《測試技術(shù)》6.數(shù)字傳感器

測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程及自動化學(xué)院12/13/2023檢測技術(shù)第六章數(shù)字式傳感器光柵傳感器感應(yīng)同步器12/13/2023數(shù)字傳感器的特點(diǎn)：數(shù)字式傳感器具有高的測量精度和分辨力，讀數(shù)直觀精確。測量行程范圍大，直線位移可達(dá)數(shù)米至幾十米。易于實(shí)現(xiàn)高速動態(tài)測量、處理和自動化。采用高電平數(shù)字信號時(shí)，對外部干擾（噪音）的抑制能力強(qiáng)。安裝方便，使用維護(hù)簡單，工作可靠性強(qiáng)。12/13/20236.1光柵

數(shù)字式傳感器12/13/2023一.光柵傳感器的構(gòu)成及原理1.光柵的構(gòu)成：光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的玻璃構(gòu)成，稱之為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條紋，稱為反射光柵。利用光柵的一些特點(diǎn)可進(jìn)行線位移和角位移的測量。測量線位移的光柵為矩形并隨被測長度增加而加長，稱之為長光柵；而測量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。

【演示】數(shù)字式傳感器12/13/2023數(shù)字式傳感器12/13/20232.柵距：光柵的柵距Ｗ＝ａ＋ｂ，a、b分別為透光和不透光條紋的寬度，通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越?。灰话銝啪嗫捎煽叹€密度算出，刻線密度為25，50，100，250條/mm。數(shù)字式傳感器12/13/20233.莫爾條紋現(xiàn)象當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個(gè)夾角時(shí)，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，使光線透不過去，形成一條暗帶；而亮條與亮條重合的地方，部分光線得以通過，形成一條亮帶。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋，如圖所示。

莫爾條紋的形成莫爾條紋的寬度可按下式計(jì)算：設(shè)a=b=W/2，則(W/2)/B=sin(θ/2)，所以，B=W/(2sin(θ/2))，當(dāng)θ很小時(shí)，sin(θ/2)=θ/2，故有：B=W/θ，稱作莫爾條紋的寬度，又稱為節(jié)距。數(shù)字式傳感器12/13/20234.莫爾條紋的特點(diǎn)①平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。數(shù)字式傳感器②對應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角θ固定后，兩光柵相對左右移動一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋上下或下上移動一個(gè)節(jié)距B，因此，可以通過檢測莫爾條紋的移動條數(shù)和方向來判斷兩光柵相對位移的大小和方向。③放大作用：由公式B=W/θ可知，當(dāng)W一定，而θ較小時(shí)，可使θ<<1，則B>>W。如：長光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，θ＝0.5o＝0.009rad，則：B=0.01/0.009≈1mm，放大100倍。若θ=0，則不產(chǎn)生莫爾條紋，這時(shí)光線忽明忽暗，稱作光閘效應(yīng)。對于圓光柵，同樣有這些特點(diǎn)。12/13/20235.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的隨運(yùn)動部件移動，稱為標(biāo)尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測量角位移時(shí)，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：光源→標(biāo)尺光柵→指示光柵→光電元件，如圖所示。數(shù)字式傳感器12/13/2023二.光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理1.光柵傳感器輸出信號波形當(dāng)光柵相對位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖：數(shù)字式傳感器12/13/2023

輸出表達(dá)式：

Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]

式中，2π/W為空間角頻率，W為柵距（信號周期），X為位移。由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，V的變化是位移在一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應(yīng)一個(gè)柵距。但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號還存在兩個(gè)問題：①辨向問題：用一個(gè)光電元件無法辨別運(yùn)動方向；②精度低；分辨力只為一個(gè)柵距W。怎么解決這兩個(gè)問題呢？數(shù)字式傳感器12/13/20232.辨向原理：用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差90°空間角，B:2π=B/4:π/2），如圖所示，可以解決辨向問題。當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于V190°。當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以判別運(yùn)動方向。數(shù)字式傳感器12/13/20233.細(xì)分技術(shù)（解決精度問題）當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號周期的方法來進(jìn)行位移測量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進(jìn)行細(xì)分，其電路框圖如圖所示。

1234硅光電池正向脈沖反向脈沖H1H2差動放大差動放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8數(shù)字式傳感器12/13/2023四個(gè)光電元件間隔B/4安裝，1，3，2，4分別接入兩個(gè)差分放大器用以消除共模干擾，這樣可以得到兩個(gè)相差90度的信號sin和cos，經(jīng)整型等到方波信號，再反相得到A,B,C,D四路方波信號，將四路方波信號再微分，得到四個(gè)脈沖,將A,B,C,D與

進(jìn)行邏輯組合，可由兩個(gè)輸出端輸出正向位移脈沖信號和反向位移脈沖信號。當(dāng)正向運(yùn)動時(shí)，由正向上升沿微分得到正向脈沖，經(jīng)邏輯到輸出；反之亦然。利用這種方法，可在一個(gè)周期內(nèi)輸出四個(gè)脈沖，所以又稱之為四倍頻電路，其分辨率提高四倍，當(dāng)柵距w=10μm時(shí)，分辨力為2.5μm，即脈沖當(dāng)量為2.5μm，當(dāng)w=4μm,其分辨力可為1μm。數(shù)字式傳感器12/13/20236.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器也是一種用來測量位移量的數(shù)字式傳感器，它的工作原理與變壓器的工作原理類似。數(shù)字式傳感器12/13/2023一.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器由兩個(gè)平面形印刷繞組組成，平面繞組是用銅箔加工而成，粘在鋼板上或鑄鐵制成的基體上，兩個(gè)繞組相當(dāng)于變壓器的兩個(gè)線圈。感應(yīng)同步器有兩種，一種是直線感應(yīng)同步器，用來測量線位移，兩個(gè)繞組分為定尺繞組和滑尺繞組。另一種是圓感應(yīng)同步器，用來測量角位移。兩個(gè)繞組分為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。定尺和轉(zhuǎn)子的繞組為連續(xù)繞組，相當(dāng)于變壓器的副邊，用于輸出與位移有關(guān)的信號?；吆投ㄗ拥睦@組為分段繞組（又稱為正、余弦繞組），工作時(shí)輸入激磁電壓，用以產(chǎn)生交變磁場。>>數(shù)字式傳感器12/13/2023>>當(dāng)定尺和滑尺產(chǎn)生相對線位移時(shí)，或定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對角位移時(shí)，兩繞組間的耦合狀態(tài)發(fā)生變化，這時(shí)，在定尺和轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)出一個(gè)與位移有關(guān)的電壓信號，由此可以測定位移量的大小?；呃@組上的正弦繞組和余弦繞組在空間上相差π/2，或kπ±π/2。這個(gè)空間角如下確定：設(shè)定尺的節(jié)距為w2=2(a2+b2),相當(dāng)于空間角2π，對應(yīng)于一個(gè)周期，則滑尺兩繞組（正弦繞組，余弦繞組）之間的距離:k為整數(shù),在這里w2相當(dāng)于一個(gè)周期2π∴l(xiāng)1相當(dāng)于對于圓感應(yīng)同步器，其定子的正余弦繞組同樣滿足相差90°數(shù)字式傳感器12/13/2023二.工作原理以直線感應(yīng)同步器為例，當(dāng)兩繞組位置相對固定時(shí)，滑尺繞組中的激磁電流使定尺繞組中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢，其大小為：M為互感系數(shù)

如果假設(shè)繞組的自感系數(shù)很小，且激磁頻率較低，則滑尺激磁繞組可視為純電阻，則激磁電流為：,所以有K稱為電磁耦合系數(shù)數(shù)字式傳感器12/13/2023隨著兩繞組間的位置關(guān)系不同，定尺中的感應(yīng)電勢大小是不同的，我們可以具體分析如下：當(dāng)滑尺與定尺間的相對位置按下面規(guī)律變化，以正弦繞組為例：滑尺位于A點(diǎn)：這時(shí)兩繞組完全重合，通過定尺的耦合磁通最大，這時(shí)定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢最大?；咭浦罛點(diǎn)：滑尺跨在定尺的兩側(cè)，定尺中的感應(yīng)電勢相互抵消為零?；呶挥贑點(diǎn)：滑尺與定尺重合，但感應(yīng)電勢方向與A點(diǎn)相反，達(dá)到反方向最大。D點(diǎn)：定尺中感應(yīng)電勢為零。E點(diǎn)：感應(yīng)電勢又變?yōu)樽畲螅敵鲎兓恢芷?。?shù)字式傳感器12/13/2023因此，對于正弦繞組激磁而殘生的感應(yīng)電勢的大小為：

cosθ為位置系數(shù)，同理，若設(shè)，則可推出對于余弦繞組激磁而產(chǎn)生的而總電勢為：這里討論是在理想情況下近似的，實(shí)際的輸出中還存在有其它高次諧波及干擾。一般情況下，激磁電壓↑，感應(yīng)電勢↑；但激磁電壓↑太大（i增大），引起發(fā)熱，致使不能正常工作。V=1～2V.【演示】數(shù)字式傳感器感應(yīng)電勢為：12/13/2023數(shù)字式傳感器12/13/2023三.感應(yīng)同步器的工作方式感應(yīng)同步器工作方式通常分為：鑒相型鑒幅型數(shù)字式傳感器12/13/2023鑒相型工作方式鑒相型工作方式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量的一種工作方式。激磁方式：對滑尺的正余弦繞組分別供以幅值相同，但相位相差90°的交流方波。這時(shí)定尺總電勢為：數(shù)字式傳感器12/13/2023這相當(dāng)于一個(gè)相位調(diào)制波，當(dāng)位移X發(fā)生變化時(shí)，輸出信號的相位發(fā)生變化。由上述討論可知，輸出信號的幅值與激磁電壓（相當(dāng)于載波）的頻率有關(guān)。激磁頻率越高，輸出幅值越大，且可使測量速度提高。但若激磁頻率過高，則導(dǎo)致感抗增加，容抗減小，使測量精度下降。從上面討論還可以看出，在一個(gè)節(jié)距w內(nèi)，感應(yīng)輸出電壓的相位θ與滑尺和定尺間位移x相對應(yīng)，每當(dāng)位移變化一個(gè)節(jié)距，θ變化2π角度，輸出信號的相位變化一個(gè)周期，因此，必須采用累加計(jì)數(shù)的辦法求總的位移量。

數(shù)字式傳感器12/13/2023鑒幅型工作方式－通過輸出電壓幅值變化來測量位移。激磁方式：滑尺的正、余弦繞組分別加以頻率相同、相位相同、但幅值不等（按正、余弦規(guī)律變化）的交流電壓。

數(shù)字式傳感器定尺感應(yīng)電勢：12/13/2023可見，當(dāng)激磁電壓不變，固定，則輸出信號幅值與相對位移x有關(guān)。

設(shè)初始

；如果，說明由位移存在，若設(shè)法改變

，使，則通過計(jì)算的變化量便可求得x的大小。數(shù)字式傳感器12/13/2023四、感應(yīng)同步器位移－數(shù)字測量系統(tǒng)。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器絕對相位基準(zhǔn)（分頻器）相對相位基準(zhǔn)（脈沖移相器）絕對零點(diǎn)顯示可逆計(jì)數(shù)器譯碼、顯示鑒相器門電路90度移相功放功放放大濾波整形滑尺定尺1.鑒相型測量系統(tǒng)數(shù)字式傳感器12/13/2023各部分作用：時(shí)鐘脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生一定頻率的脈沖，一般w＝2mm時(shí)，可采用

4MHz的晶振。絕對相位基準(zhǔn)：實(shí)際上是一個(gè)分頻器，將脈沖發(fā)生器的輸出進(jìn)行分頻，然后產(chǎn)生兩個(gè)相位相差90°的激磁信號，分別送給滑尺的正余弦繞組。定尺繞組感應(yīng)電勢E=Kω

VmCOS(ωt－θ)，經(jīng)放大、濾波、整形送給鑒相器，送鑒相器的有效信號為相對相位基準(zhǔn)：實(shí)際上是一個(gè)分頻電路和加減脈沖電路組成（脈沖移相器）。它輸出一個(gè)與前一時(shí)刻位移對應(yīng)的相位信息θ給監(jiān)相器。鑒相器：用來判別感應(yīng)同步器的輸出信號

θ與相對相位基準(zhǔn)電路輸出之間相位差的大小，其理想輸入輸出特性曲線見右圖：數(shù)字式傳感器12/13/2023鑒相器的輸出控制一個(gè)門電路Δθ=θ-θ1，可以根據(jù)測量精度設(shè)計(jì)Δθ=θ0時(shí)，Ej=Ej0=開關(guān)電平，將門電路打開，使計(jì)數(shù)脈沖通過，鑒相器還要鑒別相位差為正還是為負(fù)，以便實(shí)行加或減計(jì)數(shù)。在門電路打開后計(jì)數(shù)脈沖得以通過，一方面去計(jì)數(shù)器，另一方面控制相對相位基準(zhǔn)進(jìn)行移相，使Δθ→0。

具體工作過程如下：初始狀態(tài)：則：Δθ=θ-θ1=0

開始運(yùn)動：（不變），門打開，計(jì)數(shù)一次，同時(shí)使θ1→θ0使Δθ＝0，門關(guān)死。繼續(xù)運(yùn)動：門打開同時(shí)使：θ1→2θ0。使Δθ＝0。門關(guān)閉。波形示意圖數(shù)字式傳感器12/13/2023每出現(xiàn)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，相當(dāng)于位移引起的相位為θ0，若θ0＝1.8°，w＝2mm，則最小位移：數(shù)字式傳感器12/13/20232.鑒幅型測量系統(tǒng)：正弦振蕩器數(shù)/模轉(zhuǎn)換器匹配變壓器放大濾波轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器周期零點(diǎn)顯示可逆計(jì)數(shù)器譯碼.顯示鑒幅器（門檻電路）門電路時(shí)鐘脈沖發(fā)生器滑尺定尺數(shù)字式傳感器12/13/2023其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器由多抽頭正，余弦變壓器和電子開關(guān)組成，多抽頭正，余弦變壓器的工作原理見下圖：數(shù)字式傳感器12/13/2023變壓器的抽頭由最小分辨角即最小位移來確定，假使最小分辨角θ0＝1.8°，則每個(gè)抽頭對應(yīng)一個(gè)編號，當(dāng)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為某一值

j時(shí)，則對應(yīng)的第j個(gè)抽頭的輸出與匹配變壓器相連接，為滑尺繞組提供激磁電壓，這時(shí)定尺繞組輸出為：

當(dāng)滑尺與定尺相對位移X為0時(shí)，輸出E＝0，隨著位移的增加，

增加，輸出幅值Em增加，當(dāng)Δθ＝θ0時(shí)，幅值為某一值E0，經(jīng)鑒幅器提供一個(gè)開門電平，使門電路打開。計(jì)數(shù)脈沖通過門電路，使可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并使轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器加1或減1，（視或而定）

去控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電子開關(guān)將下一個(gè)抽頭接通，使輸出為零，門電路關(guān)死，停止計(jì)數(shù)，或又產(chǎn)生相對位移，上面工作過程重新進(jìn)行。數(shù)字式傳感器12/13/2023兩種工作方式的比較：無論那種方式，其精度都要受到感應(yīng)同步器的精度的限制。鑒相式采用脈沖移相，比較容易得到較高的細(xì)分；而鑒幅式的細(xì)分受到多抽頭變壓器的限制。因此，鑒相式的測量精度要高于鑒幅式，可達(dá)0.001mm/脈沖，而鑒幅式則只能達(dá)到0.01mm/脈沖。鑒相式的運(yùn)動速度受到激磁電壓的頻率限制，而鑒幅式的運(yùn)動速度則受制于電子開關(guān)及變壓器抽頭切換速度。數(shù)字式傳感器12/13/20236.3光電盤和編碼盤光電盤數(shù)字式傳感器光電盤是一種最簡單的光電式轉(zhuǎn)角測量元件。光電盤測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理如下頁圖“光電盤的工作原理”所示，它由光源、聚光鏡、光電盤、光欄板、光電管、整形放大電路和數(shù)字顯示裝置組成。12/13/2023數(shù)字式傳感器12/13/2023數(shù)字式傳感器12/13/2023光電盤和光欄板可用玻璃研磨拋光制成，經(jīng)真空鍍鉻后用照相腐蝕法在鍍鉻層上制成透光的狹縫，狹縫的數(shù)量可為幾百條或幾千條。也可用精制的金屬圓盤在其圓周上開出一定數(shù)量的等分槽縫，或在一定半徑的圓周上鉆出一定數(shù)量的小孔，使圓盤形成相等數(shù)量的透明和不透明區(qū)域。光欄板上有兩條透光的狹縫，縫距等于光電盤槽距或孔距的1/4，每條縫后面放一只光電管。數(shù)字式傳感器12/13/2023光電盤裝在回轉(zhuǎn)軸上，軸的另一端裝有齒輪，該齒輪與驅(qū)動齒輪或齒條嚙合時(shí)，可帶動光電盤旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)軸也可以直接被主軸或絲杠驅(qū)動。光電盤置于光源和光電管之間，當(dāng)光電盤轉(zhuǎn)動時(shí)，光電管把通過光電盤和光欄板射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大、分頻、計(jì)數(shù)和譯碼后輸出或顯示。由于光電盤每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)不變，故由脈沖數(shù)即可測出被測軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速。也可根據(jù)傳動裝置的速比換算出直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)的直線位移。根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號的先后順序，可以判別光電盤的旋轉(zhuǎn)方向。由于光電盤制造精度較低，只能測增量值，易受環(huán)境干擾，所以多用在簡易型和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。數(shù)字式傳感器12/13/2023數(shù)字式傳感器編碼盤是把被測轉(zhuǎn)角直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。2.編碼盤

12/13/2023光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。前頁圖所示為四位二進(jìn)制碼盤，碼盤上各圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑（圖中表示為紅色）白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個(gè)四位光電碼盤