第8章 數(shù)字量傳感器及應(yīng)用

第8章數(shù)字量傳感器及應(yīng)用知識(shí)目標(biāo)通過(guò)本課題的學(xué)習(xí)，要求熟悉常用的數(shù)字式傳感器基本結(jié)構(gòu)，了解數(shù)字式傳感器的基本工作原理，了解對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的方法。技能目標(biāo)通過(guò)本課題的學(xué)習(xí)，要求掌握數(shù)字式傳感器的特性，正確操作和維護(hù)數(shù)字式傳感器。8.1柵式數(shù)字傳感器

光柵式傳感器實(shí)際上是光電式傳感器的一個(gè)特殊應(yīng)用。它利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，把光柵作為測(cè)量元件，具有結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床和儀器的精密定位或長(zhǎng)度、速度、加速度、振動(dòng)測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。8.1.1光柵的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)圖8-2光柵刻線

1.長(zhǎng)光柵

按柵線形狀的不同，長(zhǎng)光柵可分為黑白光柵和閃耀光柵。圖8-3黑白光柵圖8-4閃耀光柵刻線斷面2.圓光柵

圖8-5圓光柵8.1.2光柵的工作原理1.莫爾條紋計(jì)量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。主光柵的刻線一般比指示光柵長(zhǎng)，如圖8-6所示。若將兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個(gè)很小的角度θ，由于遮光效應(yīng)，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋。圖8-6光柵與莫爾條紋示意圖（θ≠0）2.莫爾條紋的特點(diǎn)⑴放大作用由式8-1可知，θ越小，B越大，這相當(dāng)于把柵距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度B是柵距W的573倍，相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說(shuō)明光柵具有位移放大作用，從而提高了測(cè)量的靈敏度。⑵平均效應(yīng)莫爾條紋由大量的光柵柵線共同形成，所以對(duì)光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過(guò)莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身柵線的刻劃精度還要高。⑶運(yùn)動(dòng)方向當(dāng)兩光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者運(yùn)動(dòng)方向垂直）；光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖8-6中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則向上移動(dòng)。⑷對(duì)應(yīng)關(guān)系兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的亮帶與暗帶將順序自上而下不斷掠過(guò)光敏元件。⑸莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)等于光柵移過(guò)的柵線數(shù)圖8-7光柵位移與光強(qiáng)關(guān)系8.1.3.光柵式傳感器的測(cè)量電路1.光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換裝置（光柵讀數(shù)頭）主要由主光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成，如圖8-8所示。圖8-8光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖圖8-9光電元件輸出波形2.辨向原理

3.細(xì)分技術(shù)

8.2數(shù)字編碼器編碼器主要分為脈沖盤(pán)式和碼盤(pán)式兩大類(lèi)。脈沖盤(pán)式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。碼盤(pán)式編碼器也稱為絕對(duì)編碼器，它將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機(jī))聯(lián)接。碼盤(pán)式編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼。8.2.1接觸式碼盤(pán)編碼器1.結(jié)構(gòu)與工作原理圖8-12接觸式四位二進(jìn)制碼盤(pán)2.消除非單值誤差的辦法⑴采用循環(huán)碼(格雷碼)循環(huán)碼盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖8-12(b)所示。采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。⑵掃描法掃描法有V掃描、U掃描以及M掃描三種。8.2.2光電式編碼器圖8-13光電編碼器示意圖8.2.3電磁式編碼器圖8-14磁編碼器的基本結(jié)構(gòu)8.2.4脈沖盤(pán)式數(shù)字傳感器脈沖盤(pán)式編碼器又稱為增量編碼器。增量編碼器一般只有三個(gè)碼道，它不能直接產(chǎn)生編碼輸出，故它不具有絕對(duì)碼盤(pán)碼的含義，這是脈沖盤(pán)式編碼器與絕對(duì)編碼器的不同之處。1.增量編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理圖8-15脈沖盤(pán)式編碼器示意圖2.旋轉(zhuǎn)方向的判別圖8-16辨向原理8.3感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。按其用途可分為兩大類(lèi)：(1)測(cè)量直線位移的線位移感應(yīng)同步器；(2)測(cè)量角位移的圓盤(pán)感應(yīng)同步器。直線式感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床及其它機(jī)床的定位、數(shù)控和數(shù)顯。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于精密機(jī)床或測(cè)量?jī)x器的分度裝置等，也用于雷達(dá)天線定位跟蹤。8.3.1直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理1.載流線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)圖8-17載流線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布示意圖圖8-18探測(cè)線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2.直線式感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)圖8-19繞組結(jié)構(gòu)3.線式感應(yīng)同步器的工作原理圖8-20感應(yīng)同步器工作原理圖4.直線感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的檢測(cè)

⑴鑒相型—根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位來(lái)鑒別位移量當(dāng)正弦繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)，設(shè)勵(lì)磁電壓定尺繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（8-3）當(dāng)余弦繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁電壓定尺繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：（8-4）式中k—電磁耦合系數(shù)；θ—機(jī)械位移相位角（機(jī)械角），單位為rad。當(dāng)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定尺輸出的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（8-5）當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定尺輸出的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為（8-6）⑵鑒幅型8.3.2旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器（圓感應(yīng)同步器）圖8-21旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器定子和轉(zhuǎn)子8.3.3感應(yīng)同步器位移測(cè)量系統(tǒng)8.4頻率式數(shù)字傳感器頻率式傳感器體積小、重量輕、分辨率高，由于傳輸?shù)男盘?hào)是一列脈沖信號(hào)，所以具有數(shù)字化技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)，是傳感器技術(shù)發(fā)展的方向之一。頻率式傳感器基本上有三種類(lèi)型：(1)利用力學(xué)系統(tǒng)固有頻率的變化反映被測(cè)參數(shù)的值。(2)利用電子振蕩器的原理,使被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為振蕩器的振蕩頻率的改變。(3)將被測(cè)非電量先轉(zhuǎn)換為電壓量,然后再用此電壓去控制振蕩器的振蕩頻率,稱壓控振蕩器。8.4.1改變力學(xué)系統(tǒng)固有頻率的頻率傳感器

圖8-23振弦張力傳感器8.4.2.RC振蕩器式頻率傳感器圖8-24RC振蕩式頻率傳感器8.4.3壓控振蕩器式頻率傳感器

圖8-25熱電偶?jí)嚎卣袷幤?.4.4頻率式傳感器的基本測(cè)量電路

圖8-26頻率式傳感器的基本測(cè)量電路本章小結(jié)常用的數(shù)字式傳感器有四大類(lèi)：柵式數(shù)字傳感器、編碼器式數(shù)字傳感器、頻率/數(shù)字輸出式數(shù)字傳感器和感應(yīng)同步器式數(shù)字傳感器。計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類(lèi)，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。它利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，把光柵作為測(cè)量元件，具有結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。編碼器主要分為脈沖盤(pán)式和碼盤(pán)式兩大類(lèi)。脈沖盤(pán)式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。碼盤(pán)式編碼器也稱為絕對(duì)編碼器，它將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機(jī))聯(lián)接。碼盤(pán)式編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。按其用途可分為兩大類(lèi)：(1)測(cè)量直線位移的線位移感應(yīng)同步器；(2)測(cè)量角位移的圓盤(pán)感應(yīng)同步器。直線式感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床及其它機(jī)床的定位、數(shù)控和數(shù)顯。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于精密機(jī)床或測(cè)量?jī)x器的分度裝置等，也用于雷達(dá)天線定位