傳感器與檢測技術(shù)第十一章數(shù)字式傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù)第十一章數(shù)字式傳感器第一節(jié) 光柵傳感器一、光柵的根本概念計(jì)量光柵由光源、光柵副、光敏元件三大局部組成，又稱為光柵測量裝置 1光柵的分類 1長光柵和圓光柵 2透射光柵和反射光柵3黑白光柵和閃耀光柵2光柵傳感器的組成 1光源:通常采用鎢絲燈泡和半導(dǎo)體發(fā)光器件 2光柵副:光柵副由標(biāo)尺光柵主光柵和指示光柵組成 3光電元件:光電元件一般包括有光電池和光敏三極管等種類 二、莫爾條紋及其測量原理 1長光柵的莫爾條紋1莫爾條紋的產(chǎn)生2莫爾條紋的參數(shù)3莫爾條紋的作用在光柵的適當(dāng)位置安裝光敏元件，能讓光敏元件“看清隨光柵刻線移動(dòng)所帶來的光強(qiáng)變化。 2莫爾條紋的測量原理1幅值光柵測量當(dāng)指示光柵相對于

2、光標(biāo)尺移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿其垂直方向上、下移動(dòng)。移過的莫爾條紋數(shù)等于移過的光柵的刻線數(shù)。沿著莫爾條紋的移動(dòng)方向放置四枚光電池，其間距為莫爾條紋的1/4，這樣就可產(chǎn)生相位差為90的四個(gè)信號。 2相位光柵測量2莫爾條紋的測量原理3莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn) 1誤差平均效應(yīng) 2移動(dòng)放大作用3方向?qū)?yīng)關(guān)系4倍頻提高精度5直接數(shù)字測量三、光柵測量系統(tǒng) 光柵測量系統(tǒng)由機(jī)械局部的光柵光學(xué)系統(tǒng)和電子局部的細(xì)分、辯向、顯示系統(tǒng)組成。1垂直透射式光路1-光源；2-準(zhǔn)直透鏡；3-主光柵；4-指示光柵；5-光電元件三、光柵測量系統(tǒng)2透射分光式光路1-光源；2-準(zhǔn)直透鏡；3-主光柵；4-指示光柵；5-透鏡；6-光闌；7-光電元件

3、3反射式光路 1-反射主光柵；2-指示光柵；3-場鏡；4-反射鏡；5-聚光鏡；6-光源；7-物鏡；8-光電電池4鏡象式光路1-光源；2-半透半反鏡；3-聚光鏡；4-主光柵；5-物鏡；6-反射鏡；7-光電元件2電子電路系統(tǒng)電子系統(tǒng)是完成光電接收系統(tǒng)接收來的電信號的處理的局部，是由細(xì)分電路、辯向電路和顯示系統(tǒng)組成的。1細(xì)分原理與電路細(xì)分方法可分為兩大類：機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分，我們這里只討論電子細(xì)分的幾種方法。 2辨向原理與電路2電子電路系統(tǒng)四、光柵測量系統(tǒng)的應(yīng)用 高精度：m/m，僅次于激光；高分辨率：m；大量程：可大于1米；抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量。光柵測量可以廣泛的用于長度與角度的精細(xì)測量如數(shù)

4、控機(jī)床，測量機(jī)等，以及能變?yōu)槲灰频奈锢砹咳缯饎?dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變等。 第二節(jié) 磁柵傳感器一、磁柵及其分類1磁柵的構(gòu)造長磁柵常用的磁信號節(jié)距一般為和兩種，圓磁柵的角節(jié)距一般為幾分至幾十分。 一、磁柵及其分類2磁柵的類型磁柵可分為長磁柵和圓磁柵兩大類。前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。長磁柵又可分為尺型、帶型和同軸型三種。 一、磁柵及其分類3對磁柵的要求對磁尺外表要求長磁柵平直度，圓磁柵的不圓度，外表粗糙度要小。所錄磁信號要求幅度均勻，幅度變化小于10%，節(jié)距均勻，滿足一定精度要求。二、磁頭及其構(gòu)造磁柵上的磁信號先由錄磁頭錄好，然后由讀磁頭將磁信號讀出。按讀取信號的方式，讀磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭與靜

5、態(tài)磁頭兩種 二、磁頭及其構(gòu)造1動(dòng)態(tài)磁頭1動(dòng)態(tài)磁頭構(gòu)造2動(dòng)態(tài)磁頭的信號讀取2靜態(tài)磁頭1靜態(tài)磁頭構(gòu)造2靜態(tài)磁頭的信號讀取二、磁頭及其構(gòu)造二、磁頭及其構(gòu)造3多間隙靜態(tài)磁頭構(gòu)造三、信號處理方式與電路1動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭利用磁柵與磁頭之間以一定的速度相對移動(dòng)而讀出磁柵上的信號，將此信號進(jìn)展處理后使用。例如某些動(dòng)態(tài)絲杠檢查儀，就是利用動(dòng)態(tài)磁頭讀取磁尺上的磁信號，作為長度基準(zhǔn)，去同圓光柵盤或磁盤上讀取的圓基準(zhǔn)信號進(jìn)展相位比較，以檢測絲杠的情度。2靜態(tài)磁頭磁柵位移傳感器的構(gòu)造示意圖 三、信號處理方式與電路1鑒幅方式經(jīng)檢波器去掉高頻載波后可得：兩組磁頭相對于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正弦和余弦信號，此兩個(gè)電壓相位

6、差90的信號送有關(guān)電路進(jìn)展細(xì)分和辨向后輸出計(jì)數(shù)。 三、信號處理方式與電路2鑒相方式將第一個(gè)磁頭的勵(lì)磁電流移相45或?qū)⑵渥x出信號輸出移相90，那么其輸出變?yōu)椋?輸出電壓u的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置變化而變。即，相位與位移量x有關(guān)。 三、信號處理方式與電路四、磁柵傳感器的應(yīng)用 磁柵傳感器特點(diǎn) ：錄制方便，本錢低廉。當(dāng)發(fā)現(xiàn)所錄磁柵不適宜時(shí)可抹去重錄，使用方便，可在儀器或機(jī)床上安裝后再錄制磁柵，因而可防止安裝誤差；可方便地錄制任意節(jié)距的磁柵。例如檢查蝸桿時(shí)希望基準(zhǔn)量中含有因子，可在節(jié)距中考慮。圖中400kHz晶體振蕩器是磁頭勵(lì)磁及系統(tǒng)邏輯判別的信號源。鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖 第三節(jié)

7、數(shù)字編碼器 第三節(jié) 數(shù)字編碼器數(shù)字傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類。計(jì)數(shù)型又稱脈沖計(jì)數(shù)型，它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可以對輸入量進(jìn)展計(jì)數(shù)。 代碼型傳感器即絕對值式編碼器，它輸出的信號是二進(jìn)制數(shù)字代碼，每一代碼相當(dāng)于一個(gè)一定的輸入量之值。 一、接觸式碼盤編碼器1接觸式碼盤編碼器構(gòu)造與工作原理接觸式四位二進(jìn)制碼盤 1誤差的產(chǎn)生8-4-2-1碼制的碼盤，由于電刷安裝不可能絕對準(zhǔn)確必然存在機(jī)械偏差，這種機(jī)械偏差會產(chǎn)生非單值誤差。 2采用循環(huán)碼格雷碼采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。特點(diǎn)是任意一個(gè)半徑徑線上只可能一個(gè)碼道上會有數(shù)碼的改變，這一特點(diǎn)就可以防止制造或安裝

8、不準(zhǔn)確而帶來的非單值誤差。 2誤差的產(chǎn)生與消除方法3采用掃描法掃描法有V掃描、U掃描以及M掃描三種。它是在最低值碼道上安裝一電刷，其他位碼道上均安裝兩個(gè)電刷：一個(gè)電刷位于被測位置的前邊，稱為超前電刷；另一個(gè)放在被測位置的后邊，稱為滯后電刷。2誤差的產(chǎn)生與消除方法掃描法碼盤和電刷 2誤差的產(chǎn)生與消除方法掃描法讀出電路 2誤差的產(chǎn)生與消除方法二、光電式編碼器光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。按編碼器的不同讀數(shù)方法、刻度方法及信號輸出形式，可分為絕對編碼器、增量編碼器以及混合式編碼器三

9、種。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式的。因此，它的使用壽命長，可靠性高。二、光電式編碼器光電編碼器原理示意圖1光電式碼盤編碼器1構(gòu)造和工作原理2用插值法提高分辨率a四位二進(jìn)制的碼盤； b帶判位光電裝置的四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤1光電式碼盤編碼器 用插值法提高分辨率的光電編碼器2光電式脈沖盤編碼器1構(gòu)造和工作原理基于脈沖盤式編碼器的數(shù)字傳感器 2旋轉(zhuǎn)方向的判別碼盤辨向原理圖 三、光電編碼傳感器應(yīng)用 1構(gòu)造與工作原理2細(xì)分技術(shù)原理編碼鋼帶 三、光電編碼傳感器應(yīng)用 插值細(xì)分示意圖 三、光電編碼傳感器應(yīng)用 第四節(jié) 感應(yīng)同步器 第四節(jié) 感應(yīng)同步器按其用途可分為兩大類：測量直線位移的線位移感應(yīng)同步器；測量角位移的

10、圓盤感應(yīng)同步器。一、感應(yīng)同步器的類型與構(gòu)造1直線形感應(yīng)同步器直線形感應(yīng)同步器按其使用的精度、測量尺寸的范圍和安裝的條件不同，又可以設(shè)計(jì)制造成不同形狀和種類的感應(yīng)同步器。標(biāo)準(zhǔn)形感應(yīng)同步器又叫直線形標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器，由定尺與滑尺組成，兩尺基板上都印有繞組。定尺繞組是由尺上配置連續(xù)型繞組；滑尺繞組是由兩組繞組正弦和余弦繞組構(gòu)成。窄型直線形感應(yīng)同步器構(gòu)造與標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器的構(gòu)造根本一樣，其不同點(diǎn)是狹一點(diǎn)。其精度較低。二、直線式感應(yīng)同步器的工作原理 1載流線圈所產(chǎn)生的磁場載流線圈所產(chǎn)生的磁場 二、直線式感應(yīng)同步器的工作原理2直線式感應(yīng)同步器的根本構(gòu)造直線式感應(yīng)同步器的構(gòu)造 直線式感應(yīng)同步器的繞組構(gòu)造 二

11、、直線式感應(yīng)同步器的工作原理3直線式感應(yīng)同步器的工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)滑尺繞組勵(lì)磁繞組被正弦電壓勵(lì)磁，將產(chǎn)生同頻率的交邊磁通，這個(gè)交變磁通與定尺繞組感應(yīng)繞組耦合，在感應(yīng)繞組上產(chǎn)生同頻率的交變電動(dòng)勢。這個(gè)電動(dòng)勢的的幅值除了與勵(lì)磁頻率、感應(yīng)繞組耦合的導(dǎo)體組、耦合長度、勵(lì)磁電流、兩繞組間隙有關(guān)之外，還與兩繞組的相對位置有關(guān)。三、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的工作原理a定子繞組；b轉(zhuǎn)子繞組 1-有效導(dǎo)體；2-內(nèi)端部；3-外端部四、感應(yīng)同步器信號處理與應(yīng)用 從勵(lì)磁方式來說，可分為：滑尺勵(lì)磁，由定尺輸出感應(yīng)電動(dòng)勢信號；定尺勵(lì)磁，由滑尺輸出感應(yīng)電動(dòng)勢信號。 對輸出感應(yīng)電動(dòng)勢信號的處理方式不同，可把感應(yīng)同步器的檢測系統(tǒng)分成相位工作狀態(tài)和幅值工作狀態(tài)，它們的特征是有輸出感應(yīng)電動(dòng)勢的相位和幅值來進(jìn)展處理。 鑒幅處理：根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值來鑒別位移。采用同頻率、同相位、不同幅值的交流電壓，對感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組進(jìn)展勵(lì)磁，就可以根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值來鑒別定滑尺間的相對位移值，這就叫做感應(yīng)同步器輸出信號的鑒幅處理。作業(yè)與思考題 1莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？它具有哪些特性？2在精細(xì)車床上使用刻線為5400條/周圍光柵作長度檢測時(shí)，其檢測精度為，問該車床絲桿的螺距為多少？3試分析四倍頻電路，當(dāng)傳感器做反向移動(dòng)時(shí)，其輸出脈沖的狀況畫圖表示之，該電路的作用是什么？4動(dòng)態(tài)讀磁頭與