傳感器與檢測技術-數(shù)字式傳感器及應用

數(shù)字式傳感器及應用2023/10/31引言信號的檢測、控制和處理已進入到數(shù)字化時代。通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用微機和其他數(shù)字設備進行處理，這種方法簡便易行，但系統(tǒng)的構成也很復雜。數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問題而出現(xiàn)的，它能把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。目前，常用的數(shù)字式傳感器有4大類：（1）柵式數(shù)字傳感器；（2）編碼器式數(shù)字傳感器；（3）頻率/數(shù)字輸出式數(shù)字傳感器；（4）感應同步器式數(shù)字傳感器。2023/10/32主要章節(jié)10.1柵式數(shù)字傳感器10.2編碼器10.3感應同步器10.4頻率式數(shù)字傳感器2023/10/3310.1柵式數(shù)字傳感器根據(jù)工作原理，可分為光柵和磁柵兩種。光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構成的光電器件。按其原理和用途，分為物理光柵和計量光柵。物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測量位移、速度、加速度、振動等物現(xiàn)量。計量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，具體制作時又可制作成線位移的長光柵和角位移的圓光柵。本節(jié)主要介紹透射式的長度計量光柵。它是利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，把光柵作為測量元件，具有結構原理簡單、測量精度高等優(yōu)點，在數(shù)控機床和儀器的精密定位或長度、速度、加速度、振動測量等方面得到了廣泛應用。2023/10/3410.1.1光柵的類型和結構在計量工作中應用的光柵稱為計量光柵。從光柵的光線走向來看，可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類。透射式光柵一般用光學玻璃做基體，在其上均勻地刻劃上等間距、等寬度的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。反射式光柵用不銹鋼做基體，在其上用化學方法制作出黑白相間的條紋，形成強反光區(qū)和不反光區(qū)。2023/10/35尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結構防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵2023/10/36掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結構（續(xù)）2023/10/37

光柵刻線2023/10/38計量光柵按其形狀和用途分類長光柵又稱為光柵尺，用于長度或直線位移的測量。圓光柵又稱為光柵盤，用來測量角度或角位移。2023/10/39長光柵黑白光柵

閃耀光柵刻線斷面閃耀光柵是對入射光波的相位進行調(diào)制，也稱為相位光柵，按其刻線的斷面形狀可分為對稱和不對稱兩種。2023/10/310圓光柵圓光柵的兩條相鄰柵線的中心線之間的夾角稱為角節(jié)距，每周的柵線數(shù)從較低精度100線到高精度等級的21

600線不等2023/10/31110.1.2光柵的工作原理計量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。它們是在一塊長條形光學玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線。主光柵的刻線一般比指示光柵長。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很小的角度θ，由于遮光效應，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光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。1．長光柵的莫爾條紋2023/10/312莫爾條紋演示2023/10/313光柵與莫爾條紋示意圖當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個W，莫爾條紋也移動一個間距B。θ越小，則B越大。2023/10/3142.橫向莫爾條紋的特點（1）放大作用光柵具有位移放大作用，提高了測量的靈敏度。（2）平均效應莫爾條紋由大量的光柵柵線共同形成，所以對光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過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。（3）運動方向2023/10/315光柵位移與光強關系4）對應關系兩塊光柵沿柵線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋的亮帶與暗帶將順序自上而下不斷掠過光敏元件。光敏元件接受到的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。2023/10/316（5）莫爾條紋移過的條紋數(shù)等于光柵移過的柵線數(shù)例如采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（即移過了100x條光柵柵線），則從光電元件前掠過的莫爾條紋數(shù)也為100x條。由于莫爾條紋間距比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件識別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可知道移動的實際位移。2023/10/31710.1.3光柵式傳感器的測量電路計量光柵作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成相應的電信號；光柵數(shù)顯表是實現(xiàn)細分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。2023/10/3181.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。1—光源2—透鏡3—主光柵4—指示光柵5—光電元件2023/10/319輸出電壓反映了位移量的大小莫爾條紋是一個明暗相間的光帶。兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗、漸亮、最亮、漸暗直到最暗的漸變過程。主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)，如以電壓輸出，即

2023/10/320光電元件輸出波形2023/10/3212.辨向原理光柵是正向移動還是反向移動，莫爾條紋都做明暗交替變化，光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號，此信號只能計數(shù)，不能辨向。為此，必須設置辨向電路。2023/10/322辨向電路3.細分技術為了提高分辨力，可以采用增加刻線密度的方法來減少柵距，但這種方法受到制造工藝或成本的限制。另一種方法是采用細分技術，可以在不增加刻線數(shù)的情況下提高光柵的分辨力，在光柵每移動一個柵距，莫爾條紋變化一周時，不只輸出一個脈沖，而是輸出均勻分布的n個脈沖，從而使分辨力提高到W/n。由于細分后計數(shù)脈沖的頻率提高了，因此細分又叫做倍頻。2023/10/324細分的方法直接細分，細分數(shù)為4，所以又稱四倍頻細分。實現(xiàn)的方法有兩種：2023/10/325四倍頻細分原理2023/10/326光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）2023/10/327安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部2023/10/32810.2編碼器將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類。碼盤式編碼器按其結構可分為接觸式、光電式和電磁式3種，后兩種為非接觸式編碼。2023/10/32910.2.1接觸式碼盤編碼器接觸式碼盤編碼器由碼盤和電刷組成，適用于角位移測量。碼盤利用制造印刷電路板的工藝，在銅箔板上制作某種碼制（如8421碼、循環(huán)碼等）圖形的盤式印刷電路板。電刷是一種活動觸頭結構，在外界力的作用下，旋轉(zhuǎn)碼盤時，電刷與碼盤接觸處就產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出1．結構與工作原理2023/10/330接觸式四位二進制碼盤2023/10/3312．消除非單值誤差的辦法（1）采用循環(huán)碼（格雷碼）循環(huán)碼盤結構，采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。（2）掃描法掃描法有V掃描、U掃描以及M掃描3種。2023/10/33210.2.2光電式編碼器接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。2023/10/333光電編碼器示意圖1—光源2—透鏡3—碼盤

4—窄縫5—光電元件組2023/10/33410.2.3電磁式編碼器主要由磁鼓與磁阻探頭組成。多極磁鼓常用的有兩種：一種是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入適當?shù)恼澈蟿?，注塑成型；另一種是在鋁鼓外面覆蓋一層黏結磁性材料而制成。多極磁鼓產(chǎn)生的空間磁場由磁鼓的大小和磁層厚度決定，磁阻探頭由磁阻元件通過微細加工技術而制成，磁阻元件電阻值僅和電流方向成直角的磁場有關，而與電流平行的磁場無關。2023/10/335電磁編碼器的基本結構1—磁鼓2—氣隙3—磁敏傳感部件4—磁敏電阻電磁式編碼器由于精度高，壽命長，工作可靠，對環(huán)境條件要求較低，但成本較高。2023/10/33610.2.4脈沖盤式數(shù)字傳感器脈沖盤式編碼器又稱為增量編碼器。增量編碼器一般只有3個碼道，它不能直接產(chǎn)生編碼輸出，故它不具有絕對碼盤碼的含義，這是脈沖盤式編碼器與絕對編碼器的不同之處。2023/10/3371.增量編碼器的結構和工作原理增量編碼器的圓盤上等角距地開有兩道縫隙，內(nèi)外圈（A、B）的相鄰兩縫錯開半條縫寬，另外在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外）開有一狹縫，表示碼盤的零位。在它們相對的兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件增量編碼器的精度和分辨率與絕對編碼器一樣，主要取決于碼盤本身的精度。2023/10/338脈沖盤式編碼器示意圖2023/10/3392.旋轉(zhuǎn)方向的判別碼盤無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的增量，故這種測量稱為增量法。2023/10/340辨向原理2023/10/34110.3感應同步器按其用途可分為兩大類：（1）測量直線位移的線位移感應同步器；（2）測量角位移的圓盤感應同步器。直線式感應同步器廣泛應用于坐標鏜床、坐標銑床及其他機床的定位、數(shù)控和數(shù)顯。旋轉(zhuǎn)式感應同步器常用于精密機床或測量儀器的分度裝置等，也用于雷達天線定位跟蹤。2023/10/342感應同步器類型和特性類型特性直線式同步器標準型精度高、可擴展，用途最廣窄型精度較高，用于安裝位置不寬敞的地方，可擴展帶型精度較低，定尺長度達3m以上，對安裝面要求精度不高旋轉(zhuǎn)式同步器精度高，極數(shù)多，易于誤差補償，精度與極數(shù)成正比2023/10/34310.3.1直線式感應同步器的結構和工作原理感應同步器是應用電磁感應定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。它的基本結構由兩個平面矩形線圈組成，它們相當于變壓器的初、次級繞組，通過這兩個繞組間的互感值隨位置變化來檢測位移量。2023/10/3441.載流線圈所產(chǎn)生的磁場矩形載流線圈中通過直流電流I時的磁場分布示意圖2023/10/345探測線圈內(nèi)的感應電動勢2023/10/3462.直線式感應同步器的基本結構由定尺和滑尺兩部分組成，定尺和滑尺可利用印刷電路板的生產(chǎn)工藝，用覆銅板制成。滑尺上有兩個繞組，一個是正弦繞組1—1

，另一個是余弦繞組2—2

，彼此相距π/2或3π/4。當定尺柵距為W2時，滑尺上的兩個繞組間的距離L1應滿足如下關系：L1=（n/2+1/4）W2。n=0時相差π/2，n=1時相差3π/4，n=2時相差5π/4。2023/10/347感應同步器的繞組結構3.直線式感應同步器的工作原理滑尺上的正弦繞組和余弦繞組相對于定尺繞組在空間錯開1/4節(jié)距，工作時，當在滑尺兩個繞組中的任一繞組加上激勵電壓時，由于電磁感應，在定尺繞組中會感應出相同頻率的感應電壓，通過對感應電壓的測量，可以精確地測量出位移量。2023/10/349感應同步器工作原理圖2023/10/3504.直線感應同步器輸出信號的檢測由感應同步器組成的檢測系統(tǒng)，可以采取不同的勵磁方式，對輸出信號采用不同的處理方法。從勵磁方式來說，可分類兩大類：一類是以滑尺（或定子）為勵磁，由定尺（或轉(zhuǎn)子）取出感應電勢信號；另一類以定尺為勵磁，由滑尺取出感應電勢信號。目前使用最多的是第1類勵磁方式。對輸出感應電勢信號可采取不同的處理方法來達到測量目的，一般分為鑒幅型和鑒相型兩種檢測系統(tǒng)。2023/10/351（1）鑒相型—根據(jù)感應電動勢的相位來鑒別位移量相對位移量x與相位角θ呈線性關系，只要能測出相位角θ，就可求得位移量x。2023/10/352（2）鑒幅型—根據(jù)感應電動勢的幅值來鑒別位移量滑尺上正弦、余弦繞組供以同頻、同相，但幅值不等的交流勵磁電壓，則可根據(jù)感應電動勢的幅值來鑒別位移量，稱為鑒幅型。2023/10/35310.3.2旋轉(zhuǎn)式感應同步器（圓感應同步器）旋轉(zhuǎn)式感應同步器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，它們呈圓片形狀，用直線式感應同步器的制造工藝制作兩繞組。定子、轉(zhuǎn)子分別相當于直線式感應同步器的定尺和滑尺。2023/10/354旋轉(zhuǎn)式感應同步器的直徑一般有50mm、76mm、178mm和302mm等幾種。徑向?qū)w數(shù)（極數(shù)）有360、720和1

080幾種。轉(zhuǎn)子是繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，通常采用導電環(huán)直接耦合輸出，或者通過耦合變壓器，將轉(zhuǎn)子初級感應電勢經(jīng)氣隙耦合到定于次級上輸出。旋轉(zhuǎn)式感應同步器在極數(shù)相同情況下，同步器的直徑越大，其精度越高。2023/10/355

定子、轉(zhuǎn)子繞組1—有效導體2—內(nèi)端面3—外端面2023/10/35610.3.3感應同步器位移測量系統(tǒng)鑒相測量方式數(shù)字位移測量裝置方框圖2023/10/35710.4頻率式數(shù)字傳感器頻率式傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換為頻率量，即轉(zhuǎn)換為一系列頻率與被測量有關的脈沖，然后在給定的時間內(nèi)，通過電子電路累計這些脈沖數(shù)，從而測得被測量；或者用測量與被測量有關的脈沖周期的方法來測得被測量。體積小、重量輕、分辨率高，有數(shù)字化技術的許多優(yōu)點，2023/10/3583種類型（1）利用力學系統(tǒng)固有頻率的變化反映被測參數(shù)的值。（2）利用電子振蕩器的原理，使被測量的變化轉(zhuǎn)