測(cè)試第4章數(shù)字傳感器(清華版)2015

４.５數(shù)字傳感器數(shù)字傳感器的特點(diǎn)：輸出為編碼、數(shù)字或脈沖。具有高的測(cè)量精度和分辨力，讀數(shù)直觀精確。測(cè)量行程范圍大，直線位移可達(dá)數(shù)米。易于實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)測(cè)量。采用高電平數(shù)字信號(hào)時(shí)，對(duì)外部干擾（噪音）的抑制能力強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)接口，安裝方便，使用維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性強(qiáng)。光柵傳感器感應(yīng)同步器碼盤一、

碼盤

1、構(gòu)成：分為機(jī)械式、光電式、磁電式。由金屬或玻璃圓盤構(gòu)成。圓盤上分布若干個(gè)同心圓和扇區(qū)，用以定位角度,實(shí)現(xiàn)角度或角位移的測(cè)量。刻劃精度0.5um線條1um

2、基本工作原理圓盤被分成N個(gè)碼道（同心圓），2n個(gè)扇區(qū)（等分角度）。扇區(qū)與碼道的重合的區(qū)域位置按2進(jìn)制編碼或其他方式（循環(huán)碼也叫格雷碼）編碼。外碼道為2進(jìn)制編碼低位，內(nèi)碼道為高位。角度分辨力為

每個(gè)碼道安裝一個(gè)敏感元件，實(shí)時(shí)讀出碼盤位置編碼。應(yīng)用：角位置測(cè)量，用于機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角位置測(cè)量等。典型應(yīng)用于凸輪軸測(cè)量上。十進(jìn)制數(shù)自然二進(jìn)制數(shù)格雷碼000000000100010001200100011300110010401000110501010111601100101701110100810001100910011101101010111111101111101211001010131101101114111010011511111000為了減少角位置變化時(shí)產(chǎn)生讀數(shù)錯(cuò)誤，碼盤的編碼方式也可以采用格雷碼。格雷碼與二進(jìn)制編碼的區(qū)別是相鄰兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)的編碼只有一位發(fā)生變化。因此格雷碼也叫循環(huán)碼。

二進(jìn)制編碼變?yōu)楦窭状a的公式：Gn-1=Bn-1Gi=Bi⊕Bi-1⊕表示不進(jìn)位加。

二、

光柵

１、光柵傳感器的構(gòu)成及原理(１)光柵的構(gòu)成： 透射光柵：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。 反射光柵：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。 利用光柵的一些特點(diǎn)可進(jìn)行線位移和角位移的測(cè)量。測(cè)量線位移的光柵為矩形并隨被測(cè)長(zhǎng)度增加而加長(zhǎng)，稱之為長(zhǎng)光柵；而測(cè)量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。

(２)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。

當(dāng)兩塊光柵成一定角度互相重疊，可形成莫爾條紋。（３）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，形成一條暗帶，使光線透不過(guò)去；而亮條與亮條重合的地方，形成一條亮帶，

部分光線得以通過(guò)。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度B，是指兩塊光柵刻線構(gòu)成的菱形對(duì)角線。

根據(jù)幾何圖形，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。（４）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(duì)光柵的刻線誤差有平均作用。②對(duì)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(duì)左右移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋上下或下上移動(dòng)一個(gè)節(jié)距B，因此，可以通過(guò)檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)條數(shù)和方向來(lái)判斷兩光柵相對(duì)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(zhǎng)光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，

θ=0.5=0.5/180*3.14=0.009弧度，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)。（５）光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

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。對(duì)于線位移測(cè)量，兩塊光柵長(zhǎng)短不等，長(zhǎng)的隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)，稱為標(biāo)尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測(cè)量角位移時(shí)，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。

長(zhǎng)光柵光柵結(jié)構(gòu)：圓光柵光柵結(jié)構(gòu)：２、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(hào)波形當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)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(hào)周期變化。

輸出信號(hào)Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]

輸出信號(hào)

Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]

式中，2π/W為空間角頻率，W為柵距（信號(hào)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(cè)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(duì)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(hào)還存在兩個(gè)問(wèn)題：①辨向問(wèn)題：用一個(gè)光電元件元法辨別運(yùn)動(dòng)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(wèn)題呢？（２）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），當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)兩個(gè)信號(hào)的相位差反映出來(lái)。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(dòng)方向。1234正向脈沖反向脈沖H1H2差動(dòng)放大差動(dòng)放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8(３)細(xì)分技術(shù)（解決精度問(wèn)題）

——四倍頻辨相電路硅光電池反向反向ABCDA'C'B'D'

圖中四個(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(hào)sin和cos，經(jīng)整型等到方波信號(hào)，再反相得到A,B,C,D四路方波信號(hào)，將四路方波信號(hào)再微分，得到四個(gè)脈沖。

當(dāng)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由正向上升沿微分得到正向脈沖，經(jīng)邏輯列輸出；反之亦然。一種方法，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)光柵刻線為100線/mm時(shí)，w=10um，分辨力提高為2.5um，即脈沖當(dāng)量為2.5um。當(dāng)w=0.004um（250線/mm）,其分辨力可為1um。

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(hào)和反向位移脈沖信號(hào)。

將A,B,C,D與光柵傳感器應(yīng)用三、感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器也是一種用來(lái)測(cè)量位移量的數(shù)字式傳感器，他的工作原理與變壓器的工作原理類似。１、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，兩個(gè)繞組相當(dāng)于變壓器的兩個(gè)線圈。感應(yīng)同步器分為：直線感應(yīng)同步器，用來(lái)測(cè)量位移，兩個(gè)繞組分為定尺繞組和滑尺繞組。圓感應(yīng)同步器，用來(lái)測(cè)量角位移。兩個(gè)繞組分為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。定尺（長(zhǎng)尺）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(hào)?；撸ǘ坛撸┑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(chǎng)。定尺滑尺直線感應(yīng)同步器定滑尺

通用型前置放大器，激磁匹配器

感應(yīng)同步器數(shù)顯表園感應(yīng)同步器定滑尺

當(dāng)定尺和滑尺相對(duì)產(chǎn)生位移時(shí)，兩繞組間的耦合狀態(tài)發(fā)生變化，這時(shí)，在定尺上感應(yīng)出一個(gè)與位移有關(guān)的電壓信號(hào)，由此可以測(cè)定位移量的大小。定尺繞組的節(jié)距為w2=2(a2+b2),相當(dāng)于空間角2π?；邇衫@組（正弦繞組，余弦繞組）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的空間相位相當(dāng)于定尺正弦繞組滑尺余弦繞組２、工作原理以直線感應(yīng)同步器為例，當(dāng)兩繞組位置相對(duì)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(shì)，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，則滑尺激磁繞組可假設(shè)為純電阻，則激磁電流為：,所以有K稱為電磁耦合系數(shù)ABCDE正弦繞組激磁下的定尺輸出ABCDE滑尺位于A點(diǎn)：這時(shí)兩繞組完全重合，通過(guò)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(shì)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(shì)相互抵消為零?；呶挥贑點(diǎn)：滑尺與定尺重合，但感應(yīng)電勢(shì)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(shì)為零。E點(diǎn)：感應(yīng)電勢(shì)又變?yōu)樽畲?，輸出變化一周期。余弦繞組激磁下的定尺輸出因此，對(duì)于正弦繞組激磁而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的大小為：cosθ為位置系數(shù)，同理，可推出對(duì)于余弦繞組激磁而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：而總電勢(shì)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(shì)↑；但激磁電壓↑，電流i

增大，太大引起發(fā)熱，甚至不能正常工作。V=1～2V。所以，定尺輸出為一余弦波。同理，余弦繞組激磁時(shí)，定尺輸出為反向正弦波。３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工作方式和鑒幅型工作方式，分別根據(jù)定尺輸出的相位或幅值變化測(cè)量位移。（１）鑒相型工作方式－通過(guò)輸出電壓相位變化來(lái)測(cè)量位移。激磁方式：對(duì)滑尺的正余弦繞組分別供以幅值、頻率相同，但相位相差90°的交 流信號(hào)。這時(shí)總電勢(shì)為：

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(hào)的相位發(fā)生變化。由上述討論可知，輸出信號(hào)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，ω↑→輸出幅值↑→測(cè)量速度↑，且可使測(cè)量速度提高。若激磁頻率過(guò)高，則導(dǎo)致感抗增加，容抗減小，使測(cè)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(duì)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(hào)的相位變化一個(gè)周期，可以將周期信號(hào)整形為方波，再形成計(jì)數(shù)脈沖，采用累加計(jì)數(shù)的算法求總的位移量。四，感應(yīng)同步器位移－數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器絕對(duì)相位基準(zhǔn)（分頻器）相對(duì)相位基準(zhǔn)（脈沖移相器）絕對(duì)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(cè)量系統(tǒng)各部分作用：時(shí)鐘脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生一定頻率的脈沖，一般節(jié)距w＝2mm時(shí)，可采用4mHz的晶振。絕對(duì)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(hào)，分別送給滑尺的正余弦繞組。定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)E=KωVmCOS(ωt－θ)，經(jīng)放大，濾波整形送給鑒相器，送鑒相器的有效信號(hào)為

相對(duì)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）。它是將加減脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)相位基準(zhǔn)輸出信號(hào)的相位變化，然后將其相位信息θ給鑒相器。鑒相器：用來(lái)判別感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)E與相對(duì)相位基準(zhǔn)電流輸出之間相差的大小，其理想輸入輸出特性曲線見(jiàn)右圖：鑒相器的輸出控制一個(gè)門電路Δθ=θ-θ1，可以根據(jù)測(cè)量精度設(shè)計(jì)Δθ=θ0時(shí)，Ej=Ej0=開(kāi)關(guān)電平，將門電路打開(kāi)，使計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)。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(kāi)后技術(shù)脈沖通過(guò)，一方面看計(jì)數(shù)器，另一方面控制相對(duì)相位基準(zhǔn)實(shí)行移相，使Δθ→0。具體工作過(guò)程如下：初始狀態(tài)：則：Δθ=θ-θ1=0

開(kāi)始運(yùn)動(dòng)：（不變），門打開(kāi)，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(dòng)：門打開(kāi)，計(jì)數(shù)一次。同時(shí)使：θ1→2θ0。使Δθ＝0。門關(guān)閉。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：（２）鑒幅型工作方式－通過(guò)輸出電壓幅值變化來(lái)測(cè)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，但幅值不同（按正，余弦規(guī)律變化）的交流電壓。

可見(jiàn)，當(dāng)激磁電壓不變，固定，則輸出信號(hào)幅值與相對(duì)位移x有關(guān)，

2.鑒幅型測(cè)量系統(tǒng)：正余弦信號(hào)發(fā)生器放大濾波可逆計(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sin900/cos001.0000Vmsin88.20/co1.8