數(shù)字式傳感器課件

第十二章

數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器是能夠把被測模擬量直接轉換為數(shù)字量輸出的裝置，可直接與計算機系統(tǒng)相連。數(shù)字式傳感器具有以下優(yōu)點：測量精度和分辨率高；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；易于和計算機連接，便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量；適宜于遠距離傳輸。數(shù)字式傳感器分類：脈沖輸出式：光柵式數(shù)字傳感器、感應同步器、增量編碼器；編碼輸出式：絕對編碼器；頻率輸出式:頻率式傳感器本節(jié)介紹精密位移測量中廣泛應用的編碼器、光柵數(shù)字傳感器、磁柵傳感器、感應同步器、容柵傳感器及頻率式傳感器的工作原理和測量電路。數(shù)字式傳感器

12.2碼盤式傳感器將機械轉動的模擬量（位移）轉換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類：

編碼器角度編碼器是測量角位移的最直接、最有效的數(shù)字式傳感器，它把角位移直接轉換成脈沖或二進制編碼，分為增量編碼器（脈沖盤式）和絕對編碼器（碼盤式）。按結構分為光電式、接觸式和電磁式三種。光電式具有非接觸、體積小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特點，在數(shù)控機床、機器人位置控制等領域有廣泛應用。光電式編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼“0或1”——不透光或透光區(qū)域。碼盤式傳感器標準二進制編碼器(8421碼盤)紅色不透光——“0”四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為24=16個。每個數(shù)位都對應有一個光電器件及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應數(shù)字信號。角度分辨率為：由于光電器件安裝誤差的影響，當碼盤回轉在兩碼段邊緣交替位置時，就會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當碼盤由位置“0111”變?yōu)椤?000”時——四位數(shù)要同時變化，可能將數(shù)碼誤讀成1111、1011、1101、……、0001等，產(chǎn)生無法估計的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。實際絕對編碼器常采用二進制循環(huán)碼盤（格雷碼盤）；碼盤式傳感器格雷碼盤任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即由“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)——有效消除非單值性誤差。碼盤式傳感器碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有信號位處的光電元件有信號才能讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。信號位碼盤式傳感器12.2.2光電式編碼器接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。

1．光電式編碼器的結構和工作原理光電式碼盤的最大特點是非接觸式，它主要編碼圓盤（碼盤）、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成?；窘Y構如圖12-2所示。碼盤構造如圖12-2所示，當光源將光投射在碼盤上時，轉動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。1—光源；2—透鏡；3—碼盤；4—光電元件組圖12—2光電式編碼器示意圖圖12—3六位二進制碼盤構造

2．用插值法提高分辨率光電編碼器的精度和分辨率取決于光電碼盤的精度和分辨率。提高光電式編碼器測量精度和分辨率的方法有常規(guī)的增加碼盤刻線數(shù)和利用法即插值法兩種。例如，若碼盤已具有14條(位)碼道，在14位的碼道上增加1條專用附加碼道，見下圖所示。附加碼道的的扇形區(qū)的形狀和光學的幾何結構與前14位有所差異，且使之與光學分解器的多個光敏元件相配合，產(chǎn)生較為理想的正弦彼輸出。附加碼道輸出的正弦或余弦信號，在插值器中按不同的系數(shù)疊加在一起，形成多個相移不同的正弦信號輸出。各正弦波信弓再經(jīng)過零比較器轉換為一系列脈沖，從而細分了附加碼道的光電元件輸出的正弦信號。于是產(chǎn)生了附加的低位的幾位有效數(shù)值。下圖所示的19位光電編碼器的插值器產(chǎn)生16個正弦波信號。每兩個正弦信號之間的相位差為π/8，從而在14位編碼器的最低有效數(shù)值間隔內(nèi)插入了32個精確等分點，即相當于附加5位二進制數(shù)的輸出，使編碼器的分辨率從2-14提高到2-19，角位移小于3秒。11.2.3.電磁式編碼器電磁式編碼器是近幾年發(fā)展起來的新型傳感器。它主要由磁鼓與磁阻探頭組成。多極磁鼓常用的有兩種：一種是塑磁磁鼓；另一種是在鋁鼓外面覆蓋一層粘結磁性材料而制成。

電磁式編碼器的碼盤上按照一定的編碼圖形，做成磁化區(qū)（導磁率高）和非磁化區(qū)（導磁率低），采用小型磁環(huán)或微型馬蹄形磁芯作磁頭，磁環(huán)或磁頭緊靠碼盤，但又不與碼盤表面接觸。每個磁頭上繞兩組繞組，原邊繞組用恒幅恒頻的正弦信號激勵，副邊繞組用作輸出信號，副邊繞組感應碼盤上的磁化信號轉化為電信號，其感應電勢與兩繞組匝數(shù)比和整個磁路的磁導有關。當磁頭對準磁化區(qū)時，磁路飽和，輸出電壓很低，如磁頭對準非磁化區(qū)，它就類似于變壓器，輸出電壓會很高，因此可以區(qū)分狀態(tài)“1”和“0”。幾個磁頭同時輸出，就形成了數(shù)碼。電磁式編碼器有精度高，壽命長，工作可靠等特點，對環(huán)境條件要求較低，但成本較高。12.2.4、脈沖盤式數(shù)字傳感器脈沖盤式編碼器又稱為增量編碼器。增量編碼器一般只有三個碼道，它不能直接產(chǎn)生幾位編碼輸出，故它不具有絕對碼盤碼的含義，這是脈沖盤式編碼器與絕對編碼器的不同之處。

增量編碼器一般只有三個碼道，不直接輸出編碼。外碼道——產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道；內(nèi)碼道——辨向碼道，其辨向方法與光柵的辨向原理相同。中間碼道——開有一個窄縫，用于產(chǎn)生定位或零位信號。光電脈沖信號通過整形、放大、細分、辨向后輸出脈沖信號或顯示角位移，分辨率以每轉脈沖數(shù)表示。1．增量編碼器的結構和工作原理增量編碼器的圓盤上等角距地開有兩道縫隙，內(nèi)外圈(A、B)的相鄰兩縫錯開半條縫寬；另外在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外），開有一狹縫，表示碼盤的零位。在它們相對的兩側面分別安裝光源和光電接收元件，如下圖所示。當轉動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙每轉過一周就將有多少個相差90°的兩相（A、B兩路）脈沖脈沖和一個零位(C相)脈沖輸出。增量編碼器的精度和分辨率與絕對編碼器一樣，主要取決于碼盤本身的精度。

2．旋轉方向的判別為了辨別碼盤旋轉方向，可以采用下圖所示的電路利用A、B兩相脈沖來實現(xiàn)。光電元件A、B輸出情號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生P1和P2脈沖。將它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，由于A、B兩相脈沖(P1和P2)脈沖相差90°，D觸發(fā)器FF在CP脈沖(P2)的上升沿觸發(fā)。正轉時P1脈沖超前P2脈沖，F(xiàn)F的Q＝“1”表示正轉；當反轉時，P2超前P1脈沖，F(xiàn)F的Q＝“0”表示反轉?？梢杂肣作為控制可逆計數(shù)器是正向還是反問計數(shù)，即可將光電脈沖變成編碼輸出。C相脈沖接至計數(shù)器的復值端，實現(xiàn)每碼盤轉動一圈復位一次計數(shù)器的目的。碼盤無論正轉還是反轉，計數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的增量，故這種測量稱為增量法。除了光電式的增量編碼器外，目前相繼開發(fā)了光纖增量傳感器和霍爾效應式增量傳感器等，它們部得到廣泛的應用。光電編碼器的應用

除了測量角位移，還可通過脈沖測量轉速。f為脈沖頻率：每轉產(chǎn)生N個脈沖，在T時間內(nèi)測得m個脈沖，則轉速為：每轉產(chǎn)生N個脈沖，測得兩相鄰脈沖間包含m2個時鐘脈沖，時鐘周期為Tc，則轉速為：光電編碼器產(chǎn)品

光柵式傳感器(GratingTransducer)

光柵傳感器廣泛用于測量位移、角度、長度、速度、加速度、振動等物理量。在玻璃尺或玻璃盤進行長刻線（一般為10～12mm）的密集刻劃，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是光柵。用于位移測量的光柵稱為計量光柵。光柵上的刻線稱為柵線（不透光），柵線寬度為a，縫隙（透光）寬度為b，一般取a=b，W（W=a+b）稱為光柵的柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)）。光柵的結構光柵種類很多，按工作原理分為物理光柵和計量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者用于精密位移測量和精密機械自動控制等。計量光柵又分為長光柵和圓光柵。幅值光柵相位光柵光柵的分類根據(jù)柵線形式不同，分為黑白光柵和閃耀光柵。黑白光柵是只對入射光波的振幅或光強進行調(diào)制的光柵，亦稱幅值光柵；閃耀光柵是對入射光波的相位進行調(diào)制，亦稱相位光柵。根據(jù)光線的走向，長光柵又分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是將柵線刻制在透明材料上，如光學玻璃和制版玻璃；反射光柵則將柵線刻制在具有強反射能力的金屬上，如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜。前者使光線通過光柵后產(chǎn)生明暗條紋，后者反射光線并使之產(chǎn)生明暗條紋。光柵的分類長光柵的結構長光柵主要用于測量長度，條紋密度有每毫米25、50、100、250條等。徑向光柵切向光柵

圓光柵也稱光柵盤，其刻線刻制在玻璃盤上，用來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻劃的方向分為徑向光柵和切向光柵。圓光柵的結構光柵傳感器由光源、透鏡、主光柵（標尺光柵）、指示光柵和光電元件構成。光源和透鏡組成照明系統(tǒng)，光線經(jīng)過透鏡后成平行光投向光柵。主光柵與指示光柵在平行光照射下，形成莫爾條紋。光電元件主要有光電池和光敏晶體管，它把莫爾條紋的明暗強弱變化轉換為電量輸出。光柵傳感器的組成主光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，主光柵可以接長。主光柵與指示光柵之間的距離d可以根據(jù)光柵的柵距進行選擇，一般取d=W

2/λ，W為柵距，λ為有效光波長。測量系統(tǒng)的精度主要由主光柵的精度決定。光柵傳感器的組成

莫爾條紋是指當指示光柵與主光柵的柵線有一個微小的夾角θ時，由于擋光效應(當線紋密度≤50條/mm時)或光的衍射作用(當線紋密度≥100條/mm時)，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距W大的多的明暗相間的條紋，相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫爾條紋間距。莫爾條紋當光柵之間的夾角θ很小，且兩光柵的柵距都為W時，莫爾條紋間距B（a-a間距）為K為放大倍數(shù)。由于θ值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為橫向莫爾條紋。莫爾條紋（2）位移放大：由于θ值很小，光柵具有位移放大作用，放大系數(shù)為：（3）減小誤差：莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的。對光柵的刻線誤差有平均作用。個別柵線的柵距誤差或斷線等疵病對莫爾條紋的影響很小，從而提高了光柵傳感器的可靠性和測量精度。（1）運動對應關系：任意一個光柵沿垂直于柵線的方向每移動一個柵距W，莫爾條紋近似沿柵線方向移動一個條紋間距；光柵反方向移動時，莫爾條紋也作反方向移動。因此可以通過測量莫爾條紋的移動量和移動方向判斷主光柵（或指示光柵）的位移量和位移方向。莫爾條紋特征通過前面的分析知道，主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋就變化一個周期2π，通過光電轉換元件，可將莫爾條紋的變化變成電信號，電壓的大小對應于與莫爾條紋的亮度，它的波形近似于一個直流分量和一個正弦波交流分量的疊加。 式中 W——柵距；

x——主光柵與指示光柵間瞬時位移；

U0——直流電壓分量；

Um——交流電壓分量幅值；

U——輸出電壓。光柵信號輸出將該電壓信號放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積：光柵信號輸出由于光柵傳感器只能產(chǎn)生一個正弦信號，因此不能判斷x移動的方向。為了能夠辨別方向，需要在間距為B/4的位置設置兩個光電元件，以得到兩個相位差為90°的正弦信號，然后將信號送到辨向電路中去處理。辨向電路（a）（b）當主光柵向左移動，莫爾條紋向上運動時，光電元件1和2分別輸出如前圖（a）所示的電壓信號u1、u2，經(jīng)過放大整形后得到相位相差90°的兩個方波信號u’1、u’2。u’1經(jīng)反相后得到方波u”1。u’1和u”1經(jīng)RC微分電路后得到兩組光脈沖信號u’1w和u”1w，分別加到與門Y1和Y2的輸入端。對與門Y1，由于u’1w處于高電平時u’2總是低電平，故脈沖被阻塞Y1無輸出。對與門Y2，u’1w處于高電平時u’2也正處于高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置“1”，可逆計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進行加法計數(shù)。同理，當主光柵反向移動時，輸出信號波形如圖（b）所示，與門Y2阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發(fā)器置“0”，可逆計數(shù)器對與門Y1輸出的脈沖進行減法計數(shù)。這樣每當光柵移動一個柵距時，辨向電路只輸出一個脈沖，計數(shù)器所計的脈沖數(shù)即代表光柵位移。辨向電路若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測得比柵距更小的位移量，可以增加刻線密度，但這種方法制造、安裝及調(diào)試困難；采用細分技術：它是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出若干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當量的方法。在一個莫爾條紋的間隔內(nèi)，放置若干個光電元件，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n個脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨率提高到W/n。細分電路四倍頻細分法在辨向原理中已知，在相差B/4位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差π/2的電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差π/2的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細分。細分方法有多種，如直接細分、電橋細分、鎖相細分、調(diào)制信號細分、軟件細分等，直接細分又稱為位置細分，常用的是四倍頻細分。細分電路四倍頻細分電路及波形脈沖細分

細分技術能在不增加光柵刻線數(shù)及價格的情況下提高光柵的分辨力。細分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細分技術后，計數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當于原光柵的分辨力提高了3倍，測量步距是原來的1/4，較大地提高了測量精度。細分前細分后光柵細分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細分數(shù)為4細分，則：分辨力=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5m

采用細分技術，在不增加光柵刻線數(shù)（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。為光柵設計的專用數(shù)據(jù)轉接器（光柵計數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細分、辨向、報警、阻抗變換等。為光柵設計

的專用信號

處理單元（光柵插補器）功能同上頁光柵傳感器產(chǎn)品線位移光柵傳感器圓光柵編碼器數(shù)控機床位置控制框圖由控制系統(tǒng)生成的指令Pc控制工作臺移動，光柵傳感器不斷檢測工作臺的實際位置Pf并進行反饋，形成位置偏差Pe，調(diào)整工作臺的位置。當Pe=0時，表示工作臺已到達指令位置。光柵數(shù)字傳感器的應用12.4磁柵傳感器(MagneticGratingTransducer)

磁柵傳感器由磁柵（即磁盤）、磁頭和檢測電路組成。磁柵用于記錄一定功率的正弦或矩形信號；磁頭的作用是讀寫磁柵上的磁信號，并轉換為電信號。12.4.1.磁柵的結構磁柵結構如圖12-11所示。

（a）尺形長磁柵；（b）帶形長磁柵（c）同軸形長磁柵；（d）圓磁柵圖12—11幾種常用的磁柵結構12.4.2磁柵傳感器的工作原理磁柵傳感器的磁頭一般分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，由讀取信號的方式?jīng)Q定。靜態(tài)磁頭的結構如圖12-13（a）所示，靜態(tài)磁頭與磁柵間無相對運動，一般由若干個磁頭串行連接構成多間隙靜態(tài)磁頭體。在H鐵心上繞激磁線圈L1和輸出線圈L2，當在激磁繞組上施加交變激磁信號時，H鐵心的中間部分在每個周期內(nèi)兩次被激磁信號作用產(chǎn)生磁通導致飽和。此時因鐵心的磁阻很大，磁柵上的信號磁通不能通過磁頭,使得輸出繞組無感應電勢輸出。只有當激磁信號兩次過零時，鐵心不飽和，磁柵上的信號磁通才能通過鐵心在輸出繞組上產(chǎn)生感應電勢。

（a）靜態(tài)1—磁頭；2—磁柵；3—輸出波形圖12—13靜磁頭的工作原理

動態(tài)磁頭僅有一組輸出繞組，如圖12-13（b）。動態(tài)磁頭只有相對運動才有信號輸出，輸出信號的幅值隨運動速度而變化。為了保證一定幅值得輸出，通常規(guī)定磁頭以一定速度運行。因此，動態(tài)磁頭不適合長度測量。當磁頭以一定速度運行時，磁頭輸出一定頻率的正弦信號，且在N-N處信號達到正向峰值，在S-S處信號達到負向峰值。（b）動態(tài)1—磁頭；2—磁柵；3—輸出波形圖12—13動態(tài)磁頭的工作原理12.4.3.磁柵傳感器的測量原理實際應用中，磁柵傳感器測量常采用鑒幅法和鑒相法兩種。1、鑒幅法一般采用兩個多間隙靜態(tài)磁頭來讀取磁柵上的磁信號。若兩磁頭的間距為（n±1/4）W（n為正整數(shù)），那么兩激磁信號的相差為π/4。由前述內(nèi)容可知，兩磁頭輸出信號相差π/2。若兩磁頭的激磁繞組加同相的正弦激磁信號，則兩磁頭的輸出信號為經(jīng)濾除高頻載波后，得到與位移量x成正比的信號為：

式中是與位移成正比的正弦信號，經(jīng)過適當處理后變可得到位移量，這就是所謂的鑒幅法。2鑒相法若激磁繞組上施加相位差為π/4的正弦激勵信號或?qū)⑤敵鲂盘栆葡唳?2，則兩磁頭輸出信號為將u1和u2疊加，在uU1m=U2m=Um的條件下：

上式表示輸出信號是一個幅值不變，但相位與磁頭、磁柵相對位移量有關的信號，這就是鑒相法。感應同步器感應同步器由兩個印刷電路繞組構成，類似于變壓器的初、次級繞組，又稱平面變壓器。相對位移會引起兩個繞組間的互感量變化，因此可以測量位移，分為直線型（直線位移）和圓盤型（角位移）。

直線型感應同步器的基本結構：

由定尺和滑尺組成——定尺安裝在固定部件上（如機床臺座），滑尺與運動部件（如機床刀架）一起沿定尺移動。繞組分布不同——定尺是連續(xù)繞組，滑尺是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差90相角，又稱為正、余弦繞組。直線型感應同步器的繞組結構節(jié)距

圓盤式感應同步器（旋轉式）圓盤式感應同步器由定子和轉子組成，形狀呈圓片形，定子相當于直線式感應同步器的滑尺，轉子相當于定尺。感應同步器

定尺或滑尺其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應電動勢，該電動勢隨定尺與滑尺的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。再通過對此信號的處理，便可測量出直線位移量。感應同步器的工作原理

定尺與滑尺間的氣隙應保持在0.25±0.05mm范圍內(nèi)。感應同步器的工作原理

在滑尺上施加的正弦激磁電壓為：

正弦或余弦繞組在定尺上相應產(chǎn)生的感應電勢分別為：

感應同步器的工作原理

式中x——機械位移；W——繞組節(jié)距；正、負號表示滑尺移動的方向。感應同步器的工作原理

感應同步器的輸出信號是一個反映定尺與滑尺相對位移的交變感應電勢，可以通過鑒相法或鑒幅法對輸出信號進行處理，得到位移信息。

鑒相法：根據(jù)感生電勢的相位鑒別位移量；在滑尺的正弦、余弦繞組上施加頻率相同、幅值相同、相位差為90的交流電壓勵磁，即定尺輸出的總感應電勢為：將感生電勢輸入數(shù)字鑒相電路，可由相位得到位移。感應同步器的工作原理鑒幅法：根據(jù)感生電勢的幅值鑒別位移量。在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、幅值不同的正弦勵磁電壓，即定尺繞組輸出的總感應電勢為：將感生電勢輸入數(shù)字鑒幅電路，可由幅值得到位移。感應同步器的工作原理

當位移超過節(jié)距W時，感應同步器的輸出電勢不能反映位移的絕對值，為了在較大范圍內(nèi)測量位移，需要采用下列方法：三重直線感應同步器：定尺上有粗、中、細三組繞組，組成三個獨立的傳感通道，其中細繞組的節(jié)距為2mm，用來確定2mm以內(nèi)的位移；中繞組的節(jié)距為200mm，確定2~200mm的位移；粗繞組節(jié)距為4000mm，確定200~4000mm的位移。該系統(tǒng)電路較復雜。接長法：常見標準型直線感應同步器的定尺長度為250mm，當測量長度超過250mm時，可以將多塊定尺接長使用，增大測量范圍。感應同步器的優(yōu)點是：輸出信號不經(jīng)過機械傳動機構，有較高的精度與分辨力；

基于電磁感應原理，幾乎不受溫度、油污、塵埃等影響，抗干擾能力強；定尺與滑尺是非接觸測量，使用壽命長，維護簡單；可以作長距離位移測量，行程從幾米到幾十米；工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產(chǎn)。

廣泛用于三坐標測量機、程控數(shù)控機床及高精度重型機床及加工中測量裝置等。感應同步器

感應同步器定尺、滑尺感應同步器數(shù)顯表感應同步器

容柵傳感器容柵傳感器是一種可測量大位移的變面積電容式數(shù)字傳感器。容柵傳感器分為直線型、圓型和圓筒形容柵傳感器，前兩種用于直線位移測量，第三種用于角位移測量。容柵傳感器由動尺和定尺組成，兩者保持很小的間隙。動尺上有多個發(fā)射電極和一個長條形接收電極；定尺包含多個相互絕緣的反射電極和一個屏蔽電極。發(fā)射電極分為6組，每組8個電極，編號相同的電極施加相同激勵信號，相鄰電極上激勵信號相位差為45度。直線式容柵傳感器結構容柵傳感器工作原理容柵傳感器可看成由多個可變電容器組成。當動尺相對定尺移動時，發(fā)射電極與反射電極間的相對面積發(fā)生變化，導致反射電極上的電荷量產(chǎn)生變化，通過電容耦合和電荷傳遞，則接收電極上輸出的電荷信號為：Qm——激勵信號的幅值；

ω——激勵信號的頻率；θ——由位移x引起的相位角；W——發(fā)射電極的節(jié)距。接收極信號幅值為常數(shù)，相位角隨位移呈周期性變化，通過數(shù)字鑒相電路，即可由相位變化測出位移量。容柵傳感器的應用數(shù)顯千分尺12.6.1.頻率式傳感器的工作原理1、RC振蕩器式頻率傳感器溫度—頻率傳感器就是RC振蕩器式頻率傳感器的一種。這里利用熱敏電阻RT測量溫度。RT作為RC振蕩器的一部分，該電路是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡構成一種RC文氏電橋正弦波發(fā)生器。當外界溫度T變化時．RT的阻值也隨之變化，RC振蕩器的頻率因此而改變。RC振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：其中RT與溫度T的關系為式中：B為熱敏電阻的溫度系數(shù)。RT、R0分別為溫度T(K)利人T0(K)時的阻值。電阻R2、R3的作用是改善其線性特性，流過RT的電流盡可能小以防其自身發(fā)熱對溫度測量的影響。2、彈性振動體頻率式傳感器任何彈性體都具有固有振動頻率，當外界的作用力（激勵）可以克服阻尼力時，它就可能產(chǎn)生振動，其振蕩頻率與彈性體的固有頻率、阻尼特性及激勵特性有關。若激勵力的頻率與彈性體的固有頻率相同、大小剛好可以補充阻尼的損耗時，該彈性體即可作等幅連續(xù)振蕩，振動頻率為其自身的固有頻率。彈性振動體頻率式傳感器就是利用這一原理來測量有關物理量的。

彈性振動體頻率式傳感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式頻率傳感器為例，介紹彈性振動體頻率式傳感器的基本結構及其激勵電路。

振弦式傳感器測量應力的原理如下圖所示。振弦式傳感器包括振弦、激勵電磁鐵、夾緊裝置等三個主要部分。將一根細的金屬絲置于激勵電磁鐵所產(chǎn)生的磁場內(nèi)，振弦的一端固定、另一瑞與被測量物體的運動部分連接，并使振弦拉緊。作用于振弦上的張力就是傳感器的被測量振弦的張力為F時，其固有振動頻率可用下式表達：L—振弦的有效長度；ρ—振弦的線密度；A—弦的截面積，σ—弦的應力。振弦的激振方式有連續(xù)激振和間歇激振兩種。連續(xù)激振方式如下圖(a)所示。連續(xù)激振使用了兩個電磁線圈，一個用于連續(xù)激勵，另一個用于接收振弦的振蕩信號。當振弦被激勵后，接收線圈1產(chǎn)生感應電勢，經(jīng)放大后，正反饋給激勵線圈2以維持振弦的連續(xù)振蕩。間歇激勵方式如下圖(b)所示，當激勵電路產(chǎn)生脈沖電流給激勵線圈后，電磁鐵將扳弦吸住，在激勵脈沖電流為零時，電磁鐵松開振弦，于是振弦產(chǎn)生振動衰減，為了克服阻尼作用對振弦振動的衰減，必須間隔一定時間激勵一次。下面討論連續(xù)激勵方式的應力傳感器測量原理和電路。

用振弦、運算放大器和永久磁鐵可以組成一個自激振蕩的連續(xù)激振應力傳感器的測量電路，如下圖所示。當電路接通時，有一個初始電流流過振弦，振弦受磁場作用下產(chǎn)生振蕩。振弦在激勵電路中組成一個選頻的正反饋網(wǎng)絡，不斷提供振弦所需要的能量，于是振蕩器產(chǎn)個等幅的持續(xù)振蕩。在這個電路電阻R2和振弦支路形成正反饋回路，R1、Rf和場效應管FET組成負反饋電路。R3、R4、二極管D和電容C組成的支路給FET管提供控制信號，由負反饋支路和場效應管控制支路控制起振條件和自動穩(wěn)幅。

如果由于某種原因引起振蕩器的輸出幅值增加，輸出信號經(jīng)過R3、R4、D和C檢波后，成為FET管的柵極控制信號，具有較大的負電壓，使FET管的漏源極間的等效電阻增加，從而使負反饋支路的負反饋增大，運算放大器的閉環(huán)增益降低，使輸出信號幅位減??；反之，輸出幅值減小，負反饋作用減弱，運算放大器閉環(huán)增益提高，有使輸出幅值自動提升的趨勢。因而，就起到了自動穩(wěn)定振幅的作用。

如果振動器停振，輸出信號等于零，此時FET管處于零偏壓狀態(tài)，電路正增益大大提高，為起振創(chuàng)造了條件。振弦式傳感器的輸出—輸入一般為非線性關系，其輸出—輸入特性如下圖所示。為了得到線性的輸出，可以選取曲線中近似直線的一段。也可以用兩根振弦構成差功式振弦傳感器，通過測量兩根振弦的頻率差來表示應力，可以大大地減小傳感器的溫度誤差和非線性誤差。12.7數(shù)字式傳感器的應用12.7.1.光電增量編碼器在電腦繡花機中的應用電腦繡花機是迄今為止縫紉設備中最先進、最復雜的機電一體化設備，繡花機在電腦控制下完成一切花樣的縫繡動作。電腦和機頭機械是繡機的主體，實現(xiàn)電腦對機頭機械自動運行控制的主要部件之一就是光電增量編碼器。光電增量編碼器在電腦繡花機中的作用主要