《數(shù)字式傳感器》

《數(shù)字式傳感器》13.1光柵傳感器13.1.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵，圖13-1為透射光柵的示意圖。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。圖13–1透射光柵示意圖

2.光柵測量原理把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，如圖13-2所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖13-2可見，在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。圖13-2光柵莫爾條紋的形式

莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點。

(1)位移的放大作用當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為（13-1）

θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。

（2）莫爾條紋移動方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之，當光柵1向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對光柵1的運動進行辨向。

(3)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。13.1.2光柵傳感器的組成光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號；光柵數(shù)顯表是實現(xiàn)細分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。

1.光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。標尺光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)示意圖見圖13-3。圖13–3光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖

前面分析的莫爾條紋是一個明暗相間的帶。從圖13-2看出，兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗，再到最暗的漸變過程。主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)(如圖13-4所示)，如以電壓輸出，即（13-2）式中：uo——光電元件輸出的電壓信號；Uo——輸出信號中的平均直流分量；Um——輸出信號中正弦交流分量的幅值。由式（13-2）可見，輸出電壓反映了位移量的大小。圖13-4光柵位移與光強、輸出電壓的關(guān)系

2.光柵數(shù)顯表光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。為了辨別位移的方向，進一步提高測量的精度，以及實現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號送入數(shù)顯表作進一步的處理。光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。

（1）辨向原理采用圖13-3中一個光電元件的光柵讀數(shù)頭，無論主光柵作正向還是反向移動，莫爾條紋都作明暗交替變化，光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號，此信號不能辨別運動方向。為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個電信號。圖13-5為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差π/2的電信號u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個方波信號u1′和u2′。從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可看出，當光柵沿A方向移動時，u1′經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖,正好發(fā)生在u2′的“1”電平時，從而經(jīng)Y1輸出一個計數(shù)脈沖；而u1′經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2′的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，無脈沖輸出。在光柵沿A方向移動時，u1′的微分脈沖發(fā)生在u2′為“0”電平時，與門Y1無脈沖輸出；而u1′的反相微分脈沖則發(fā)生在u2′

的“1”電平時，與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖,則說明u2′的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制在不同的移動方向時，u1′所產(chǎn)生的脈沖輸出。這樣就可以根據(jù)運動方向正確地給出加計數(shù)脈沖或減計數(shù)脈沖，再將其輸入可逆計數(shù)器，實時顯示出相對于某個參考點的位移量。圖13–5辨向邏輯工作原理(2)細分技術(shù)在前面討論的光柵測量原理中可知，以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測量比柵距更小的位移量，可采用細分技術(shù)。所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量，如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，即可使測量精度提高到n倍，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。細分方法有機械細分和電子細分兩類。下面介紹電子細分法中常用的四倍頻細分法，這種細分法也是許多其它細分法的基礎(chǔ)。

在上述辨向原理中可知，在相差BH/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。也可以在相差BH/4位置上安放四個光電元件來實現(xiàn)四倍頻細分。這種方法不可能得到高的細分數(shù)，因為在一個莫爾條紋的間距內(nèi)不可能安裝更多的光電元件。它有一個優(yōu)點，就是對莫爾條紋產(chǎn)生的信號波形沒有嚴格要求。13.2編碼器

將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)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。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。編碼器的種類很多，主要分為脈沖盤式（增量編碼器）和碼盤式編碼器（絕對編碼器），其關(guān)系如下所示：編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對編碼器)接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器

脈沖盤式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，一般還需要一個基準數(shù)據(jù)即零位基準，才能完成角位移測量。絕對編碼器不需要基準數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)（如微機）連接。編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等，后兩種為非接觸式編碼器。非接觸式編碼器具有非接觸、體積小和壽命長，且分辨率高的特點。三種編碼器相比較，光電式編碼器的性價比最高，它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前我國已有23位光電編碼器，為科學(xué)研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對位移量進行精密檢測的手段。13.2.1光電式編碼器光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（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(jié)構(gòu)如圖13-6所示。碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盤構(gòu)造如圖13-7所示，它是一個6位二進制碼盤。當光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)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(yīng)，對應(yīng)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。

編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等。對于圖13-7所示的6位二進制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼。例如零位對應(yīng)于000000（全黑）；第23個方位對應(yīng)于010111。這樣在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。一個n位二進制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2n，一個6位二進制碼盤，其最小分辨的角度α≈5.6°。圖13-6光電式編碼器示意圖圖13-7碼盤構(gòu)造

采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因為二進制碼當某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進制碼。表13-1給出了四位二進制碼與循環(huán)碼的對照表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。圖13-8所示的是一個6位的循環(huán)碼碼盤。對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。表13-1四位二進制碼與循環(huán)碼對照表

圖13-86位循環(huán)碼碼盤

循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進制碼然后再譯碼。按表13-1所列，可以找到循環(huán)碼和二進制碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為或式中：R——循環(huán)碼；

C——二進制碼。(13-3)

根據(jù)上式用與非門構(gòu)成循環(huán)碼-二進制碼轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器所用元件比較多。如采用存貯器芯片可直接把循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進制碼或任意進制碼。大多數(shù)編碼器都是單盤的，全部碼道則在一個圓盤上。但如要求有很高的分辨率時，碼盤制作困難，圓盤直徑增大，而且精度也難以達到。如要達到1″左右的分辨率，至少采用20位的碼盤。對于一個刻劃直徑為400mm的20位碼盤，其外圈分劃間隔不到1.2μm，可見碼盤的制作不是一件易事，而且光線經(jīng)過這么窄的狹縫會產(chǎn)生光的衍射。這時可采用雙盤編碼器，它的特點是由兩個分辨率較低的碼盤組合成為高分辨率的編碼器。13.2.2磁編碼器磁編碼器是近幾年發(fā)展起來的新型傳感器。它主要由磁鼓與磁阻探頭組成，它的構(gòu)成如圖13-9所示。多極磁鼓常用的有兩種：一種是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入適當?shù)恼澈蟿⑺艹尚?；另一種是在鋁鼓外面覆蓋一層粘結(jié)磁性材料而制成。多極磁鼓產(chǎn)生的空間磁場由磁鼓的大小和磁層厚度決定，磁阻探頭由磁阻元件通過微細加工技術(shù)而制成，磁阻元件電阻值僅和電流方向成直角的磁場有關(guān)，而與電流平行的磁場無關(guān)。圖13–9磁編碼器的基本結(jié)構(gòu)

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(dǎo)磁率高）和非磁化區(qū)（導(dǎo)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(yīng)碼盤上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，其感應(yīng)電勢與兩繞組匝數(shù)比和整個磁路的磁導(dǎo)有關(guān)。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。電磁式編碼器由于精度高，壽命長，工作可靠，對環(huán)境條件要求較低，但成本較高。13.3感應(yīng)同步器13.3.1結(jié)構(gòu)原理感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于直線位移和角位移測量，兩者原理相同。直線式（長）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，如圖13-10所示。旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，如圖13-11所示。在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連續(xù)繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，在空間相差90°相角，故又稱為正弦、余弦繞組。工作時如果在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(yīng)電動勢，該電動勢隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對位置不同而呈正弦、余弦函數(shù)變化，再通過對此信號的檢測處理，便可測量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。圖13-10長感應(yīng)同步器示意圖(a)定尺；(b)滑尺

圖13-11圓感應(yīng)同步器示意圖(a)定子；(b)轉(zhuǎn)子13.3.2信號處理方式按信號處理方式來分，可分為鑒相和鑒幅方式兩種。它們的特征是用輸出感應(yīng)電動勢的相位或幅值來進行處理。下面以長感應(yīng)同步器為例進行敘述。

1.鑒相方式滑尺的正弦、余弦繞組在空間位置上錯開1/4定尺的節(jié)距，激勵時加上等幅等頻，相位差為90°的交流電壓，即分別以sinωt和cosωt來激勵，這樣，就可以根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量，故叫鑒相型。當正弦繞組單獨激勵時勵磁電壓為us=Umsinωt，感應(yīng)電勢為式中，k為耦合系數(shù)。當余弦繞組單獨激勵時（勵磁電壓為uc=Umcosωt）,感應(yīng)電勢為

按疊加原理求得定尺上總感應(yīng)電動勢為式中的θ=2πx/ω稱為感應(yīng)電動勢的相位角，它在一個節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對位移有一一對應(yīng)的關(guān)系，每經(jīng)過一個節(jié)距，變化一個周期（2π）。

2.鑒幅方式如在滑尺的正弦、余弦繞組加以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據(jù)感應(yīng)電勢振幅來鑒別位移量，稱為鑒幅型。加到