盤的另一側(cè)的光電元件上，這些光電元件就輸出脈沖光照射在碼盤的另一側(cè)的光電元件上，這些光電元件就輸出 與碼盤上的碼形（碼盤的絕對(duì)位置）相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。與碼盤上的碼形（碼盤的絕對(duì)位置）相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。 2 2、角編碼器的應(yīng)用、角編碼器的應(yīng)用 角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或 間接測(cè)量直線位移外，還可用于數(shù)字測(cè)間接測(cè)量直線位移外，還可用于數(shù)字測(cè) 速、工位編碼、伺服電機(jī)控制等。速、工位編碼、伺服電機(jī)控制等。 安裝套 編碼器的安裝方式編碼器的安裝方式 1. 1.編碼器的套式安裝編碼器的套式安裝 安裝軸安裝軸 2. 2.編碼器的軸式安裝編碼器的軸式安裝 編碼器

16、在伺服電機(jī)中的應(yīng)用編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用 利用利用編碼器測(cè)量編碼器測(cè)量伺伺 服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn) 角，并通過伺服控角，并通過伺服控 制系統(tǒng)控制其各種制系統(tǒng)控制其各種 運(yùn)行參數(shù)。運(yùn)行參數(shù)。 角位移測(cè)量角位移測(cè)量 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量 控控 制制 位置測(cè)量位置測(cè)量 控控 制制 編碼器在定位編碼器在定位加工中的加工中的應(yīng)用應(yīng)用 1 1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 2 2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 3 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 4 4轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5 5工件工件 6 6刀具刀具 數(shù)控?cái)?shù)控加工中心加工中心 編碼器在數(shù)控編碼器在數(shù)控加工加工 中心的刀庫(kù)選刀控中心的刀庫(kù)選刀控 制中制中的應(yīng)用的應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)刀庫(kù) 被加工工件被加工

17、工件 角編碼器的輸出為角編碼器的輸出為 當(dāng)前刀具號(hào)當(dāng)前刀具號(hào) 角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫(kù) 連接連接 刀具刀具 用不同的刀具加工復(fù)雜的工用不同的刀具加工復(fù)雜的工 件件 三、光柵傳感器三、光柵傳感器 1 1、光柵傳感器的類型和結(jié)構(gòu)、光柵傳感器的類型和結(jié)構(gòu) 計(jì)量光柵可分為計(jì)量光柵可分為光柵和反射式光柵兩大類，均由光柵和反射式光柵兩大類，均由 、三大部分組成。三大部分組成。 計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。 長(zhǎng)光柵的光柵副長(zhǎng)光柵的光柵副是由是由又稱又稱和和 。它們是在一塊長(zhǎng)條形光學(xué)玻璃上，。它們是在一塊長(zhǎng)條形光學(xué)玻璃上， 均勻刻上許多明暗相間、寬度

18、相等的刻線。常用的柵線每毫均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線。常用的柵線每毫 米有米有10、25、50、100和和250條線。主光柵的刻線一般比指示條線。主光柵的刻線一般比指示 光柵長(zhǎng)。若劃線寬度為光柵長(zhǎng)。若劃線寬度為a縫隙寬度為縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距，則光柵節(jié)距或柵距W 為為Wa + b。通常取。通常取a = bW /2。 尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 掃描頭掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定） 掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔 可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜 光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu) 防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)光柵柵 掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光

19、柵尺光柵尺 可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜 光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)） 反射式光柵反射式光柵 透射式光柵透射式光柵 透射式圓光柵透射式圓光柵 固定 2、透射式計(jì)量光柵的工作原理、透射式計(jì)量光柵的工作原理 若將兩塊光柵若將兩塊光柵( (主光柵、指示光柵主光柵、指示光柵) )疊合在一起，并且疊合在一起，并且 使它們的刻線之間成一個(gè)很小的角度使它們的刻線之間成一個(gè)很小的角度，如下圖所示。在，如下圖所示。在 兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光 柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶

20、。 光柵的刻線寬度光柵的刻線寬度WW莫爾條紋的莫爾條紋的寬度寬度L L 如果改變?nèi)绻淖兘?，兩條莫爾條紋問的距離角，兩條莫爾條紋問的距離L也隨之變化。條紋也隨之變化。條紋 間距間距L與柵距與柵距W和夾角和夾角有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： W W L 2 sin 2 當(dāng)指示光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將會(huì)沿著這兩個(gè)光柵刻線夾當(dāng)指示光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將會(huì)沿著這兩個(gè)光柵刻線夾 角的平分線的平行方向移動(dòng)，光柵每移動(dòng)一個(gè)角的平分線的平行方向移動(dòng)，光柵每移動(dòng)一個(gè)W，莫爾條紋也，莫爾條紋也 移動(dòng)一個(gè)間距移動(dòng)一個(gè)間距L。 越小，越小，L越大，越大，當(dāng)小于當(dāng)小于1以后，可使以后，可使LW，即莫爾現(xiàn)象，即莫爾現(xiàn)象 具有使柵

21、距具有使柵距。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵 刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測(cè)量莫爾條紋移動(dòng)數(shù)，獲取小于光的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測(cè)量莫爾條紋移動(dòng)數(shù)，獲取小于光 柵柵距的微小位移量。柵柵距的微小位移量。 莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用舉光學(xué)放大作用舉 例例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為，主光柵與，主光柵與 指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =，則，則 分辨力分辨力=柵距柵距=1mm/=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無法觀

22、察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 而莫爾條紋的而莫爾條紋的寬度寬度 LW/ = 0.02mm/（ *3.14/ ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大（是柵距的由于較大（是柵距的32倍），因此可以用小面倍），因此可以用小面 積的光電元件積的光電元件“觀察觀察”莫爾條紋莫爾條紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。 莫爾條紋莫爾條紋演示演示 莫爾條紋莫爾條紋特點(diǎn)特點(diǎn) (1)(1)、位移的放大作用位移的放大作用莫爾條紋間距把柵距放大了（莫爾條紋間距把柵距放大了（1/1/）倍）倍, , 提高了測(cè)量的靈敏度，提高了測(cè)量的靈敏度， 。 (2)(2)、位移的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系位

23、移的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的移動(dòng)方向和移過的條紋莫爾條紋的移動(dòng)方向和移過的條紋 數(shù)與柵距的移動(dòng)方向（指示光柵的移動(dòng)方向）和移過的柵距個(gè)數(shù)與柵距的移動(dòng)方向（指示光柵的移動(dòng)方向）和移過的柵距個(gè) 數(shù)嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)，數(shù)嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)，。 (3)(3)、誤差的平均效應(yīng)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成莫爾條紋由光柵的大量刻線形成, , 對(duì)個(gè)對(duì)個(gè) 別線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，別線紋的刻劃誤差有平均抵消作用， 1）光電轉(zhuǎn)換）光電轉(zhuǎn)換 莫爾條紋需要經(jīng)莫爾條紋需要經(jīng) 過轉(zhuǎn)換電路才能將光過轉(zhuǎn)換電路才能將光 信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)光柵傳感器的光電轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)由聚光鏡和光換系統(tǒng)由

24、聚光鏡和光 敏元件組成，如右圖敏元件組成，如右圖 (a)所示。所示。 當(dāng)兩塊光柵作相當(dāng)兩塊光柵作相 對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元件對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元件 3、測(cè)量電路、測(cè)量電路 上的光隨莫爾條紋移動(dòng)而變化。在上的光隨莫爾條紋移動(dòng)而變化。在a處兩光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最處兩光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最 大，光電元件輸出的電信號(hào)也最大；大，光電元件輸出的電信號(hào)也最大；c處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減?。惶幱捎诠獗徽谌ヒ话?，光強(qiáng)減??； d處的光全被遮去的成全黑，光強(qiáng)為零；若光柵繼續(xù)移動(dòng)，透射到光處的光全被遮去的成全黑，光強(qiáng)為零；若光柵繼續(xù)移動(dòng)，透射到光 敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，因而形成了如上圖敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大

25、，因而形成了如上圖 (b)所示的輸出波形。所示的輸出波形。 光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述： 式中式中 U0 輸出信號(hào)的直流分量；輸出信號(hào)的直流分量； Um 輸出信號(hào)的交流信號(hào)幅值；輸出信號(hào)的交流信號(hào)幅值； x 光柵的相對(duì)位移量。光柵的相對(duì)位移量。 W x UUU m 2sin 0 2）辨向原理）辨向原理 為了辨別主光柵是向左還是向右移動(dòng)，為了辨別主光柵是向左還是向右移動(dòng)，可在相隔可在相隔1/4條紋間的位置條紋間的位置 上安裝兩只光敏元件上安裝兩只光敏元件，這兩只光敏元件輸出信號(hào)，這兩只光敏元件輸出信號(hào)U1、U2的相位差將為的相位差將為 /2，可

26、以根據(jù)它們超前，可以根據(jù)它們超前/滯后的關(guān)系判別出指示光柵的移動(dòng)方向。滯后的關(guān)系判別出指示光柵的移動(dòng)方向。 U1和和U2信號(hào)信號(hào) 。 。假設(shè)光。假設(shè)光 柵右移時(shí)，柵右移時(shí)，U2/超前超前U1/，則先于，則先于 U1/的微分信號(hào)打開了的微分信號(hào)打開了Y1，可從，可從 Y1得到向右移動(dòng)脈沖輸出（得到向右移動(dòng)脈沖輸出（Y1 稱為右移動(dòng)脈沖輸出端）；而稱為右移動(dòng)脈沖輸出端）；而 U1/反相后的微分信號(hào)到達(dá)反相后的微分信號(hào)到達(dá)Y2時(shí)時(shí) Y2已關(guān)閉，則已關(guān)閉，則Y2（左移動(dòng)脈沖（左移動(dòng)脈沖 輸出端）沒有輸出，反之亦然。輸出端）沒有輸出，反之亦然。 這樣就實(shí)現(xiàn)了左右移動(dòng)的方向這樣就實(shí)現(xiàn)了左右移動(dòng)的方向 辨別

27、和移動(dòng)脈沖的輸出。辨別和移動(dòng)脈沖的輸出。 Y1 Y2 3）細(xì)分原理）細(xì)分原理 如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋。倘若如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋。倘若 要求讀出位移為要求讀出位移為0.1m，勢(shì)必要求每毫米到線，勢(shì)必要求每毫米到線1萬條，這是目前工藝水萬條，這是目前工藝水 平無法實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)采用柵距平無法實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)采用柵距細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)可以獲得更高的測(cè)量精度。常用可以獲得更高的測(cè)量精度。常用 的細(xì)分方法有直接倍頻細(xì)分法、電橋細(xì)分法等。這里僅以四倍頻細(xì)分為的細(xì)分方法有直接倍頻細(xì)分法、電橋細(xì)分法等。這里僅以四倍頻細(xì)分為 例介紹直接倍頻細(xì)分法。例介紹直接

28、倍頻細(xì)分法。 在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，如右下圖在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，如右下圖(a)所示，所示， 得到相位分別相差得到相位分別相差/2四個(gè)正弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)，四個(gè)正弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)， 使其合并得到如右下圖使其合并得到如右下圖 (b)所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期 信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了1/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì) 數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的

29、位移量，個(gè)莫爾條紋寬度的位移量， 這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細(xì)分法。這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細(xì)分法。 若再增加光敏若再增加光敏 元件，同理可元件，同理可 以進(jìn)一步地提以進(jìn)一步地提 高測(cè)量分辨率。高測(cè)量分辨率。 光柵細(xì)分光柵細(xì)分舉例舉例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50， 細(xì)分?jǐn)?shù)為細(xì)分?jǐn)?shù)為4細(xì)分細(xì)分，則：，則： 分辨力分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4 =0.005mm=5 m 采用細(xì)分技術(shù)，采用細(xì)分技術(shù)，在不增加光柵在不增加光柵刻線數(shù)刻線數(shù) 的情況下，將分辨力提高了的情況下，將分辨力提高了3倍。倍。 光柵辨向光柵

30、辨向& &細(xì)分細(xì)分電路 光柵專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵辨向光柵專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵辨向& &細(xì)分）細(xì)分） 內(nèi)部包含放大、整形、細(xì)分、辨向、內(nèi)部包含放大、整形、細(xì)分、辨向、 報(bào)警、阻抗變換電路等。報(bào)警、阻抗變換電路等。 光柵在機(jī)床上的安裝位置（光柵在機(jī)床上的安裝位置（2 2個(gè)自由度）個(gè)自由度） 光柵在機(jī)床上的安裝位置（光柵在機(jī)床上的安裝位置（3 3個(gè)自由度）個(gè)自由度） 數(shù)顯表數(shù)顯表 2 2自由度光柵數(shù)顯表自由度光柵數(shù)顯表 X位移顯示位移顯示Z（Y）位移顯示）位移顯示 3 3自由度光柵數(shù)顯表自由度光柵數(shù)顯表 安裝有長(zhǎng)光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況安裝有長(zhǎng)光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況 防護(hù)罩內(nèi)為長(zhǎng)光柵防護(hù)罩內(nèi)為長(zhǎng)光柵

31、光柵掃描頭光柵掃描頭 被加工工件被加工工件 切削刀具切削刀具 四、感應(yīng)同步器四、感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是感應(yīng)同步器是1960年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直 線位移及角位移）傳感器，線位移及角位移）傳感器，是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律把位移量轉(zhuǎn)換是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律把位移量轉(zhuǎn)換 成電量的傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)平面形的矩形線圈，它成電量的傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)平面形的矩形線圈，它 們相當(dāng)于變壓器的初、次級(jí)繞組，通過兩個(gè)繞組間的互感量隨們相當(dāng)于變壓器的初、次級(jí)繞組，通過兩個(gè)繞組間的互感量隨 位置變化來檢測(cè)位移量的。位置變化來檢測(cè)位移量的。按其用途可分為兩大類：按其用

32、途可分為兩大類： 測(cè)量線位移的直線式感應(yīng)同步器（由定尺和滑尺組成）；測(cè)量線位移的直線式感應(yīng)同步器（由定尺和滑尺組成）； 測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器（由轉(zhuǎn)子和定子組成）。測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器（由轉(zhuǎn)子和定子組成）。 直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器 1、直線式感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)、直線式感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu) 定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的 鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕 的辦法做成圖示的印刷繞組。長(zhǎng)尺叫定尺，安裝在機(jī)床的辦法做成圖示的印

33、刷繞組。長(zhǎng)尺叫定尺，安裝在機(jī)床 床身上；短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放床身上；短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放 置，保持置，保持0.250.05mm間隙。間隙。 感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距，這是感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距，這是 衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺 長(zhǎng)長(zhǎng)250mm，滑尺長(zhǎng)，滑尺長(zhǎng)100mm，節(jié)距為，節(jié)距為2mm。定尺上是均勻、。定尺上是均勻、 連續(xù)的感應(yīng)繞組；滑尺上是分段繞組，分段繞組分為兩連續(xù)的感應(yīng)繞組；滑尺上是分段繞組，分段繞組分為兩 組，布置成在空間相差組，布置成在空間相

34、差/2或或3/4相角，又稱為正、余弦相角，又稱為正、余弦 繞組。感應(yīng)同步器的分段繞組和連續(xù)繞組相當(dāng)于變壓器繞組。感應(yīng)同步器的分段繞組和連續(xù)繞組相當(dāng)于變壓器 的一次側(cè)和二次側(cè)線圈，利用交變電磁場(chǎng)和互感原理工的一次側(cè)和二次側(cè)線圈，利用交變電磁場(chǎng)和互感原理工 作。作。 絕緣粘膠 銅箔 鋁箔 耐切削液涂層 基板(鋼、銅) 節(jié)距（2mm） 定尺定尺 滑尺滑尺 sin cos 4 1 繞組 正弦繞組余弦繞組 節(jié)距(0.5mm) 2直線式感應(yīng)同步器的工作原理直線式感應(yīng)同步器的工作原理 在滑尺的正弦繞組中，施加頻率為在滑尺的正弦繞組中，施加頻率為f的交變電流時(shí)，定尺的交變電流時(shí)，定尺 繞組感應(yīng)出頻率為繞組感應(yīng)

35、出頻率為f的感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的大小與滑尺和的感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的大小與滑尺和 定尺的相對(duì)位置有關(guān)。當(dāng)兩繞組同向?qū)R時(shí)，滑尺繞組磁通定尺的相對(duì)位置有關(guān)。當(dāng)兩繞組同向?qū)R時(shí)，滑尺繞組磁通 全部交鏈于定尺繞組，所以其感應(yīng)電勢(shì)為正向最大。移動(dòng)全部交鏈于定尺繞組，所以其感應(yīng)電勢(shì)為正向最大。移動(dòng) 1/4節(jié)距后，兩繞組磁通不交鏈，即交鏈磁通量為零；再移節(jié)距后，兩繞組磁通不交鏈，即交鏈磁通量為零；再移 動(dòng)動(dòng)1/4節(jié)距后，兩繞組反向時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)負(fù)向最大。依次類節(jié)距后，兩繞組反向時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)負(fù)向最大。依次類 推，每移動(dòng)一節(jié)距，周期性的重復(fù)變化一次，其感應(yīng)電勢(shì)隨推，每移動(dòng)一節(jié)距，周期性的重復(fù)變化一次，其感應(yīng)電勢(shì)隨

36、 位置按余弦規(guī)律變化。位置按余弦規(guī)律變化。 同樣，若在滑尺的余弦繞組中，施加頻率為同樣，若在滑尺的余弦繞組中，施加頻率為f的交變電流的交變電流 時(shí)，定尺繞組上也感應(yīng)出頻率為時(shí)，定尺繞組上也感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電勢(shì)。其感應(yīng)電勢(shì)的感應(yīng)電勢(shì)。其感應(yīng)電勢(shì) 隨位置按正弦規(guī)律變化。隨位置按正弦規(guī)律變化。 由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊 加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)為加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)為 式中式中 K定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)； 定尺與滑尺相對(duì)位移的角度表示量（電角定尺與滑尺相對(duì)位移的角度表示量（電角 度）度）,

37、 。 感應(yīng)同步器是利用感應(yīng)電壓的變化來進(jìn)行位置檢測(cè)的。感應(yīng)同步器是利用感應(yīng)電壓的變化來進(jìn)行位置檢測(cè)的。 根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式 的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相和鑒幅兩種方法，前的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相和鑒幅兩種方法，前 者是通過檢測(cè)感應(yīng)電壓的相位來測(cè)量位移，后者是通過檢測(cè)者是通過檢測(cè)感應(yīng)電壓的相位來測(cè)量位移，后者是通過檢測(cè) 感應(yīng)電壓的幅值來測(cè)量位移。感應(yīng)電壓的幅值來測(cè)量位移。 sincos c KU s KU o U o U o U x2 3.測(cè)量方法測(cè)量方法 1）鑒相法）鑒相法 當(dāng)滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞

38、組分別施加當(dāng)滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加和和，但，但 的兩個(gè)電壓時(shí)，定尺感應(yīng)電勢(shì)相應(yīng)隨滑尺位置而的兩個(gè)電壓時(shí)，定尺感應(yīng)電勢(shì)相應(yīng)隨滑尺位置而 變。設(shè)變。設(shè) ， 則則 從上式可以看出，感應(yīng)同步器把滑尺相對(duì)定尺的位移從上式可以看出，感應(yīng)同步器把滑尺相對(duì)定尺的位移x 的變化轉(zhuǎn)成感應(yīng)電勢(shì)相角的變化轉(zhuǎn)成感應(yīng)電勢(shì)相角 的變化。因此，只要測(cè)得相角的變化。因此，只要測(cè)得相角 ， 就可以知道滑尺的相對(duì)位移就可以知道滑尺的相對(duì)位移x： tmsUUsintUUmccos OOO UUU sincoscossintKUtKU mm )sin(tKU m 2 x tmUUssinsin tmUUcsincos tKU tK

39、U tKUtKU o U o U o U m m mm sin)sin( sin)sincoscos(sin sinsincoscossinsin 2）鑒幅法）鑒幅法 在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加和和，但，但 的兩個(gè)交流電壓的兩個(gè)交流電壓 根據(jù)線性疊加原理，定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)根據(jù)線性疊加原理，定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)Uo為兩個(gè)繞組單獨(dú)為兩個(gè)繞組單獨(dú) 作用時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)作用時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)Uo和和Uo之和。即之和。即 式中式中 感應(yīng)電勢(shì)的幅值；感應(yīng)電勢(shì)的幅值； Um 滑尺勵(lì)磁電壓最大的幅值；滑尺勵(lì)磁電壓最大的幅值； 滑尺交流勵(lì)磁電壓的角頻率，滑尺交流勵(lì)磁電壓的角頻率，=2f； 指令位移角。指令位移角。 由上式知，感應(yīng)電勢(shì)由上式知，感應(yīng)電勢(shì)U2的幅值隨的幅值隨 作正弦變化，當(dāng)作正弦變化，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，Uo=0。隨著滑尺的移動(dòng)，