第十章數(shù)字式傳感器(上)

1、第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 10.1 光柵傳感器光柵傳感器 10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 10.4 角數(shù)字編碼器角數(shù)字編碼器 10.5 頻率式數(shù)字傳感器頻率式數(shù)字傳感器 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 模擬式傳感器模擬式傳感器模擬量模擬量 傳感器傳感器 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器數(shù)字量數(shù)字量 數(shù)字式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字式傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 測量精度與分辨率高，無讀數(shù)誤差；測量精度與分辨率高，無讀數(shù)誤差； 抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，易于遠(yuǎn)距離傳輸；抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，易于遠(yuǎn)距離傳輸； 易于與微機(jī)接口，便于信號處理和實(shí)現(xiàn)自動化測控。易于與微機(jī)接口，便

2、于信號處理和實(shí)現(xiàn)自動化測控。 數(shù)字式傳感器分類：數(shù)字式傳感器分類： 脈沖數(shù)字式：計量光柵；磁柵；感應(yīng)同步器；角數(shù)編脈沖數(shù)字式：計量光柵；磁柵；感應(yīng)同步器；角數(shù)編碼器；碼器； 數(shù)字頻率式：振蕩電路；振筒；振膜；振弦。數(shù)字頻率式：振蕩電路；振筒；振膜；振弦。10.1 光柵傳感器光柵傳感器 物理光柵：衍射現(xiàn)象；用于光譜分析、波長測量等物理光柵：衍射現(xiàn)象；用于光譜分析、波長測量等光柵光柵 線位移長光柵線位移長光柵長度測量長度測量 計量光柵：莫爾條紋現(xiàn)象計量光柵：莫爾條紋現(xiàn)象 （透射式和反射式）（透射式和反射式） 角位移圓光柵角位移圓光柵角度測量角度測量10.1 光柵傳感器光柵傳感器10.1.1光柵傳感

3、器的結(jié)構(gòu)和原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和原理10.1.1.1結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 圖圖10-1 黑白透射黑白透射式光柵示意圖式光柵示意圖 10.1 光柵傳感器光柵傳感器 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 照明系統(tǒng)：普通白光源，照明系統(tǒng)：普通白光源，GaAs固態(tài)光源固態(tài)光源等；等； 光柵副：主光柵或標(biāo)尺光柵，指示光柵；光柵副：主光柵或標(biāo)尺光柵，指示光柵； 光電接收元件：光電池或光敏三極管。光電接收元件：光電池或光敏三極管。 光柵：光柵： 刻線寬度刻線寬度a，刻線間距，刻線間距b，通常，通常a=b=W/2；或；或a:b=1.1:0.9； 光柵柵距（或光柵常數(shù)）光柵柵距（或光柵常數(shù)）W=a+b； 光柵規(guī)格：光柵規(guī)格：10、25、50、1

4、00線線/mm。10.1 光柵傳感器光柵傳感器10.1.1.2工作原理工作原理 1莫爾（莫爾（Moire）條紋的形成）條紋的形成 光柵常數(shù)相同的兩塊光柵相互疊合在一起時，若兩光柵刻光柵常數(shù)相同的兩塊光柵相互疊合在一起時，若兩光柵刻線之間保持很小的夾角線之間保持很小的夾角 ，由于遮光效應(yīng)，在近于垂直柵線，由于遮光效應(yīng)，在近于垂直柵線方向出現(xiàn)若干明暗相間的條紋，即莫爾（方向出現(xiàn)若干明暗相間的條紋，即莫爾（Moire）條紋。如）條紋。如圖圖10-2所示。所示。 Moire條紋的間距條紋的間距B為為圖圖10-2 光柵和橫向光柵和橫向莫爾條紋莫爾條紋WW222sin2WB（10-1） 10.1 光柵傳感

5、器光柵傳感器 2. 莫爾（莫爾（Moire）條紋的基本特性）條紋的基本特性 （1）兩光柵作相對位移時，其橫向）兩光柵作相對位移時，其橫向Moire條紋也產(chǎn)生相應(yīng)條紋也產(chǎn)生相應(yīng)移動，其位移量和移動方向與兩光柵的移動狀況有嚴(yán)格的對移動，其位移量和移動方向與兩光柵的移動狀況有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系；應(yīng)關(guān)系； （2）光柵副相對移動一個柵距）光柵副相對移動一個柵距W，Moire條紋移動一個間條紋移動一個間距距B，由，由B=W/ 知，知，B對光柵副的位移有放大作用，鑒于對光柵副的位移有放大作用，鑒于此，計量光柵利用此，計量光柵利用Moire條紋可以測微小位移；條紋可以測微小位移； （3）Moire條紋的光強(qiáng)是一個

6、區(qū)域內(nèi)許多透光刻線的綜合條紋的光強(qiáng)是一個區(qū)域內(nèi)許多透光刻線的綜合效果，因此，它對光柵尺的柵距誤差有平均效果；效果，因此，它對光柵尺的柵距誤差有平均效果； （4）Moire條紋的光強(qiáng)變化近似正弦變化，便于采用細(xì)分條紋的光強(qiáng)變化近似正弦變化，便于采用細(xì)分技術(shù)，提高測量分辨率。技術(shù)，提高測量分辨率。10.1 光柵傳感器光柵傳感器10.1.2 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路10.1.2.1 光柵的輸出信號光柵的輸出信號 主光柵與指示光柵作相對位移產(chǎn)生莫爾條紋，光電元件在主光柵與指示光柵作相對位移產(chǎn)生莫爾條紋，光電元件在固定位置觀測莫爾條紋移動的光強(qiáng)變化，并將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電固定位置觀測莫爾條紋移

7、動的光強(qiáng)變化，并將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號輸出。光電元件輸出電壓信號輸出。光電元件輸出電壓uo與位移量與位移量x成近似正弦關(guān)成近似正弦關(guān)系。系。 光電元件輸出電壓光電元件輸出電壓uo可表示為可表示為式中，式中，Uav輸出信號的平均直流分量；輸出信號的平均直流分量；Um輸出信號的輸出信號的 幅值幅值 ，Um=Uav。(10-2)2cos1 ()22sin(WxUWxUUummavo10.1 光柵傳感器光柵傳感器 光柵輸出信號的光電轉(zhuǎn)換電路及其輸出信號波形如圖光柵輸出信號的光電轉(zhuǎn)換電路及其輸出信號波形如圖10-3所示。所示。圖圖10-3 光柵輸出信號光柵輸出信號 （a）光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖（）光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示

8、意圖（b）輸出信號波形）輸出信號波形10.1 光柵傳感器光柵傳感器 光柵傳感器測位移光柵傳感器測位移x的原理：的原理： 當(dāng)位移量當(dāng)位移量x變化一個柵距變化一個柵距W時，其輸出信號時，其輸出信號uo變化一個周變化一個周期，若對輸出正弦信號期，若對輸出正弦信號uo整形成變化一個周期輸出一個脈整形成變化一個周期輸出一個脈沖，則位移量沖，則位移量x為為 x=NW (10-3)式中，式中，N脈沖數(shù)；脈沖數(shù)；W光柵柵距。光柵柵距。 輸出信號靈敏度：輸出信號靈敏度： 輸出電壓信號的斜率為輸出電壓信號的斜率為(10-4) 由上式可見，當(dāng)由上式可見，當(dāng)2 x/W=n ，即，即x=W/2、W、3W/2、時，斜率最

9、大，靈敏度最高。故其輸出信號靈敏度時，斜率最大，靈敏度最高。故其輸出信號靈敏度Ku為為Ku =2 Um/W (10-5)WxWUdxdumo2sin210.1 光柵傳感器光柵傳感器10.1.2.2 辨向原理辨向原理 計量光柵辨向原理電路如圖計量光柵辨向原理電路如圖10-4所示。所示。圖圖10-4 光柵辨向原理圖光柵辨向原理圖10.1 光柵傳感器光柵傳感器 辨向原理：辨向原理： 在相距在相距B/4位置設(shè)置兩個光電元件位置設(shè)置兩個光電元件1和和2，得到兩個相位差，得到兩個相位差 /2的的Moire條紋正弦電壓信號條紋正弦電壓信號u1和和u2，然后送到辨向電路中，然后送到辨向電路中去處理。正向移動（

10、去處理。正向移動（A）時，）時，Y1輸出脈沖，計數(shù)器作加法計輸出脈沖，計數(shù)器作加法計數(shù)；反向移動（數(shù)；反向移動（ ）時，）時，Y2輸出脈沖，計數(shù)器作減法計輸出脈沖，計數(shù)器作減法計數(shù)。由此辨向，進(jìn)行位移的正確測量。數(shù)。由此辨向，進(jìn)行位移的正確測量。 10.1 光柵傳感器光柵傳感器10.1.2.3 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù) 細(xì)分技術(shù)就是當(dāng)細(xì)分技術(shù)就是當(dāng)Moire條紋變化一個周期時，輸出若干個條紋變化一個周期時，輸出若干個計數(shù)脈沖，減小脈沖當(dāng)量以提高分辨率。計數(shù)脈沖，減小脈沖當(dāng)量以提高分辨率。 1.機(jī)械細(xì)分機(jī)械細(xì)分(位置細(xì)分或直接細(xì)分位置細(xì)分或直接細(xì)分) 在一個在一個Moire條紋間距上相距條紋間距上相距B

11、/4依此設(shè)置四個光電元件。依此設(shè)置四個光電元件。當(dāng)當(dāng)Moire條紋變化一個周期時，可以獲得依此相差條紋變化一個周期時，可以獲得依此相差 /2的四個的四個正弦信號，從而依此獲得四個計數(shù)脈沖（見圖正弦信號，從而依此獲得四個計數(shù)脈沖（見圖10-5），實(shí)現(xiàn)），實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。四細(xì)分。圖圖10-5 四倍頻機(jī)械細(xì)分法四倍頻機(jī)械細(xì)分法 10.1 光柵傳感器光柵傳感器 2.電子細(xì)分（正、余弦組合技術(shù)）電子細(xì)分（正、余弦組合技術(shù)） 電子細(xì)分只需在一個電子細(xì)分只需在一個Moire條紋間距上相距條紋間距上相距B/4的位置的位置設(shè)置兩個光電元件，獲得相差設(shè)置兩個光電元件，獲得相差 /2的兩個正弦信號的兩個正弦信號 u1=

12、Umsin(2 x/W)； u2=Umcos(2 x/W) （10-6） （1）四倍頻細(xì)分）四倍頻細(xì)分 由由u1、u2及其各自的反相信號及其各自的反相信號u3、u4，可以獲得依此相，可以獲得依此相差差 /2的四個正弦信號，從而獲得四個計數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)四的四個正弦信號，從而獲得四個計數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。細(xì)分。10.1 光柵傳感器光柵傳感器 （2）電阻電橋細(xì)分）電阻電橋細(xì)分 圖圖10-6為電阻電橋細(xì)分電路，為電阻電橋細(xì)分電路，u1、u2分別為式（分別為式（10-6）所）所示兩光電元件輸出的兩個示兩光電元件輸出的兩個Moire條紋電壓信號，設(shè)電橋負(fù)載條紋電壓信號，設(shè)電橋負(fù)載電阻無窮大，則電橋輸出電壓電

13、阻無窮大，則電橋輸出電壓uo為為 (10-7)21211212122211RRuRuRRRRuRRRuuo 電橋平衡條件電橋平衡條件 R2u1+R1u2=0 令令 2 x/W= ，則式（，則式（10-6）改寫為）改寫為u1=Umsin 和和u2=Umcos ，代入上式，得，代入上式，得 tan = R1/R2 （10-8） R1/R2 x=W /2 =Wtan-1(-R1/R2)/ 2 圖圖10-6 電阻電橋細(xì)分原理電阻電橋細(xì)分原理 10.1 光柵傳感器光柵傳感器 由于由于R1/R2與位移與位移x有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，用電橋平衡信號有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，用電橋平衡信號（uo=0）去觸發(fā)施密特電路，便發(fā)

14、出脈沖計數(shù)信號。從式）去觸發(fā)施密特電路，便發(fā)出脈沖計數(shù)信號。從式（10-8）可見，只有在二、四象限內(nèi)才能滿足條件。但是，）可見，只有在二、四象限內(nèi)才能滿足條件。但是，如果同時用如果同時用u1、u2的反向信號，便可在四個象限中得到任意的反向信號，便可在四個象限中得到任意的細(xì)分組合。圖的細(xì)分組合。圖10-7就是這種電阻電橋就是這種電阻電橋10細(xì)分電路的例子。細(xì)分電路的例子。 圖圖10-7 電阻電橋電阻電橋10細(xì)分電路細(xì)分電路10.1 光柵傳感器光柵傳感器 （3）電阻鏈細(xì)分法）電阻鏈細(xì)分法 電阻鏈細(xì)分實(shí)質(zhì)上也是電橋電阻鏈細(xì)分實(shí)質(zhì)上也是電橋細(xì)分，只是結(jié)構(gòu)形式不同而已。細(xì)分，只是結(jié)構(gòu)形式不同而已。如圖如

15、圖10-8所示，對任一輸出電所示，對任一輸出電壓為零時，有如下關(guān)系壓為零時，有如下關(guān)系10-8 電阻鏈細(xì)分電路電阻鏈細(xì)分電路 nxxxxRRRRRRtan1121（10-9） 10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器10.1.3零位光柵和絕對零位零位光柵和絕對零位 光柵測量系統(tǒng)是一個增量式測量系統(tǒng)，在測量過程中，它光柵測量系統(tǒng)是一個增量式測量系統(tǒng)，在測量過程中，它只有相對零位。實(shí)際測量過程中需確定一個基準(zhǔn)點(diǎn)，即絕對只有相對零位。實(shí)際測量過程中需確定一個基準(zhǔn)點(diǎn)，即絕對零位。零位。 零位光柵確定系統(tǒng)的絕對零位。零位光柵是在標(biāo)尺光柵和零位光柵確定系統(tǒng)的絕對零位。零位光柵是在標(biāo)尺光柵和指示光柵的原有刻線之外另行

16、刻制的，最簡單的零位光柵刻指示光柵的原有刻線之外另行刻制的，最簡單的零位光柵刻線是一條單獨(dú)刻制的透光亮線。線是一條單獨(dú)刻制的透光亮線。 圓光柵圓光柵傳感器結(jié)構(gòu)原理與直線光柵相仿，它用于角位移測傳感器結(jié)構(gòu)原理與直線光柵相仿，它用于角位移測量。量。10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器10.1.4光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用 光柵傳感器因其測量精度高、量程大、易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字光柵傳感器因其測量精度高、量程大、易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)中數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)化，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)中數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測量、機(jī)床運(yùn)動鏈的比較和反饋校正以及

17、工件和工模具形狀的二維和三測量、機(jī)床運(yùn)動鏈的比較和反饋校正以及工件和工模具形狀的二維和三維坐標(biāo)精密檢測等方面。圖維坐標(biāo)精密檢測等方面。圖10-13是透射長光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。是透射長光柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖圖10-13 透射長光柵傳感器透射長光柵傳感器10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器10.2.1磁柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理磁柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：磁柵傳感器有磁柵（磁尺或磁盤）、磁頭和檢測電磁柵傳感器有磁柵（磁尺或磁盤）、磁頭和檢測電路等組成，如圖路等組成，如圖10-14所示。所示。圖圖10-14 磁柵傳感器磁柵傳感器示意圖示意圖10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 磁信號節(jié)距磁信號節(jié)距

18、 ： 長磁柵，長磁柵， =0.05mm，0.02mm兩種；磁柵條數(shù)在兩種；磁柵條數(shù)在10030000之間。之間。 磁頭：磁頭： 動態(tài)磁頭，非調(diào)制性磁頭或速度響應(yīng)式磁頭；動態(tài)磁頭，非調(diào)制性磁頭或速度響應(yīng)式磁頭； 靜態(tài)磁頭，磁通響應(yīng)式磁頭或調(diào)制式磁頭。靜態(tài)磁頭，磁通響應(yīng)式磁頭或調(diào)制式磁頭。10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 原理：原理： 動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭與磁柵間以一定速度相對移動時，磁頭線圈輸與磁柵間以一定速度相對移動時，磁頭線圈輸出正弦感應(yīng)信號，信號的大小與移動速度有關(guān)。結(jié)構(gòu)原理如出正弦感應(yīng)信號，信號的大小與移動速度有關(guān)。結(jié)構(gòu)原理如圖圖10-16所示。所示。圖圖10-16 動態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)與讀出信號動態(tài)

19、磁頭結(jié)構(gòu)與讀出信號10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭為多間隙磁頭，磁芯上具有兩個繞組（激磁繞組為多間隙磁頭，磁芯上具有兩個繞組（激磁繞組N2和輸出繞和輸出繞組組N1），它根據(jù)激磁繞組所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁尺上的磁化強(qiáng)度的變），它根據(jù)激磁繞組所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁尺上的磁化強(qiáng)度的變化情況，輸出一個與磁尺位置相對應(yīng)的電信號。靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)如圖化情況，輸出一個與磁尺位置相對應(yīng)的電信號。靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)如圖10-17所示。所示。圖圖10-17 靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭的工作原理如圖的工作原理如圖10-18所示。激磁繞

20、組相當(dāng)于所示。激磁繞組相當(dāng)于一個非線性電感，激磁電流也是非線性的。磁芯回路中的一個非線性電感，激磁電流也是非線性的。磁芯回路中的 和和Rm隨激磁電流工作的磁化曲線不同區(qū)段而變化。磁阻隨激磁電流工作的磁化曲線不同區(qū)段而變化。磁阻Rm在磁芯中的作用相當(dāng)于一個在磁芯中的作用相當(dāng)于一個“磁開關(guān)磁開關(guān)”，對磁尺產(chǎn)生，對磁尺產(chǎn)生的的磁通起磁通起“導(dǎo)通導(dǎo)通”和和“阻斷阻斷”作用，從而引起輸出繞組的磁作用，從而引起輸出繞組的磁芯回芯回路中的磁通變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。每一激磁電壓周期內(nèi)路中的磁通變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。每一激磁電壓周期內(nèi)有兩次磁通變化，感應(yīng)電動勢頻率是激磁電壓頻率的有兩次磁通變化，感應(yīng)電動勢頻率是

21、激磁電壓頻率的2倍，幅值與磁尺所產(chǎn)生的磁通量大小成比例。倍，幅值與磁尺所產(chǎn)生的磁通量大小成比例。10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器圖圖10-18 靜態(tài)磁頭磁柵傳感器工作原理圖靜態(tài)磁頭磁柵傳感器工作原理圖10.2 磁柵傳感器磁柵傳感器10.2.2磁柵傳感器測量系統(tǒng)磁柵傳感器測量系統(tǒng) 磁柵傳感器測量系統(tǒng)都采用兩個多間隙磁頭來讀出磁尺上磁柵傳感器測量系統(tǒng)都采用兩個多間隙磁頭來讀出磁尺上的磁信號，如圖的磁信號，如圖10-14所示。雙磁頭間隔所示。雙磁頭間隔 /4安置，則兩磁頭安置，則兩磁頭的磁信號相位差的磁信號相位差 /4，輸出繞組輸出相位差，輸出繞組輸出相位差 /2的兩正弦信號的兩正弦信號 (10-14

22、)式中，式中， 磁尺磁信號的空間波長；磁尺磁信號的空間波長；x磁頭在一個波長磁頭在一個波長 內(nèi)內(nèi)的位置狀態(tài)；的位置狀態(tài)； 輸出信號的頻率，輸出信號的頻率， =2 f（激勵信號頻率（激勵信號頻率為為f /2）；）；EO1、EO2兩輸出信號的幅值，通過調(diào)整，可使兩輸出信號的幅值，通過調(diào)整，可使EO1=EO2=EO。tsinxcosEe; tsinxsinEeOoOo22221110.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 若采用鑒幅方式，則先經(jīng)檢波去掉高頻載波，得若采用鑒幅方式，則先經(jīng)檢波去掉高頻載波，得 (10-15) 再送相關(guān)電路進(jìn)行細(xì)分、辨向后輸出。再送相關(guān)電路進(jìn)行細(xì)分、辨向后輸出。xEexEeOoOo2

23、cos;2sin2110.2 磁柵傳感器磁柵傳感器 若采用鑒相方式，用兩個相差若采用鑒相方式，用兩個相差 /4的激磁信號激勵，則輸?shù)募ご判盘柤?，則輸出信號為出信號為 (10-16)將這兩個信號經(jīng)求和處理后，可得輸出信號為將這兩個信號經(jīng)求和處理后，可得輸出信號為 (10-17) 這是一個幅值不變、相位隨磁頭與磁柵相對位置這是一個幅值不變、相位隨磁頭與磁柵相對位置x而變化而變化的信號，利用鑒相電路測量出相位，便可確定的信號，利用鑒相電路測量出相位，便可確定x。tsinxcosEe; tcosxsinEeOoOo2221xtsinEeoo210.2 磁柵傳感器磁柵傳感器10.2.3磁柵傳感器的特點(diǎn)

24、和誤差分析磁柵傳感器的特點(diǎn)和誤差分析 磁柵傳感器錄制的磁信號的空間波長磁柵傳感器錄制的磁信號的空間波長 稍大于計量光柵稍大于計量光柵的柵距的柵距W； 零磁柵錄制比零位光柵刻線簡單；零磁柵錄制比零位光柵刻線簡單； 存在零位誤差和細(xì)分誤差；存在零位誤差和細(xì)分誤差； 系統(tǒng)總誤差在系統(tǒng)總誤差在0.01 m以內(nèi)；以內(nèi)； 分辨力為分辨力為15 m.。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理而制成的測位移的傳感位置不同而變化的原理而制成的測位移的傳感器，其輸出是數(shù)字量，測量精度高，并且能測器，其輸出是數(shù)字量，測量精度高，

25、并且能測1m以上的大位移，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。以上的大位移，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器10.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 直線式直線式:滑尺滑尺（平面分段繞組，正、余弦繞（平面分段繞組，正、余弦繞 組）和組）和定尺定尺（平面連續(xù)繞組）（平面連續(xù)繞組）感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式(圓盤式圓盤式)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子（平面連續(xù)繞組）和（平面連續(xù)繞組）和 定子定子（平面分段繞組，正、余弦組）（平面分段繞組，正、余弦組） 感應(yīng)同步器的感應(yīng)同步器的連續(xù)繞組連續(xù)繞組和和分段繞組分段繞組相當(dāng)于變壓器的相當(dāng)于變壓器的原邊繞原邊繞組組和和副

26、邊繞組副邊繞組，利用交變電磁場和互感原理工作。，利用交變電磁場和互感原理工作。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 圖圖10-19 直線式感應(yīng)同步器示意圖直線式感應(yīng)同步器示意圖 圖圖10-20 圓感應(yīng)同步器示意圖圓感應(yīng)同步器示意圖10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 原理：原理： 圖圖10-21畫出一個簡化了的直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)，用來畫出一個簡化了的直線式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)，用來定性地說明它的輸出感應(yīng)電動勢與相對位置之間的關(guān)系。定性地說明它的輸出感應(yīng)電動勢與相對位置之間的關(guān)系。 圖圖10-21 感應(yīng)同步器的相對位置與輸出感應(yīng)電動勢的關(guān)系感應(yīng)同步器的相對位置與輸出感應(yīng)電動勢的關(guān)系 S正弦繞組；正弦繞組；C余弦

27、繞組；余弦繞組；(f)感應(yīng)電勢與位移關(guān)系曲線感應(yīng)電勢與位移關(guān)系曲線10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 如圖（如圖（10-21），在滑尺的余弦繞組加上激勵電壓。由于），在滑尺的余弦繞組加上激勵電壓。由于繞組導(dǎo)片的長度遠(yuǎn)大于其端部，導(dǎo)片的長度與氣隙之比又遠(yuǎn)繞組導(dǎo)片的長度遠(yuǎn)大于其端部，導(dǎo)片的長度與氣隙之比又遠(yuǎn)大于大于1，因此，為了簡化，可以略去定、滑尺繞組的端部影，因此，為了簡化，可以略去定、滑尺繞組的端部影響，并將導(dǎo)片視為無限長導(dǎo)線。為了進(jìn)一步簡化，把激勵的響，并將導(dǎo)片視為無限長導(dǎo)線。為了進(jìn)一步簡化，把激勵的正弦電壓看成帶正、負(fù)號的正弦電壓看成帶正、負(fù)號的“直流直流”持續(xù)增長情況。設(shè)其相持續(xù)增長情況。

28、設(shè)其相應(yīng)應(yīng)的激勵電流方向如圖中所示。的激勵電流方向如圖中所示。 圖圖10-21(a)所示，余弦繞組中的電流在定尺繞組中感應(yīng)的所示，余弦繞組中的電流在定尺繞組中感應(yīng)的電動勢之和為零。這個位置稱為感應(yīng)同步器的零位置。電動勢之和為零。這個位置稱為感應(yīng)同步器的零位置。 當(dāng)滑尺向右移動一段距離當(dāng)滑尺向右移動一段距離(W8)，如圖，如圖10-21(b)的位置的位置時，保持激勵電壓不變，如圖所示，余弦繞組左側(cè)導(dǎo)片在定時，保持激勵電壓不變，如圖所示，余弦繞組左側(cè)導(dǎo)片在定尺繞組中感應(yīng)的電動勢比右側(cè)導(dǎo)片所感應(yīng)的大，定尺繞組中尺繞組中感應(yīng)的電動勢比右側(cè)導(dǎo)片所感應(yīng)的大，定尺繞組中感應(yīng)電動勢的總和就不再為零，它的感應(yīng)電

29、流的方向如圖中感應(yīng)電動勢的總和就不再為零，它的感應(yīng)電流的方向如圖中所示。所示。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 可以得出，定尺的感應(yīng)電動勢隨著滑尺的右移而增大，在可以得出，定尺的感應(yīng)電動勢隨著滑尺的右移而增大，在向右移動向右移動W4位置時位置時(圖圖10-21(c)，達(dá)到最大值。，達(dá)到最大值。 滑尺繼續(xù)向右移動，定尺的感應(yīng)電動勢又逐漸減小。當(dāng)移滑尺繼續(xù)向右移動，定尺的感應(yīng)電動勢又逐漸減小。當(dāng)移過過W2位置位置(圖圖10-21(d)時又回復(fù)到零?；咴倮^續(xù)向右時又回復(fù)到零。滑尺再繼續(xù)向右移，定尺繞組中又開始有感應(yīng)電動勢輸出，但是電動勢的極移，定尺繞組中又開始有感應(yīng)電動勢輸出，但是電動勢的極性改變了

30、。在滑尺右移性改變了。在滑尺右移3W4位置圖位置圖(10-21(e)時，定尺繞組時，定尺繞組中的感應(yīng)電動勢達(dá)到負(fù)的最大值。中的感應(yīng)電動勢達(dá)到負(fù)的最大值。 滑尺繼續(xù)向右移動，定尺中的感應(yīng)電動勢會逐漸減小。當(dāng)滑尺繼續(xù)向右移動，定尺中的感應(yīng)電動勢會逐漸減小。當(dāng)移過距離移過距離W時，回復(fù)到圖時，回復(fù)到圖10-21(a)的位置狀態(tài)，定尺繞組中的位置狀態(tài)，定尺繞組中的感應(yīng)電動勢也回復(fù)到開始時的零態(tài)。只是相對位置右移了的感應(yīng)電動勢也回復(fù)到開始時的零態(tài)。只是相對位置右移了一個周期一個周期W。再繼續(xù)移動將重復(fù)以上過程。再繼續(xù)移動將重復(fù)以上過程。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 可見，當(dāng)滑尺繞組上加上激勵電壓時，定

31、尺輸出感應(yīng)電動可見，當(dāng)滑尺繞組上加上激勵電壓時，定尺輸出感應(yīng)電動勢是滑尺與定尺相對位置的正弦函數(shù)，如圖勢是滑尺與定尺相對位置的正弦函數(shù)，如圖10-21(f)所示，所示，可以寫成可以寫成 （10-18）式中，式中， =2 x/W，是位移所形成的正弦電壓的相位角。，是位移所形成的正弦電壓的相位角。 同理，如果滑尺正弦繞組加上與余弦繞組相同的激勵電同理，如果滑尺正弦繞組加上與余弦繞組相同的激勵電流，則由于正、余弦繞組在空間位置上相差流，則由于正、余弦繞組在空間位置上相差 /2的相位角的相位角(即即空間位置相差空間位置相差W/4)，在同樣移動情況下，將會在定尺繞組，在同樣移動情況下，將會在定尺繞組中產(chǎn)

32、生相同的感應(yīng)電動勢，只不過相位差中產(chǎn)生相同的感應(yīng)電動勢，只不過相位差 /2而已。為后面而已。為后面討論方便，可以將正、余弦繞組在定尺中的感應(yīng)電動勢分別討論方便，可以將正、余弦繞組在定尺中的感應(yīng)電動勢分別寫成寫成 （10-19）sinExWsinEemm2cosEesinEemcms10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器10.3.2 信號處理方式信號處理方式 1.鑒相法鑒相法 如果滑尺的正、余弦繞組中的激勵電壓不是前面簡化假設(shè)如果滑尺的正、余弦繞組中的激勵電壓不是前面簡化假設(shè)的的“直流直流”情況，而是交流激勵電壓，則在定尺中的感應(yīng)電情況，而是交流激勵電壓，則在定尺中的感應(yīng)電動動勢勢es和和ec將不再是幅

33、值將不再是幅值Em恒定、與相對位移成正、余弦關(guān)恒定、與相對位移成正、余弦關(guān)系，而是幅值交變的正、余弦關(guān)系。系，而是幅值交變的正、余弦關(guān)系。 實(shí)際應(yīng)用時，在滑尺的正、余弦繞組上供給頻率相同、相實(shí)際應(yīng)用時，在滑尺的正、余弦繞組上供給頻率相同、相位差位差 /2的交流激勵電壓，即的交流激勵電壓，即 正弦繞組激磁電壓正弦繞組激磁電壓 us=Umsin t 余弦繞組激磁電壓余弦繞組激磁電壓 uc=Umcos t （10-20）式中，式中，Um激磁電壓幅值。激磁電壓幅值。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 由于定尺和滑尺都是平面繞圈，這種由于定尺和滑尺都是平面繞圈，這種“線圈線圈”又是由導(dǎo)體又是由導(dǎo)體往往復(fù)曲折

34、構(gòu)成的復(fù)曲折構(gòu)成的“匝匝”，它并不是平面螺線，更不是柱形螺管，它并不是平面螺線，更不是柱形螺管，所以感抗所以感抗L是非常小的，可以略去是非常小的，可以略去L而只考慮其電阻而只考慮其電阻R，于是，于是上列兩激勵電壓在各自的線圈中產(chǎn)生的電流是上列兩激勵電壓在各自的線圈中產(chǎn)生的電流是 (10-21)這種激勵電流在定尺中所感應(yīng)出的電動勢分別為這種激勵電流在定尺中所感應(yīng)出的電動勢分別為(e= kdi/dt) (10-22)式中，式中，ks和和kc分別為正、余弦繞組與定尺繞組間的耦合系數(shù)分別為正、余弦繞組與定尺繞組間的耦合系數(shù)tcosRURuitsinRURuimccmsscostsinUkesintco

35、sUkemccmss10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 定尺繞組中感應(yīng)電動勢為滑尺的正、余弦繞組共同產(chǎn)生定尺繞組中感應(yīng)電動勢為滑尺的正、余弦繞組共同產(chǎn)生的，為的，為當(dāng)當(dāng)ks=kc=k時，上式可以寫成時，上式可以寫成 (10-23) 上式表明定尺繞組中的感應(yīng)電動勢上式表明定尺繞組中的感應(yīng)電動勢eo的相位是感應(yīng)同步器的相位是感應(yīng)同步器相對位置相對位置 角角(或位置或位置x)的函數(shù)，位移每經(jīng)過一個節(jié)距的函數(shù)，位移每經(jīng)過一個節(jié)距W，感，感應(yīng)電動勢應(yīng)電動勢eo則變化一個周期則變化一個周期(2 )。檢測。檢測eo的相位，就可以確的相位，就可以確定感應(yīng)同步器的相對位置。因此，這種方法稱為定感應(yīng)同步器的相對位置。

36、因此，這種方法稱為鑒相法鑒相法。sintcosUkcostsinUkeeemsmcscotsinEtsinkUemmo10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 2鑒幅法鑒幅法 如果滑尺繞組的激勵電壓分別為如果滑尺繞組的激勵電壓分別為 正弦繞組正弦繞組 us=Umcos cos t 余弦繞組余弦繞組 uc=Umsin cos t則在定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的總和為則在定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的總和為 eo= ec+es=kUmsin tsin coskUm sin tcos sin = kUmsin()sin t = Emsin()sin t (10-24)式式(10-24)表明，激勵電壓的電相角表明

37、，激勵電壓的電相角 值與感應(yīng)同步器的相對值與感應(yīng)同步器的相對位置位置 角有對應(yīng)關(guān)系。調(diào)整激勵電壓的角有對應(yīng)關(guān)系。調(diào)整激勵電壓的 值，使輸出感應(yīng)電動值，使輸出感應(yīng)電動勢勢eo的幅值為零，此時，激勵電壓的的幅值為零，此時，激勵電壓的 值就反映了感應(yīng)同步值就反映了感應(yīng)同步器的相對位置器的相對位置 。通過檢測感應(yīng)電動勢的幅值來測量位置狀。通過檢測感應(yīng)電動勢的幅值來測量位置狀態(tài)或位移的方法稱為態(tài)或位移的方法稱為鑒幅法鑒幅法。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 在這種情況下，利用專門的鑒幅電路，檢查在這種情況下，利用專門的鑒幅電路，檢查eo的幅值是否的幅值是否等于零。若不等于零，則判斷等于零。若不等于零，則判

38、斷()0或是或是()0，通過對，通過對 的自動調(diào)整，使達(dá)到的自動調(diào)整，使達(dá)到()=0。最后測出穩(wěn)定后的。最后測出穩(wěn)定后的 值，它值，它就是就是 值。由于值。由于 = =2 xW，所以，所以 (10-25)這就是鑒幅法測位移這就是鑒幅法測位移x的原理。的原理。 若設(shè)在初始狀態(tài)時若設(shè)在初始狀態(tài)時 = ，則，則e=0。然后滑尺相對定尺存在。然后滑尺相對定尺存在一位移一位移 x，使，使 + ，則感應(yīng)電動勢增量為，則感應(yīng)電動勢增量為 （10-26） 由此可見，在位移增量由此可見，在位移增量 x較小時，感應(yīng)電動勢增量較小時，感應(yīng)電動勢增量 e的幅的幅值與值與 x成正比，通過鑒別成正比，通過鑒別 e的幅值，

39、就可以測出的幅值，就可以測出 x的大小的大小.2WxtsinW/xkUtsinsinkUemm210.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 實(shí)際中設(shè)計了這樣一個電路系統(tǒng)，每當(dāng)位移實(shí)際中設(shè)計了這樣一個電路系統(tǒng)，每當(dāng)位移 x超過一定超過一定值值(例如例如0.0lmm)，就使，就使 e的幅值超過某一預(yù)先調(diào)定的門檻的幅值超過某一預(yù)先調(diào)定的門檻電平，發(fā)出一個脈沖，并利用這個脈沖去自動改變激勵電電平，發(fā)出一個脈沖，并利用這個脈沖去自動改變激勵電壓幅值，使新的壓幅值，使新的 跟上新的跟上新的 。這樣繼續(xù)下去，便把位移量。這樣繼續(xù)下去，便把位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)了對位移的數(shù)字測量。轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)了對位移的數(shù)

40、字測量。 10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器10.3.3 直線式感應(yīng)同步器的接長與定尺激勵方式直線式感應(yīng)同步器的接長與定尺激勵方式 標(biāo)準(zhǔn)型直線式感應(yīng)同步器定尺的規(guī)定長度為標(biāo)準(zhǔn)型直線式感應(yīng)同步器定尺的規(guī)定長度為250mm，單塊，單塊使用時有效長度為使用時有效長度為180mm左右。因此，當(dāng)測量長度超過左右。因此，當(dāng)測量長度超過180mm時，需要用兩塊以上的定尺接長使用。時，需要用兩塊以上的定尺接長使用。 定尺接長后輸出電動勢會減弱。這是因?yàn)榻娱L后感應(yīng)同步定尺接長后輸出電動勢會減弱。這是因?yàn)榻娱L后感應(yīng)同步器輸出阻抗增大所造成的。為此，當(dāng)測量長度超過一定值器輸出阻抗增大所造成的。為此，當(dāng)測量長度超過一定值

41、時，需要對定尺采取串、并聯(lián)組合的方法來改善信號條件。時，需要對定尺采取串、并聯(lián)組合的方法來改善信號條件。 3m以下的接長，采用定尺繞組串聯(lián)接線方式；以下的接長，采用定尺繞組串聯(lián)接線方式； 3m以上的大行程接長，往往采用分段串聯(lián)后再并聯(lián)的以上的大行程接長，往往采用分段串聯(lián)后再并聯(lián)的接線方式。接線方式。 定尺接長時，在接縫區(qū)因?yàn)榇怕返淖兓瘜⒊霈F(xiàn)誤差跳動的定尺接長時，在接縫區(qū)因?yàn)榇怕返淖兓瘜⒊霈F(xiàn)誤差跳動的現(xiàn)象。目前我國已能生產(chǎn)長度為現(xiàn)象。目前我國已能生產(chǎn)長度為lm，精確度達(dá)，精確度達(dá) 1.5 m的定的定尺，這將有助于改進(jìn)直線式感應(yīng)同步器的接長工作。尺，這將有助于改進(jìn)直線式感應(yīng)同步器的接長工作。10.

42、3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 為了改善滑尺激勵的缺點(diǎn)，為了改善滑尺激勵的缺點(diǎn)，20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了定年代中期出現(xiàn)了定尺激勵技術(shù)。定尺激勵工作方式是在定尺繞組輸人一個激尺激勵技術(shù)。定尺激勵工作方式是在定尺繞組輸人一個激勵信號，如勵信號，如Umcos t，滑尺繞組中就分別輸出兩個幅值與，滑尺繞組中就分別輸出兩個幅值與感應(yīng)同步器位置狀態(tài)感應(yīng)同步器位置狀態(tài) 有關(guān)的相位差有關(guān)的相位差 /2的信號的信號 es=kUmsin sin t， ec=kUmcos sin t （10-27）通過相應(yīng)的電路處理，就可以測出感應(yīng)同步器的位置狀態(tài)通過相應(yīng)的電路處理，就可以測出感應(yīng)同步器的位置狀態(tài) 的值，進(jìn)而確定位

43、置的值，進(jìn)而確定位置x。10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 定尺激勵工作方式的優(yōu)點(diǎn)：定尺激勵工作方式的優(yōu)點(diǎn)： (1)因激勵信號的負(fù)載是一個恒定負(fù)載因激勵信號的負(fù)載是一個恒定負(fù)載定尺，它不需要像滑尺激勵方定尺，它不需要像滑尺激勵方式那樣改變有關(guān)參數(shù)，電路中沒有開關(guān)元件，因此，可以有效地加強(qiáng)激式那樣改變有關(guān)參數(shù)，電路中沒有開關(guān)元件，因此，可以有效地加強(qiáng)激勵，提高輸出信號電平。勵，提高輸出信號電平。 (2)在系統(tǒng)中，定尺是處于強(qiáng)信號電平下，滑尺是處于弱信號電平下。在系統(tǒng)中，定尺是處于強(qiáng)信號電平下，滑尺是處于弱信號電平下。因此，定尺激勵改善了信號通道的信噪比，提高了抗干擾能力。因此，定尺激勵改善了信號通道

44、的信噪比，提高了抗干擾能力。 (3)在感應(yīng)同步器的制作中，不可能保證滑尺兩個繞組的空間位置完全在感應(yīng)同步器的制作中，不可能保證滑尺兩個繞組的空間位置完全正交正交 (相差相差W/4間隔間隔)，因而也就引人了一定的測量誤差。這種誤差在滑，因而也就引人了一定的測量誤差。這種誤差在滑尺激勵方式中是無法彌補(bǔ)的。但是，在定尺激勵方式下，因?yàn)樗奶幚沓呒罘绞街惺菬o法彌補(bǔ)的。但是，在定尺激勵方式下，因?yàn)樗奶幚黼娐吩诟袘?yīng)同步器的后面，因此可以對這種誤差加以校正。因而有利于電路在感應(yīng)同步器的后面，因此可以對這種誤差加以校正。因而有利于提高細(xì)分，實(shí)現(xiàn)高精度測量。提高細(xì)分，實(shí)現(xiàn)高精度測量。 (4)在對正、余弦函數(shù)信號的處理中不涉及功率，因此，有利于提高電在對正、余弦函數(shù)信號的處理中不涉及功率，因此，有利于提高電路工作的穩(wěn)定性和可靠性。路工作的穩(wěn)定性和可靠性。 10.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器10.3.4 感應(yīng)同步器的絕對坐標(biāo)測量系統(tǒng)感應(yīng)同步器的絕對坐標(biāo)測量系統(tǒng) 感應(yīng)同步器作為感應(yīng)同步器作為位移測量位移測量傳感器，當(dāng)位移量在一個節(jié)距傳感器，當(dāng)位移量在一個節(jié)距W內(nèi)時，它是一個閉環(huán)的跟蹤系統(tǒng)，亦即內(nèi)時，它是一個閉環(huán)的跟蹤系統(tǒng)，亦即 必須等于必須等于 ，或者接，或者接近于近于 ，系統(tǒng)才處于穩(wěn)定狀態(tài)，因而具