第4章數(shù)字式傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)（第（第2 2版）版）電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）第第4 4章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 u內(nèi)容提要及學(xué)習(xí)要求：內(nèi)容提要及學(xué)習(xí)要求：隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展及其在工業(yè)上的應(yīng)用，對(duì)信號(hào)的檢測、控制和處理必然進(jìn)入數(shù)字化階段。原來利用模擬式傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由微機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理，雖然是一種簡便和可行的方法，但由于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度受到參考電壓精度的限制而不可能很高，系統(tǒng)的總精度也將受到限制。如果有一種傳感器能直接輸出數(shù)字量，那么，上述的精度問題就可望得到解決，這種傳感器就是數(shù)字

2、式傳感器。數(shù)字式傳感器是一種能把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸出裝置，它具有檢測精度高，壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，常用的數(shù)字式傳感器有柵式數(shù)字式傳感器、編碼器和感應(yīng)同步器式數(shù)字傳感器等，柵式數(shù)字傳感器根據(jù)工作原理的不同又分為光柵和磁柵兩種。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)（第（第2 2版）版）傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）4.1 4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列成的光電器件。排列成的光電器件。2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代，人們利用光柵莫爾條紋現(xiàn)年

3、代，人們利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，把光柵作為測量元件，開始應(yīng)用于機(jī)床和計(jì)算儀器上。由象，把光柵作為測量元件，開始應(yīng)用于機(jī)床和計(jì)算儀器上。由于光柵具有結(jié)構(gòu)原理簡單，計(jì)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外受到于光柵具有結(jié)構(gòu)原理簡單，計(jì)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外受到重視和推廣。近年來我國設(shè)計(jì)、制造了很多形狀的光柵傳感器，重視和推廣。近年來我國設(shè)計(jì)、制造了很多形狀的光柵傳感器，成功地將其作為數(shù)控機(jī)床的位置檢測元件，并用于高精度機(jī)床成功地將其作為數(shù)控機(jī)床的位置檢測元件，并用于高精度機(jī)床和儀器的精密定位或長度、速度、加速度、振動(dòng)等方面的測量。和儀器的精密定位或長度、速度、加速度、振動(dòng)等方面的測量。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器

4、與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.1.1 4.1.1 光柵的分類光柵的分類光柵按其原理和用途不同，可分為物理光柵和計(jì)量光柵。光柵按其原理和用途不同，可分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵是利用光的衍射現(xiàn)象制造的，主要用于光譜分析和光物理光柵是利用光的衍射現(xiàn)象制造的，主要用于光譜分析和光波波長等的測量。計(jì)量光柵主要利用光的透射和反射現(xiàn)象，測波波長等的測量。計(jì)量光柵主要利用光的透射和反射現(xiàn)象，測量長度、角度、速度、加速度和振動(dòng)等物理量，在很高的分辨量長度、角度、速度、加速度和振動(dòng)等物理量，在很高的分辨率，可達(dá)率，可達(dá)0.10.1 m m，另外，計(jì)量光柵脈沖讀數(shù)可高達(dá)每毫秒幾百次，另外，計(jì)量光柵脈沖讀數(shù)可高

5、達(dá)每毫秒幾百次，非常適用于動(dòng)態(tài)測量。非常適用于動(dòng)態(tài)測量。圖4.1 透射長光柵示意圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）計(jì)量光柵按其形狀和用途可分為長光柵和圓光柵兩類，如圖計(jì)量光柵按其形狀和用途可分為長光柵和圓光柵兩類，如圖4.14.1和圖和圖4.24.2所示，前者用于測量長度，后者可測量角度（也可所示，前者用于測量長度，后者可測量角度（也可測量長度）。圓光柵又有兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延測量長度）。圓光柵又有兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過圓心，如圖長線全部通過圓心，如圖4.34.3（a a）所示；另一種是切向光柵，）所示；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個(gè)同心

6、圓相切，如圖其全部柵線與一個(gè)同心圓相切，如圖4.34.3（b b）所示，此小圓的）所示，此小圓的直徑很小，只有零點(diǎn)幾毫米或幾個(gè)毫米。直徑很小，只有零點(diǎn)幾毫米或幾個(gè)毫米。圖4.2 透射圓光柵示意圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）根據(jù)光線的走向，光柵又可分為透射光柵和反射光柵。透根據(jù)光線的走向，光柵又可分為透射光柵和反射光柵。透射光柵的柵線刻制在透明材料上，主光柵常用工業(yè)白玻璃，指射光柵的柵線刻制在透明材料上，主光柵常用工業(yè)白玻璃，指示光柵最好用光學(xué)玻璃。反射光柵其柵線刻制在具有強(qiáng)反射能示光柵最好用光學(xué)玻璃。反射光柵其柵線刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬（如不銹鋼）上或玻璃所鍍金屬膜（

7、如鋁膜）上。力的金屬（如不銹鋼）上或玻璃所鍍金屬膜（如鋁膜）上。圖4.3 圓光柵刻線方向傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）根據(jù)柵線的形式不同，光柵又可分為黑白光柵（也稱幅值根據(jù)柵線的形式不同，光柵又可分為黑白光柵（也稱幅值光柵）和閃耀光柵（也稱相位光柵）。長光柵中有黑白光柵，光柵）和閃耀光柵（也稱相位光柵）。長光柵中有黑白光柵，也有閃耀光柵，而且兩者都有透射和反射的。而圓光柵一般只也有閃耀光柵，而且兩者都有透射和反射的。而圓光柵一般只有黑白光柵，主要是透射光柵。黑白光柵是利用照相機(jī)復(fù)制工有黑白光柵，主要是透射光柵。黑白光柵是利用照相機(jī)復(fù)制工藝加工成柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)，如圖

8、藝加工成柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)，如圖4.14.1（b b）中的柵線）中的柵線放大圖所示。圖中放大圖所示。圖中a a為柵線寬度，為柵線寬度，b b為柵線縫隙寬度，相鄰兩柵為柵線縫隙寬度，相鄰兩柵線間的距離為線間的距離為 ，稱光柵常數(shù)（或稱為光柵柵距）。柵線，稱光柵常數(shù)（或稱為光柵柵距）。柵線密度密度 一般為一般為2525250250線線/mm/mm。閃耀光柵的橫斷面呈鋸齒狀，常用刻劃工藝加工，其柵線閃耀光柵的橫斷面呈鋸齒狀，常用刻劃工藝加工，其柵線形狀如圖形狀如圖4.44.4所示，圖中所示，圖中W W為光柵常數(shù)，柵線形狀有對(duì)稱型和非為光柵常數(shù)，柵線形狀有對(duì)稱型和非對(duì)稱型。閃耀透射光柵直接在玻璃

9、上刻劃而成，而閃耀反射光對(duì)稱型。閃耀透射光柵直接在玻璃上刻劃而成，而閃耀反射光柵則刻劃在玻璃的金屬膜上或者進(jìn)行復(fù)制。其柵線密度一般為柵則刻劃在玻璃的金屬膜上或者進(jìn)行復(fù)制。其柵線密度一般為15015024002400線線/mm/mm。baW傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） u4.1.2 4.1.2 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件所組成，光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件所組成，如圖如圖4.54.5所示。圖中光源所示。圖中光源1 1和透鏡和透鏡2 2構(gòu)成了照明系統(tǒng)；主光柵構(gòu)成了照明系統(tǒng)；主光柵3 3（又叫標(biāo)尺

10、光柵）和指示光柵（又叫標(biāo)尺光柵）和指示光柵4 4構(gòu)成光柵副；構(gòu)成光柵副；5 5為光電接收元件；為光電接收元件；其中光柵副是光柵傳感器中的主要元件。光柵傳感器常用的光其中光柵副是光柵傳感器中的主要元件。光柵傳感器常用的光柵副主要有長光柵副和圓盤光柵副。柵副主要有長光柵副和圓盤光柵副。圖4.4 反射式光柵線紋形狀傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖4.5 透射光柵傳感器光路傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u1 1長光柵副長光柵副長光柵副是在一塊長條形光學(xué)玻璃上，均勻刻上許多明暗長光柵副是在一塊長條形光學(xué)玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、刻度相等的刻線，如圖相間、刻度相

11、等的刻線，如圖4.14.1（b b）所示。把光柵常數(shù)相等）所示。把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵（一般主光柵的刻線比指示光柵長）疊合的主光柵和指示光柵（一般主光柵的刻線比指示光柵長）疊合在一起，如圖在一起，如圖4.14.1（a a）所示，中間留有很小的間隙，并使兩者）所示，中間留有很小的間隙，并使兩者柵線之間保持很小夾角柵線之間保持很小夾角 ，于是在近似于垂直柵線方向出現(xiàn)明，于是在近似于垂直柵線方向出現(xiàn)明暗相間的條紋，即在暗相間的條紋，即在a a- -a a線上形成亮帶；在線上形成亮帶；在b b- -b b線上形成暗帶，線上形成暗帶，這種明暗相間的條紋，稱之為莫爾條紋，如圖這種明暗相間的條紋，

12、稱之為莫爾條紋，如圖4.64.6（a a）所示。）所示。圖4.6 莫爾條紋形成原理示意圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）如果改變?nèi)绻淖?角，兩條莫爾條紋間的距離角，兩條莫爾條紋間的距離B B也隨之變化。由圖也隨之變化。由圖4.64.6（b b）可知，條紋間距）可知，條紋間距B B的大小為：的大小為： （4-14-1）莫爾條紋的方向與光柵的移動(dòng)方向只相差莫爾條紋的方向與光柵的移動(dòng)方向只相差 /2/2，即近似于，即近似于與柵線方向垂直，故此莫爾條紋又稱橫向莫爾條紋。從式（與柵線方向垂直，故此莫爾條紋又稱橫向莫爾條紋。從式（4-14-1）可以明顯地看出莫爾條紋有如下重要特性：可以

13、明顯地看出莫爾條紋有如下重要特性：22sin22WWWB傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（1 1）平均效應(yīng)。莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的，）平均效應(yīng)。莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的，對(duì)光柵柵線的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消對(duì)光柵柵線的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除刻線周期誤差對(duì)測量精度的影響。除刻線周期誤差對(duì)測量精度的影響。u（2 2）放大作用。由于）放大作用。由于 角很小，從式（角很小，從式（4-14-1）可明顯看出光）可明顯看出光柵有放大作用，放大系數(shù)為：柵有放大作用，放大系數(shù)為：u （4-24-2）u 柵距柵距W W 是很小的，很

14、難觀察，而莫爾條紋卻清晰可見。是很小的，很難觀察，而莫爾條紋卻清晰可見。u（3 3）對(duì)應(yīng)關(guān)系。兩光柵沿與柵線垂直的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫）對(duì)應(yīng)關(guān)系。兩光柵沿與柵線垂直的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿柵線方向（確切地說，沿柵線夾角爾條紋沿柵線方向（確切地說，沿柵線夾角 的平分線方向）的平分線方向）移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一柵距移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一柵距W W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B B。當(dāng)光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。利用這種嚴(yán)格。當(dāng)光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。利用這種嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)光電元件接收到的條紋數(shù)目，就可以的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)光電元件接收到的條紋

15、數(shù)目，就可以計(jì)算出小于光柵柵距的微小位移量。計(jì)算出小于光柵柵距的微小位移量。1WBX傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2圓光柵副圓光柵副u圓光柵副的形式是多種多樣的，其莫爾條紋也有許多形式，圓光柵副的形式是多種多樣的，其莫爾條紋也有許多形式，但在計(jì)量光柵中主要有切線圓光柵副和徑向圓光柵副兩種。但在計(jì)量光柵中主要有切線圓光柵副和徑向圓光柵副兩種。u將兩塊柵線數(shù)相同、切線圓半徑均為的切向圓光柵同心放置將兩塊柵線數(shù)相同、切線圓半徑均為的切向圓光柵同心放置時(shí)，就構(gòu)成了切線圓光柵副，這時(shí)形成的莫爾條紋是以光柵時(shí)，就構(gòu)成了切線圓光柵副，這時(shí)形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，

16、稱為環(huán)形莫爾條紋，如圖中心為圓心的同心圓簇，稱為環(huán)形莫爾條紋，如圖4.74.7所示。所示。其條紋間距為：其條紋間距為： （4-34-3）rWRB2傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）將兩塊柵線數(shù)相同的徑向圓光柵偏心放置時(shí)，兩光柵的各將兩塊柵線數(shù)相同的徑向圓光柵偏心放置時(shí)，兩光柵的各個(gè)部分柵線的夾角個(gè)部分柵線的夾角 不同，于是就構(gòu)成了徑向圓光柵副。這時(shí)不同，于是就構(gòu)成了徑向圓光柵副。這時(shí)形成的莫爾條紋是呈不同曲率半徑的圓弧形，稱為圓弧形莫爾形成的莫爾條紋是呈不同曲率半徑的圓弧形，稱為圓弧形莫爾條紋，如圖條紋，如圖4.84.8所示。其特征為：條紋簇的圓心位于兩光柵中心所示。其特征為：

17、條紋簇的圓心位于兩光柵中心連線的垂直平分線上，而且全部圓條紋均通過兩光柵的中心。連線的垂直平分線上，而且全部圓條紋均通過兩光柵的中心。這種莫爾條紋其間距不是定值，而是隨著條紋位置的不同而不這種莫爾條紋其間距不是定值，而是隨著條紋位置的不同而不同。在垂直偏心方向上的條紋近似垂直于柵線，稱其為橫向莫同。在垂直偏心方向上的條紋近似垂直于柵線，稱其為橫向莫爾條紋。沿著偏心方向的近似平行于柵線，相應(yīng)地稱其為縱向爾條紋。沿著偏心方向的近似平行于柵線，相應(yīng)地稱其為縱向莫爾條紋。在實(shí)際使用中，這種圓光柵常用其橫向莫爾條紋。莫爾條紋。在實(shí)際使用中，這種圓光柵常用其橫向莫爾條紋。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技

18、術(shù)（第2版）版）u4.1.3 4.1.3 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路如前所述，光柵傳感器除了光柵副外，還必須有形成莫爾如前所述，光柵傳感器除了光柵副外，還必須有形成莫爾條紋的光路、接收莫爾條紋的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及辨向和細(xì)分等條紋的光路、接收莫爾條紋的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及辨向和細(xì)分等信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理系統(tǒng)。u1 1光柵傳感器的常用光路光柵傳感器的常用光路用于光柵傳感器形成莫爾條紋的光路主要有垂直透射式、用于光柵傳感器形成莫爾條紋的光路主要有垂直透射式、透射分光式、反射式和鏡像式等。透射分光式、反射式和鏡像式等。圖4.7 環(huán)形莫爾條紋 圖4.8 圓弧形莫爾條紋 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感

19、器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（1 1）垂直透射式光路。如圖）垂直透射式光路。如圖4.54.5所示，光源所示，光源1 1發(fā)出的光線經(jīng)發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡2 2后成為平行光束，垂直投射到光柵上，由主光柵后成為平行光束，垂直投射到光柵上，由主光柵3 3和和指示光柵指示光柵4 4形成的莫爾條紋信號(hào)直接由光電元件形成的莫爾條紋信號(hào)直接由光電元件5 5接收。這種光接收。這種光路適用于粗柵距的黑白透射光柵，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，位置緊路適用于粗柵距的黑白透射光柵，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，是目前應(yīng)用比較廣泛的一種。湊，調(diào)整使用方便，是目前應(yīng)用比較廣泛的一種。u（2 2）透射分光式光路。如

20、圖）透射分光式光路。如圖4.94.9所示，從光源所示，從光源1 1發(fā)出的光經(jīng)發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡2 2變?yōu)槠叫泄?，并以一定角度射向光柵，?jīng)過主光柵變?yōu)槠叫泄?，并以一定角度射向光柵，?jīng)過主光柵3 3和指示光柵和指示光柵4 4衍射后，有不同等級(jí)的衍射光射出，經(jīng)透鏡衍射后，有不同等級(jí)的衍射光射出，經(jīng)透鏡5 5聚焦，聚焦，由光電元件由光電元件7 7接收到一定衍射光的莫爾條紋信號(hào)。光闌接收到一定衍射光的莫爾條紋信號(hào)。光闌6 6的作用的作用是選取一定寬度的衍射光帶使光電元件有較大的輸出信號(hào)。這是選取一定寬度的衍射光帶使光電元件有較大的輸出信號(hào)。這種光路只適用于細(xì)柵距衍射光柵。種光路只適用于細(xì)柵距衍射

21、光柵。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（3 3）反射式光路。如圖）反射式光路。如圖4.104.10所示，光源所示，光源6 6經(jīng)聚焦透鏡經(jīng)聚焦透鏡5 5和場和場鏡鏡3 3后成為平行光束，以一定角度射向指示光柵后成為平行光束，以一定角度射向指示光柵2 2，經(jīng)反射式主，經(jīng)反射式主光柵光柵1 1反射后形成莫爾條紋，經(jīng)反光鏡反射后形成莫爾條紋，經(jīng)反光鏡4 4和物鏡和物鏡7 7成像在光電元件成像在光電元件8 8上。這種光柵適用于黑白反射光柵。上。這種光柵適用于黑白反射光柵。圖4.9 透射分光式光路1光源；2準(zhǔn)直透鏡；3主光柵；4指示光柵；5透鏡；6光闌；7光電元件傳感器與檢測技術(shù)（第傳

22、感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（4 4）鏡像式光路。如圖）鏡像式光路。如圖4.114.11所示，它不設(shè)指示光柵，光源所示，它不設(shè)指示光柵，光源l l發(fā)出的光線經(jīng)半透半反射鏡發(fā)出的光線經(jīng)半透半反射鏡2 2和聚光鏡和聚光鏡3 3后成為平行光束，照射后成為平行光束，照射到主光柵到主光柵4 4上，光柵上的柵線經(jīng)物鏡上，光柵上的柵線經(jīng)物鏡5 5和反射鏡和反射鏡6 6又成像在主光柵又成像在主光柵上形成莫爾條紋，然后經(jīng)半透半反射鏡上形成莫爾條紋，然后經(jīng)半透半反射鏡2 2反射后，由光電元件反射后，由光電元件7 7接收。這種光路不存在光柵間隙問題。同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)保證了接收。這種光路不存在光柵間隙問題。同時(shí)，光學(xué)

23、系統(tǒng)保證了光柵和光柵像按相反方向移動(dòng)，因此光柵移過半個(gè)柵距，莫爾光柵和光柵像按相反方向移動(dòng)，因此光柵移過半個(gè)柵距，莫爾條紋就變化一個(gè)周期，即靈敏度提高了一倍。條紋就變化一個(gè)周期，即靈敏度提高了一倍。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主光柵和指示光柵做相對(duì)位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋主光柵和指示光柵做相對(duì)位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光柵傳感器的需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖4.12

24、4.12所示，光敏所示，光敏元件可以將光量的變化轉(zhuǎn)換成電阻或電能的變化。元件可以將光量的變化轉(zhuǎn)換成電阻或電能的變化。1主光柵；2指示光柵；3場鏡；4反光鏡； 5聚焦透；6光源；7物鏡；8光電元件 圖4.10 反射式光路 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）1光源；2半透半反射鏡；3聚光鏡；4主光柵； 5物鏡；6反射鏡；7光電元件 圖4.11 鏡像式光路傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 圖4.12 光電轉(zhuǎn)換傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）當(dāng)兩塊光柵做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋當(dāng)兩塊光柵做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化

25、，如圖移動(dòng)而變化，如圖4.124.12（b b）所示。在）所示。在a a處，兩光柵刻線重疊，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；透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號(hào)也最大；c c處由于光被處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減小；遮去一半，光強(qiáng)減??；d d處光全被遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。若處光全被遮去而成全黑，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，因而形成了如圖成了如圖4.124.12（b b）所示的輸出波形。光敏元件輸出的波形可由）所示的輸出波形。光敏元件輸出的波形可由如下公式描述：如下公式描述： （

26、4-44-4）式中，式中， 為輸出信號(hào)的直流分量；為輸出信號(hào)的直流分量； 為交流信號(hào)的幅值；為交流信號(hào)的幅值； 為光柵的相互位移量。為光柵的相互位移量。由式（由式（4-44-4）可知，利用光柵傳感器，通過測量光敏元件的）可知，利用光柵傳感器，通過測量光敏元件的輸出電壓就可以測量位移量的值。光敏元件可以采用光電池、輸出電壓就可以測量位移量的值。光敏元件可以采用光電池、光敏二極管和光敏三極管等。光敏二極管和光敏三極管等。 WxUUU2sinm00UmUx傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u3 3光柵傳感器的辨向處理光柵傳感器的辨向處理為了辨別主光柵的移動(dòng)方向，僅有一條明暗交替的莫爾

27、條為了辨別主光柵的移動(dòng)方向，僅有一條明暗交替的莫爾條紋是無法辨別的。因此，在原來的莫爾條紋上再加一條莫爾條紋是無法辨別的。因此，在原來的莫爾條紋上再加一條莫爾條紋，使兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差紋，使兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差 /2/2相位。具體實(shí)現(xiàn)的方法是在相相位。具體實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔隔1/41/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，如圖條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，如圖4.134.13（a a）所示，）所示，兩只光敏元件的輸出信號(hào)經(jīng)整形后得到方波和，然后把這兩個(gè)兩只光敏元件的輸出信號(hào)經(jīng)整形后得到方波和，然后把這兩個(gè)方波輸入如圖方波輸入如圖4.134.13（b b）所示的判向電路，即可判別移動(dòng)的方向。）所

28、示的判向電路，即可判別移動(dòng)的方向。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4 4光柵傳感器的細(xì)分原理光柵傳感器的細(xì)分原理隨著對(duì)測量精度要求的提高，要求光柵具有較高的分辨率。隨著對(duì)測量精度要求的提高，要求光柵具有較高的分辨率。如果僅以光柵的柵距作為其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；如果僅以光柵的柵距作為其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；倘若要讀出位移為倘若要讀出位移為0.10.1 m m，勢必要求每毫米刻線，勢必要求每毫米刻線1 1萬條，這是目萬條，這是目前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。因此，只能在有合適的光柵柵距的基前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。因此，只能在有合適的光柵柵距的基礎(chǔ)上，對(duì)柵距進(jìn)一步細(xì)分

29、，才可能獲得更高的測量精度。常用礎(chǔ)上，對(duì)柵距進(jìn)一步細(xì)分，才可能獲得更高的測量精度。常用的細(xì)分方法有兩大類：機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分，我們這里只討論的細(xì)分方法有兩大類：機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分，我們這里只討論電子細(xì)分的兩種最常用方法：倍頻細(xì)分法和電橋細(xì)分法。電子細(xì)分的兩種最常用方法：倍頻細(xì)分法和電橋細(xì)分法。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（1 1）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）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，如圖電元件，如圖4.144.14（a a）所示，得到相位分別相差）所示，得到相位分別相差 /2/2的四個(gè)正的四個(gè)正弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這

30、一列信號(hào)，使其合并得到如圖弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這一列信號(hào)，使其合并得到如圖4.144.14（b b）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）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)，則電脈沖的周期為點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期為1/41/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器對(duì)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)，就可以讀到這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到1/41/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量。個(gè)莫爾條紋寬度的位移量。這樣，將是光柵固有分辨率的四倍，此種方法被稱為四倍頻細(xì)這樣，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。若再增加光敏元件，同理可以進(jìn)一步提高分辨率。分法。

31、若再增加光敏元件，同理可以進(jìn)一步提高分辨率。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 1, 2光電元件；3莫爾條紋；4指示光柵圖4.13 辨向電路原理圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 圖4.14 四倍頻細(xì)分法傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（2 2）電橋細(xì)分法。電橋細(xì)分的基本原理可以用下面的電橋）電橋細(xì)分法。電橋細(xì)分的基本原理可以用下面的電橋電路來說明，如圖電路來說明，如圖4.154.15所示。圖中和分別為從光電元件得到的所示。圖中和分別為從光電元件得到的兩個(gè)相位相差兩個(gè)相位相差 /2/2的莫爾條紋信號(hào)電壓值，其中的莫爾條紋信號(hào)電壓值，其中R

32、Rl l和和R R2 2是橋臂電是橋臂電阻，阻，R RL L為負(fù)載電阻，設(shè)為負(fù)載電阻，設(shè)Z Z點(diǎn)的輸出電壓為點(diǎn)的輸出電壓為 ，根據(jù)電橋電路可知，根據(jù)電橋電路可知有：有： （4-54-5）式中，式中，G G1 1=1/=1/R R1 1，G G2 2=1/=1/R R2 2，G GL L=1/=1/R RL L。解方程組（解方程組（4-54-5）得：圖）得：圖4.15 4.15 細(xì)分電橋細(xì)分電橋 （4-64-6）若電橋平衡時(shí)，則：若電橋平衡時(shí)，則：即：即： （4-74-7）021Liii121o121o1/GuuRuui222o222o2/GuuRuui22L2L/GuRui 32122o11o

33、2/GGGGuGuu02u022o11oGuGu2u傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）光柵在任意位置光柵在任意位置x x（ ）時(shí)，）時(shí)， 和和 可以分別寫成可以分別寫成 和和 ，則由式（，則由式（4-74-7）得：）得： （4-84-8）由上式可見：選取不同的由上式可見：選取不同的R R1 1/ /R R2 2值，就可以得到任意的值，就可以得到任意的 值。值。 Wx221cossintanRRsinUcosU圖4.15 細(xì)分電橋1ou2ou傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）某光柵傳感器，刻線數(shù)為某光柵傳感器，刻線數(shù)為100線線/mm，沒細(xì)分時(shí)測得莫，沒細(xì)分時(shí)測得

34、莫爾條紋數(shù)為爾條紋數(shù)為800，試計(jì)算光柵位移是多少毫米？若經(jīng)四，試計(jì)算光柵位移是多少毫米？若經(jīng)四倍細(xì)分后，計(jì)數(shù)脈沖仍為倍細(xì)分后，計(jì)數(shù)脈沖仍為800，則光柵此時(shí)的位移是多，則光柵此時(shí)的位移是多少？測量分辨率是多少？少？測量分辨率是多少？ 光柵位移光柵位移:)(81001800mmX若經(jīng)四倍細(xì)分后，計(jì)數(shù)脈沖仍為若經(jīng)四倍細(xì)分后，計(jì)數(shù)脈沖仍為800，則光柵此時(shí)的位移，則光柵此時(shí)的位移：)(210014800mmX測量分辨率為：測量分辨率為：)(0025. 010041mms傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.1.4 4.1.4 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用由于光柵具有測量精度高

35、等一系列優(yōu)點(diǎn)，若采用不銹鋼反由于光柵具有測量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，若采用不銹鋼反射式光柵，測量范圍可達(dá)數(shù)十米，而且不需要加長，信號(hào)抗干射式光柵，測量范圍可達(dá)數(shù)十米，而且不需要加長，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，因此在國內(nèi)外受到重視和推廣。近年來我國設(shè)計(jì)、擾能力強(qiáng)，因此在國內(nèi)外受到重視和推廣。近年來我國設(shè)計(jì)、制造了很多光柵式測量長度和角度的計(jì)量儀器，并成功地將光制造了很多光柵式測量長度和角度的計(jì)量儀器，并成功地將光柵作為數(shù)控機(jī)床的位置檢測元件，用于精密機(jī)床和儀器的精密柵作為數(shù)控機(jī)床的位置檢測元件，用于精密機(jī)床和儀器的精密定位、長度檢測、速度、振動(dòng)和爬行的測量等。定位、長度檢測、速度、振動(dòng)和爬行的測量等。u1

36、1光柵位移傳感器光柵位移傳感器成都遠(yuǎn)恒精密測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的成都遠(yuǎn)恒精密測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BG1BG1型線位移傳感器型線位移傳感器就是一種光柵傳感器。該傳感器采用光柵常數(shù)相等的透射式標(biāo)就是一種光柵傳感器。該傳感器采用光柵常數(shù)相等的透射式標(biāo)尺光柵和指示光柵副。具有精度高，便于數(shù)字化處理，體積小，尺光柵和指示光柵副。具有精度高，便于數(shù)字化處理，體積小，重量輕等特點(diǎn)，適用于機(jī)床、儀器做長度測量、坐標(biāo)顯示和數(shù)重量輕等特點(diǎn)，適用于機(jī)床、儀器做長度測量、坐標(biāo)顯示和數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)測量等。其外形如圖控系統(tǒng)的自動(dòng)測量等。其外形如圖4.164.16所示，技術(shù)指標(biāo)如表所示，技術(shù)指標(biāo)如表4.14.1所示。所示

37、。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 圖4.16 BG1型光柵傳感器外形圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 型 號(hào)BG1BG1A光柵柵距40m（0.040mm）、20m（0.020mm）、10m（0.010mm）光柵測量系統(tǒng)透射式紅外光學(xué)測量系統(tǒng)，高精度性能的光柵玻璃尺讀數(shù)頭滾動(dòng)系統(tǒng)垂直式五軸承滾動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)異的重復(fù)定位性，高精度測量精度45五軸承滾動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)異的重復(fù)定位性，高等級(jí)的測量精度防護(hù)塵密封采用特殊的耐油、耐蝕、高彈性及抗老化塑膠，防水、防塵優(yōu)良，使用壽命長分辨率1m2m5m10m有效行程503000mm 每隔50mm一種長度規(guī)格（整體光柵不接長）工作

38、速度20米/分鐘工作環(huán)境溫度050 濕度90(205)工作電壓5V5% 12V5%輸出電壓TTL 正弦波表4.1 BG1型光柵傳感器的技術(shù)指標(biāo) 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u在具體使用時(shí)要注意：在具體使用時(shí)要注意：u（1 1）傳感器應(yīng)盡量安裝在靠近設(shè)備工作臺(tái)的床身基面上。）傳感器應(yīng)盡量安裝在靠近設(shè)備工作臺(tái)的床身基面上。u（2 2）根據(jù)設(shè)備的行程選擇傳感器的長度，光柵傳感器的有效）根據(jù)設(shè)備的行程選擇傳感器的長度，光柵傳感器的有效長度應(yīng)大于設(shè)備行程。長度應(yīng)大于設(shè)備行程。u（3 3）將傳感器固定在設(shè)備工作臺(tái)的基面上，確保主尺上端面）將傳感器固定在設(shè)備工作臺(tái)的基面上，確保主尺上端

39、面同正面與移動(dòng)方向平行，誤差同正面與移動(dòng)方向平行，誤差0.1mm0.1mm。u（4 4）讀數(shù)頭固定于相對(duì)于主尺的另一基面上，讀數(shù)頭與主尺）讀數(shù)頭固定于相對(duì)于主尺的另一基面上，讀數(shù)頭與主尺之間應(yīng)保持之間應(yīng)保持5mm0.15mm的間隙，盡量使讀數(shù)頭安裝在非運(yùn)動(dòng)的間隙，盡量使讀數(shù)頭安裝在非運(yùn)動(dòng)部件上，以方便電纜線的固定。部件上，以方便電纜線的固定。u（5 5）在安裝傳感器的設(shè)備導(dǎo)軌上應(yīng)裝限位裝置。）在安裝傳感器的設(shè)備導(dǎo)軌上應(yīng)裝限位裝置。u（6 6）在使用環(huán)境有油污、鐵屑等情況時(shí)，建議采用防護(hù)罩，）在使用環(huán)境有油污、鐵屑等情況時(shí)，建議采用防護(hù)罩，防護(hù)罩應(yīng)將主尺全部防護(hù)。防護(hù)罩應(yīng)將主尺

40、全部防護(hù)。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2光柵數(shù)顯表光柵數(shù)顯表圖圖4.174.17所示為微機(jī)光柵數(shù)顯表的組成框圖，在微機(jī)光柵數(shù)所示為微機(jī)光柵數(shù)顯表的組成框圖，在微機(jī)光柵數(shù)顯表中，放大、整形采用傳統(tǒng)的集成電路，辨向、細(xì)分可由微顯表中，放大、整形采用傳統(tǒng)的集成電路，辨向、細(xì)分可由微機(jī)來完成。機(jī)來完成。圖圖4.184.18所示為光柵數(shù)顯表在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。在機(jī)所示為光柵數(shù)顯表在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。在機(jī)床操作過程中，由于用數(shù)顯方式代替了傳統(tǒng)的標(biāo)尺刻度讀數(shù)，床操作過程中，由于用數(shù)顯方式代替了傳統(tǒng)的標(biāo)尺刻度讀數(shù)，大大提高了加工精度和加工效率。以橫向進(jìn)給為例，光柵讀數(shù)大大提

41、高了加工精度和加工效率。以橫向進(jìn)給為例，光柵讀數(shù)頭固定在工作臺(tái)上，尺身固定在床鞍上，當(dāng)工作臺(tái)沿著床鞍左頭固定在工作臺(tái)上，尺身固定在床鞍上，當(dāng)工作臺(tái)沿著床鞍左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)移動(dòng)的位移量（相對(duì)值或絕對(duì)值）可通過數(shù)右運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)移動(dòng)的位移量（相對(duì)值或絕對(duì)值）可通過數(shù)字顯示裝置顯示出來。字顯示裝置顯示出來。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖4.17 微機(jī)光柵數(shù)顯表的組成框圖 圖4.18 數(shù)顯表在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.2 4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器磁柵傳感器由磁柵、磁頭和檢測電路等組成。磁柵用于記磁柵傳感器由磁柵

42、、磁頭和檢測電路等組成。磁柵用于記錄一定功率的正弦或矩形信號(hào)。磁頭的作用類似磁帶機(jī)的磁頭，錄一定功率的正弦或矩形信號(hào)。磁頭的作用類似磁帶機(jī)的磁頭，用于讀寫磁柵上的磁信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它是一種比較新用于讀寫磁柵上的磁信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它是一種比較新型的傳感元件。與其他類型的檢測元件相比較，磁柵傳感器制型的傳感元件。與其他類型的檢測元件相比較，磁柵傳感器制作工藝簡單，易于安裝，調(diào)整方便，測量范圍廣（從作工藝簡單，易于安裝，調(diào)整方便，測量范圍廣（從0.0010.001毫米毫米到幾米），不需要接長，價(jià)格比光柵便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而到幾米），不需要接長，價(jià)格比光柵便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在大型機(jī)床

43、的數(shù)字檢測和自動(dòng)化機(jī)床的自動(dòng)控制等方面得到了在大型機(jī)床的數(shù)字檢測和自動(dòng)化機(jī)床的自動(dòng)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但要注意防止退磁和定期更換磁頭。廣泛的應(yīng)用，但要注意防止退磁和定期更換磁頭。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.2.1 4.2.1 磁柵的結(jié)構(gòu)和種類磁柵的結(jié)構(gòu)和種類磁柵結(jié)構(gòu)如圖磁柵結(jié)構(gòu)如圖4.194.19所示。磁柵的基體是用非導(dǎo)磁材料（如所示。磁柵的基體是用非導(dǎo)磁材料（如玻璃、磷青銅等）做成的，上面鍍上一層均勻的磁性薄膜（即玻璃、磷青銅等）做成的，上面鍍上一層均勻的磁性薄膜（即磁粉如磁粉如NlNl-Co-Co或或Co-FeCo-Fe合金等），然后用寫磁帶方式，由磁頭

44、寫合金等），然后用寫磁帶方式，由磁頭寫上一定節(jié)距的正弦或余弦波。磁柵也可以利用激光錄磁方式制上一定節(jié)距的正弦或余弦波。磁柵也可以利用激光錄磁方式制成。目前磁柵的柵條數(shù)一般在成。目前磁柵的柵條數(shù)一般在1001003000030000之間，柵距應(yīng)大于之間，柵距應(yīng)大于0.04mm0.04mm，否則磁頭拾取信號(hào)的幅值將十分微弱。，否則磁頭拾取信號(hào)的幅值將十分微弱。磁柵按基體形狀可分為長磁柵和圓磁柵兩大類。前者用于磁柵按基體形狀可分為長磁柵和圓磁柵兩大類。前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。長磁柵又可分為尺形、測量直線位移，后者用于測量角位移。長磁柵又可分為尺形、帶形、同軸形，如圖帶形、同軸形，如

45、圖4.204.20所示。目前用得比較廣泛的是尺形磁所示。目前用得比較廣泛的是尺形磁柵和帶形磁柵，而同軸形磁柵結(jié)構(gòu)特別小巧，可用于結(jié)構(gòu)比較柵和帶形磁柵，而同軸形磁柵結(jié)構(gòu)特別小巧，可用于結(jié)構(gòu)比較緊湊的場合。緊湊的場合。圖4.19 磁柵剖面結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 1磁柵；2磁頭；3屏蔽罩圖4.20 幾種常用磁柵的結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）具體使用時(shí)對(duì)磁柵還有如下的要求：具體使用時(shí)對(duì)磁柵還有如下的要求：u（1 1）磁柵的基尺（磁尺）要求不導(dǎo)磁，線膨脹系數(shù)應(yīng)與儀）磁柵的基尺（磁尺）要求不導(dǎo)磁，線膨脹系數(shù)應(yīng)與儀器或機(jī)床的相應(yīng)部分相近似。又因?yàn)樵诨?/p>

46、尺上要鍍一層磁性薄器或機(jī)床的相應(yīng)部分相近似。又因?yàn)樵诨呱弦円粚哟判员∧?，所以要求基尺有良好的加工和電鍍性能。?dāng)采用一般鋼材膜，所以要求基尺有良好的加工和電鍍性能。當(dāng)采用一般鋼材做基尺材料時(shí)，必須用鍍銅的方法解決絕磁的問題，銅鍍層厚做基尺材料時(shí)，必須用鍍銅的方法解決絕磁的問題，銅鍍層厚度約度約0mm0.20mm。u（2 2）為了使磁尺上錄的磁信號(hào)能長時(shí)期保存，并希望產(chǎn)生）為了使磁尺上錄的磁信號(hào)能長時(shí)期保存，并希望產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)，要求磁性薄膜剩磁感應(yīng)要大，矯頑力要高，較大的輸出信號(hào)，要求磁性薄膜剩磁感應(yīng)要大，矯頑力要高，電鍍要均勻，目前常用電鍍要均勻，目前常用NiCo

47、NiCo-P-P合金。合金。u（3 3）對(duì)磁尺表面要求長磁柵平直度為（）對(duì)磁尺表面要求長磁柵平直度為（0.0050.0050.010.01）mm/mmm/m，圓磁柵的不圓度為，圓磁柵的不圓度為0.0050.0050.01mm0.01mm，表面粗糙度要小。另，表面粗糙度要小。另外，還要求所錄磁信號(hào)幅度均勻，幅度變化小于外，還要求所錄磁信號(hào)幅度均勻，幅度變化小于10%10%，節(jié)距均勻，節(jié)距均勻，滿足一定精度要求。滿足一定精度要求。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.2.2 4.2.2 磁頭的結(jié)構(gòu)和種類磁頭的結(jié)構(gòu)和種類磁柵上的磁信號(hào)先由錄磁頭錄好，然后由讀磁頭將磁信號(hào)磁柵上的磁信

48、號(hào)先由錄磁頭錄好，然后由讀磁頭將磁信號(hào)讀出。按讀取信號(hào)的方式，讀磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭與靜態(tài)磁頭讀出。按讀取信號(hào)的方式，讀磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭與靜態(tài)磁頭兩種。兩種。u1 1動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭又稱為速度響應(yīng)式磁頭，它只有一組輸出繞組，動(dòng)態(tài)磁頭又稱為速度響應(yīng)式磁頭，它只有一組輸出繞組，只有當(dāng)磁頭磁柵有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才有信號(hào)輸出，故不適用于速只有當(dāng)磁頭磁柵有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才有信號(hào)輸出，故不適用于速度不均勻、時(shí)走時(shí)停的機(jī)床。其輸出信號(hào)的幅值隨運(yùn)動(dòng)速度而度不均勻、時(shí)走時(shí)停的機(jī)床。其輸出信號(hào)的幅值隨運(yùn)動(dòng)速度而變化。為了保證一定幅值的輸出，通常規(guī)定磁頭以一定速度運(yùn)變化。為了保證一定幅值的輸出，通常規(guī)定磁頭以一定

49、速度運(yùn)行。普通常見的錄音機(jī)信號(hào)取出就屬此類。行。普通常見的錄音機(jī)信號(hào)取出就屬此類。用此類磁頭讀取信號(hào)原理如圖用此類磁頭讀取信號(hào)原理如圖4.214.21所示。圖中所示。圖中1 1為動(dòng)態(tài)磁頭，為動(dòng)態(tài)磁頭，2 2為磁柵，為磁柵，3 3為讀出的正弦信號(hào)。此信號(hào)表明磁信號(hào)在為讀出的正弦信號(hào)。此信號(hào)表明磁信號(hào)在N N、N N相重相重疊處為最強(qiáng)正值，磁信號(hào)在疊處為最強(qiáng)正值，磁信號(hào)在S S、S S重疊處為最強(qiáng)負(fù)值，圖中重疊處為最強(qiáng)負(fù)值，圖中W W為磁為磁信號(hào)節(jié)距。當(dāng)磁頭沿著磁柵表面作相對(duì)位移時(shí)，就輸出周期性信號(hào)節(jié)距。當(dāng)磁頭沿著磁柵表面作相對(duì)位移時(shí)，就輸出周期性的正弦電信號(hào)，若記下輸出信號(hào)的周期數(shù)的正弦電信號(hào)，

50、若記下輸出信號(hào)的周期數(shù)n n，就可以測量出位移，就可以測量出位移量。量。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭，它在磁頭和磁柵間沒有相靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭，它在磁頭和磁柵間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下也有信號(hào)輸出。對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下也有信號(hào)輸出。靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)如圖靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)如圖4.224.22所示。在所示。在H H型鐵芯上繞有兩個(gè)線型鐵芯上繞有兩個(gè)線圈，一個(gè)為勵(lì)磁繞組圈，一個(gè)為勵(lì)磁繞組L1L1，另一個(gè)為輸出繞組，另一個(gè)為輸出繞組L2L2。靜態(tài)磁頭與磁。靜態(tài)磁頭與磁柵間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了增大輸出，實(shí)際使用時(shí)常將這種磁頭多柵間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了增大輸出，實(shí)際使用時(shí)常

51、將這種磁頭多個(gè)串聯(lián)起來做成一體，稱為多間隙靜態(tài)磁頭。當(dāng)在勵(lì)磁繞組上個(gè)串聯(lián)起來做成一體，稱為多間隙靜態(tài)磁頭。當(dāng)在勵(lì)磁繞組上施加交變的勵(lì)磁信號(hào)時(shí)，施加交變的勵(lì)磁信號(hào)時(shí)，H H型鐵芯的中間部分在每個(gè)周期內(nèi)兩次型鐵芯的中間部分在每個(gè)周期內(nèi)兩次被勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生磁通而飽和，此時(shí)鐵芯的磁阻很大，磁柵上的被勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生磁通而飽和，此時(shí)鐵芯的磁阻很大，磁柵上的信號(hào)磁通不能通過磁頭，因而輸出繞組無感應(yīng)電勢輸出。信號(hào)磁通不能通過磁頭，因而輸出繞組無感應(yīng)電勢輸出。 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）只有當(dāng)勵(lì)磁信號(hào)兩次過零時(shí)，鐵芯不飽和，磁柵上的信號(hào)只有當(dāng)勵(lì)磁信號(hào)兩次過零時(shí)，鐵芯不飽和，磁柵上的信號(hào)磁通才

52、能通過輸出繞組的鐵芯而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。磁柵信號(hào)的頻磁通才能通過輸出繞組的鐵芯而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。磁柵信號(hào)的頻率是勵(lì)磁信號(hào)的兩倍，幅值與磁柵信號(hào)磁通的大小成比例。輸率是勵(lì)磁信號(hào)的兩倍，幅值與磁柵信號(hào)磁通的大小成比例。輸出電壓可用下式表示：出電壓可用下式表示： （4-94-9）式中，為幅值系數(shù)；式中，為幅值系數(shù)；為磁頭與磁柵的相對(duì)位移；為磁頭與磁柵的相對(duì)位移；為磁柵的節(jié)距；為磁柵的節(jié)距；為勵(lì)磁信號(hào)的兩倍角頻率。為勵(lì)磁信號(hào)的兩倍角頻率。tWxUUsin2sinm傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 1磁頭；2磁柵；3輸出波形 1磁頭；2磁柵；3輸出波形圖4.21 動(dòng)態(tài)磁頭的工作原理 圖4.2

53、2 靜態(tài)磁頭的工作原理傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.2.3 4.2.3 磁柵傳感器的信號(hào)處理磁柵傳感器的信號(hào)處理根據(jù)磁柵和磁頭相對(duì)移動(dòng)讀出磁柵上的信號(hào)的不同，所采根據(jù)磁柵和磁頭相對(duì)移動(dòng)讀出磁柵上的信號(hào)的不同，所采用的信號(hào)處理方式也不同。動(dòng)態(tài)磁頭只有一組繞組，其輸出信用的信號(hào)處理方式也不同。動(dòng)態(tài)磁頭只有一組繞組，其輸出信號(hào)為正弦波，信號(hào)的處理方法也比較簡單，只要將輸出信號(hào)放號(hào)為正弦波，信號(hào)的處理方法也比較簡單，只要將輸出信號(hào)放大整形，然后由計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)大整形，然后由計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)n n，就可以測量出位移量的大，就可以測量出位移量的大小（?。?）。但這種方法測量精度

54、較低，而且不能判別移）。但這種方法測量精度較低，而且不能判別移動(dòng)方向。靜態(tài)磁頭一般用兩個(gè)磁頭，兩個(gè)磁頭間距為動(dòng)方向。靜態(tài)磁頭一般用兩個(gè)磁頭，兩個(gè)磁頭間距為n n W W/4/4，其，其中中n n為正整數(shù)，為正整數(shù)，W W為磁信號(hào)節(jié)距，也就是兩個(gè)磁頭布置成相位差為磁信號(hào)節(jié)距，也就是兩個(gè)磁頭布置成相位差9090關(guān)系。其信號(hào)處理方式可分為鑒幅方式和鑒相方式兩種。關(guān)系。其信號(hào)處理方式可分為鑒幅方式和鑒相方式兩種。nWs 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u1 1鑒幅方式鑒幅方式在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用兩個(gè)多間隙靜態(tài)磁頭來讀取磁柵在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用兩個(gè)多間隙靜態(tài)磁頭來讀取磁柵上的磁信號(hào)

55、。兩磁頭間距為上的磁信號(hào)。兩磁頭間距為n n W W/4/4。由前述內(nèi)容可知，兩磁頭輸。由前述內(nèi)容可知，兩磁頭輸出信號(hào)相差為出信號(hào)相差為 /2/2。若兩磁頭的勵(lì)磁繞組加上同相的正弦勵(lì)磁信。若兩磁頭的勵(lì)磁繞組加上同相的正弦勵(lì)磁信號(hào)，則兩磁頭的輸出信號(hào)為：號(hào)，則兩磁頭的輸出信號(hào)為： （4-104-10） （4-114-11）經(jīng)濾除高頻載波后，得到與位移量成比例的信號(hào)為：經(jīng)濾除高頻載波后，得到與位移量成比例的信號(hào)為： （4-124-12） （4-134-13） 和和 是與位移是與位移 成比例的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)細(xì)分成比例的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過適當(dāng)細(xì)分和辨向處理后便可得到位移量，這就是所謂的鑒幅法。和辨

56、向處理后便可得到位移量，這就是所謂的鑒幅法。tWxUUsin2sinm1tWxUUsin2cosm21m2sinxUUW 2m2cosxUUW 1U2Ux傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2鑒相方式鑒相方式若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組上施加相位差為若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組上施加相位差為 /4/4的正弦激勵(lì)信號(hào)，的正弦激勵(lì)信號(hào)，或?qū)⑤敵鲂盘?hào)移相或?qū)⑤敵鲂盘?hào)移相 /2/2，則兩磁頭輸出信號(hào)變?yōu)椋?，則兩磁頭輸出信號(hào)變?yōu)椋?（4-144-14） （4-154-15）將兩個(gè)磁頭的輸出用求和電路相加，則獲得總輸出為：將兩個(gè)磁頭的輸出用求和電路相加，則獲得總輸出為： （4-164-16）由式（由式

57、（4-164-16）可以看出輸出是一個(gè)幅值不變、但相位與磁）可以看出輸出是一個(gè)幅值不變、但相位與磁頭、磁柵相對(duì)位移量有關(guān)的信號(hào)。只要鑒別出相位移動(dòng)的大小，頭、磁柵相對(duì)位移量有關(guān)的信號(hào)。只要鑒別出相位移動(dòng)的大小，然后用有關(guān)電路進(jìn)行細(xì)分與輸出，就能測量出位移量的多少。然后用有關(guān)電路進(jìn)行細(xì)分與輸出，就能測量出位移量的多少。tWxUUcos2sinm1tWxUUsin2cosm2txUU2sinm傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u4.2.4 4.2.4 磁柵傳感器的應(yīng)用磁柵傳感器的應(yīng)用現(xiàn)以應(yīng)用較為成熟的鑒相型磁柵數(shù)字式位移顯示裝置（簡現(xiàn)以應(yīng)用較為成熟的鑒相型磁柵數(shù)字式位移顯示裝置（簡

58、稱為磁柵數(shù)顯表）作為磁柵傳感器應(yīng)用例子，如圖稱為磁柵數(shù)顯表）作為磁柵傳感器應(yīng)用例子，如圖4.234.23所示。所示。圖中圖中400kHz400kHz晶體振蕩器是磁頭激勵(lì)磁及系統(tǒng)邏輯判別的信晶體振蕩器是磁頭激勵(lì)磁及系統(tǒng)邏輯判別的信號(hào)源。由振蕩器輸出電路進(jìn)行細(xì)分與輸出號(hào)源。由振蕩器輸出電路進(jìn)行細(xì)分與輸出400kHz400kHz的方波信號(hào)，的方波信號(hào)，經(jīng)經(jīng)“十分頻十分頻”和和“八分頻八分頻”電路后，變?yōu)殡娐泛螅優(yōu)?kHz5kHz的方波信號(hào)，并的方波信號(hào)，并同時(shí)被分相為同時(shí)被分相為0 0和和4545兩激勵(lì)磁信號(hào)，此兩路激勵(lì)磁信號(hào)分別兩激勵(lì)磁信號(hào)，此兩路激勵(lì)磁信號(hào)分別送入激勵(lì)磁功率放大器送入激勵(lì)磁功率

59、放大器I I和和進(jìn)行功率放大，然后對(duì)磁頭進(jìn)行激進(jìn)行功率放大，然后對(duì)磁頭進(jìn)行激勵(lì)磁。功率放大器中設(shè)有一電位器，對(duì)輸出的激勵(lì)磁電壓進(jìn)行勵(lì)磁。功率放大器中設(shè)有一電位器，對(duì)輸出的激勵(lì)磁電壓進(jìn)行調(diào)整，保證兩相激勵(lì)磁電壓對(duì)稱。調(diào)整，保證兩相激勵(lì)磁電壓對(duì)稱。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）兩只磁頭的輸出信號(hào)分別送到各自的兩只磁頭的輸出信號(hào)分別送到各自的“偏磁幅值調(diào)整電偏磁幅值調(diào)整電路路”，以便保證兩路信號(hào)的最大幅值相等。由于磁頭鐵芯存在，以便保證兩路信號(hào)的最大幅值相等。由于磁頭鐵芯存在剩磁，所以設(shè)置偏磁調(diào)整電位器，對(duì)磁頭的輸出加上一微小的剩磁，所以設(shè)置偏磁調(diào)整電位器，對(duì)磁頭的輸出加上一微小

60、的直流電流（稱之為偏磁電流），通過調(diào)整偏磁電位器以使兩磁直流電流（稱之為偏磁電流），通過調(diào)整偏磁電位器以使兩磁頭的剩磁情況對(duì)稱，可以獲得兩路較對(duì)稱的輸出電信號(hào)。經(jīng)過頭的剩磁情況對(duì)稱，可以獲得兩路較對(duì)稱的輸出電信號(hào)。經(jīng)過上述處理后，將兩路信號(hào)送入求和放大電路，使輸出的合成信上述處理后，將兩路信號(hào)送入求和放大電路，使輸出的合成信號(hào)的相位與磁頭和磁柵的相對(duì)位置相對(duì)應(yīng)，再將此輸出信號(hào)送號(hào)的相位與磁頭和磁柵的相對(duì)位置相對(duì)應(yīng)，再將此輸出信號(hào)送入入“帶通濾波器帶通濾波器”，濾去高頻、基波和干擾等無用的信號(hào)波，濾去高頻、基波和干擾等無用的信號(hào)波，取出二次諧波（取出二次諧波（10kHz10kHz的正弦波），此正