第四節(jié) 新型角度傳感器

第四節(jié)新型角度傳感器第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三本節(jié)主要內(nèi)容內(nèi)容：：1、圓光柵：類型、莫爾條紋2、圓磁柵形成：測量原理3、感應(yīng)同步器：分類、應(yīng)用、工作原理、圓形感應(yīng)同步器4、角編碼器：定義、類型、工作原理5、環(huán)形激光器：重點：圓光柵和環(huán)形激光器的測量原理第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三一、圓光柵莫爾條紋：兩等線距光柵相互成一小角度時，即形成莫爾條紋；兩光柵相互運動時間看到的是莫爾條紋運動。莫爾條紋的特點：放大作用：相對原光柵具有放大（移動）的作用；誤差平均；信號波形的正弦性。第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三兩光柵交點由柵線序數(shù)N、M組成。K=M－N第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三令K=M－N條紋I：(-3,-1)、(-2,0)、(-1,1)、(0,2)、(1,3)…K=2條紋II：(-2,-1)、(-1,0)、(0,1)、(1,2)、(2,3)…K=1條紋III：(-1,-1)、(0,0)、(1,1)、(2,2)、(3,3)…K=0設(shè)兩光柵節(jié)距分別是P1、P2，相交角θ可得莫爾條紋方程：第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三長光柵莫爾條紋播放動畫第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三長光柵光閘莫爾條紋播放動畫第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三圓光柵類型：徑向圓光柵（圖3-29a）

切向圓光柵（圖3-29b）圓光柵的莫爾條紋有許多類型，在角度測量中主要是應(yīng)用以下兩種：環(huán)形莫爾條紋和圓弧形莫爾條紋。

圖3-29圓光柵

第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三1．環(huán)形莫爾條紋形成：將兩塊柵線數(shù)目相同，切線圓半徑分別為r1和r2的切向圓光柵同心安置（圖3-30），形成以光柵中心為圓心的莫爾條紋簇，叫做環(huán)形莫爾條紋。條紋間距B為：式中，W為柵距；R為平均半徑。特點：當兩光柵相對轉(zhuǎn)過一個柵距時，環(huán)形條紋就由中心向外（或向內(nèi)，由旋轉(zhuǎn)方向而定）移過一個條紋（演示）。該條紋最適用于多讀數(shù)頭的測量裝置

圖3-30切向光柵產(chǎn)生環(huán)形莫爾條紋第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放中……單擊準備演示第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2.圓弧形莫爾條紋形成：將兩塊柵線數(shù)目相同的徑向圓光柵偏心安置（偏心量為e），則兩光柵的柵線交角將不同，這樣就會形成曲率半徑各不相同的圓弧形莫爾條紋簇，如圖3-31所示。特點：條紋簇都與兩光柵中心連線相切于連線的中心點，條紋簇的圓心都位于兩光柵中心連線的垂直平分線上；條紋間距隨條紋的位置而不同。條紋有三種形式：橫向莫爾條紋；縱向莫爾條紋；斜向莫爾條紋；角度測量中多用橫向莫爾條紋。圖3-31徑向光柵產(chǎn)生圓弧形莫爾條紋第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三播放中……圓弧莫爾條紋單擊準備演示播放動畫第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三光閘莫爾條紋播放動畫播放中……第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三單擊準備演示輻射形莫爾條紋播放動畫第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三圓光柵是精密測角的主要器件之一，廣泛用于測角、刻度和度盤檢測。圖3-32是利用圓光柵檢定度盤的示意圖。圖3-32用圓光柵檢定度盤第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三二、圓磁柵

圖3-33圓磁柵（沿圓周展開）1—基體；2——磁膜1．形成：

在一個圓柱（圓盤）基體的表面上鍍上一層磁膜，當圓盤均勻旋轉(zhuǎn)時，把由一標準頻率（信號）發(fā)生器（如石英振蕩器）發(fā)出的頻率極為準確穩(wěn)定的正弦波電壓信號，記錄在磁膜上面，磁膜經(jīng)交流反復(fù)磁化，就形成如圖3-33所示之磁極對應(yīng)的磁格（N和S兩兩相對），此錄磁圓盤就是以磁波為分度標準的圓磁柵。第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三

圖3-34為錄磁裝置的示意圖圖3-34錄磁原理示意圖第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2．測量原理：利用圓磁柵測角或分度時，磁柵和被測件一起同軸旋轉(zhuǎn)，再利用放磁頭將磁柵上的標準錄磁信號拾放出來，并進行處理。3．磁頭類型：按拾取信號方式不同，分靜態(tài)和動態(tài)磁頭兩種；動態(tài)磁頭：磁柵與磁頭間有相對運動才有信號輸出，如圖。

圖3-35動態(tài)磁頭讀取信號1－磁頭，2－磁柵，3－輸出信號波形第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三靜態(tài)磁頭：磁柵與磁頭間無相對運動也有信號輸出。如圖3-35（a）

圖3-35（b）靜態(tài)磁頭分度原理示意圖第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三三、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器有長形和圓形兩種，前者用于測量長度，后者用于測量角度和分度。長形感應(yīng)同步器第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三圖3－36感應(yīng)同步器當以激磁電壓加在印刷電路板上的平面平行繞組（激磁繞組）兩端時（圖3-36），若電流方向如圖中箭頭所示，則在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，并形成封閉的環(huán)形磁力線。圖中，⊙⊙表示磁力線由紙面引出，⊕號表示進入紙面。１．工作原理：第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三將另一塊線距與上述激磁繞組相同的感應(yīng)繞組印線板以最小的間隙使兩繞組互相平行貼近，感應(yīng)繞組中就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓（參見圖3-37）。圖3-37感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓大小與兩繞組的相對位置有關(guān)，節(jié)距即相當一個電壓變化周期，兩繞組完全重疊，感應(yīng)電壓最大。第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三為什么要用A、B兩個繞組？第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三圖3－38圓形感應(yīng)同步器以激磁繞組印刷在固定圓盤上（圖3-38a），感應(yīng)繞組印制在旋轉(zhuǎn)圓盤上，可相對固定圓盤旋轉(zhuǎn)，兩者互相貼近，就可取得反映圓分度的交流電壓信號。２．圓形感應(yīng)同步器：第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三感應(yīng)繞組的分布：如圖3-38b，采用所謂sin繞組和cos繞組交叉分布。圖3－38圓形感應(yīng)同步器1、僅用一對sin繞組和cos繞組行嗎？2、多對繞組的作用是什么？（為什么？）3．感應(yīng)同步器的特點：平均效應(yīng)，增量式測角4.應(yīng)用：

慣性技術(shù)測試設(shè)備中等準確度的計量器具第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三四、角編碼器1．定義：將轉(zhuǎn)角大小換成相應(yīng)的數(shù)字代碼的裝置稱角度編碼器。2．類型：很多，最主要是光電編碼器；3．光電編碼器的工作原理：如圖3-40。圖3-40角編碼器工作原理第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三圖3-41是四位編碼盤，其最外的第四位碼道將圓周角分為16等分，每等分相當于22.5°。圖3-41編碼盤示意圖第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三五、環(huán)形激光器1．環(huán)形激光器：

閉合環(huán)路以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，則反向的兩光束將產(chǎn)生光程差，且光程與環(huán)路旋轉(zhuǎn)的角速度成正比，這就是多卜勒效應(yīng)。這一現(xiàn)象為測量角速度和角度提供了理論依據(jù)，而高穩(wěn)頻激光的出現(xiàn)，又使這一精確的測角方法能應(yīng)用于實際工作，利用這一現(xiàn)象來測量角度的裝置，叫做環(huán)形激光器。第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2．環(huán)形激光的測角原理：

環(huán)形激光是由塞納克（Sagnac）環(huán)形干涉儀演變而來的。根據(jù)塞納克環(huán)形（圓形）干涉儀的實驗和理論推導(dǎo)可知，反映反向兩光束光程差的頻差Δf與環(huán)形光路旋轉(zhuǎn)速度ω之間有如下關(guān)系：

Δf=4Aω/Lλ

式中：A—環(huán)形光路所包圍的面積；L—光程長度；

λ—光波波長。對一定的環(huán)形激光器，A、L及λ均為常數(shù)，故Δf與ω成正比。第36頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三α是在時間（t2-t1）內(nèi)環(huán)形激光器相對于慣