第六章數(shù)字式傳感器3

1、第六章數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器，是指能把被測(cè)（模擬）量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。數(shù)字式傳感器具有下列特點(diǎn)：數(shù)字式傳感器具有下列特點(diǎn)： 具有高的測(cè)量精度和分辨率，測(cè)量范圍大； 信號(hào)易于處理、傳送和自動(dòng)控制； 穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，電磁兼容性好。 便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，讀數(shù)直觀； 安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。常用的數(shù)字式傳感器主要有以下幾種：常用的數(shù)字式傳感器主要有以下幾種： 感應(yīng)同步器； 編碼器； 光柵； 容柵； 磁柵； 頻率式傳感器。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的傳感器。它具有兩個(gè)平面型的印刷繞組，相當(dāng)于變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組。通過(guò)兩個(gè)繞組的互感變化來(lái)檢

2、測(cè)其相互的位移。感應(yīng)同步器可分為兩大類，測(cè)量直線位移為直線式感應(yīng)同步器和測(cè)量角位移為旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器 6.1. 1.結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu)與類型1.結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 圖圖1-1 直線式感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu)(a)定尺繞組定尺繞組 (b)W形滑尺繞組形滑尺繞組 (c)U形滑尺繞組形滑尺繞組定尺是長(zhǎng)度為：250mm節(jié)距：W22（a2b2）滑尺上兩相繞組中心線距應(yīng)為：l1（n/214）W2 兩繞組相差90電角度感應(yīng)同步器 通常，定尺的節(jié)距W2為2mm。定尺可按式a2nW2/v來(lái)選擇，其中v為諧波次數(shù)，n為正整數(shù)，顯然a2W22。 滑尺的節(jié)距W1通常與W2相等，繞組的導(dǎo)片寬

3、度同樣可按式a1nW1/v來(lái)選取。感應(yīng)同步器基板上通過(guò)粘合劑4粘有一層銅箔。銅箔厚度在0.lmm以下，通過(guò)蝕刻得到所需的繞組3的圖形。在銅箔上面是一層耐腐蝕的絕緣涂層1。根據(jù)需要還可在滑尺表面再貼一層帶絕緣層的鋁箔5，以防止靜電感應(yīng)。感應(yīng)同步器2感應(yīng)同步器的類型感應(yīng)同步器的類型 因被測(cè)量: 直線（位移）式 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器6.1.2 感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理圖圖6-5 感應(yīng)同步器工作感應(yīng)同步器工作 原理示意圖原理示意圖圖圖6-6 兩繞組相對(duì)兩繞組相對(duì) 位置位置與感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系與感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系 S-正弦繞組；正弦繞組；C-余弦繞組余弦繞組感應(yīng)同步器圖65: 當(dāng)滑尺繞組用正弦電壓激

4、磁時(shí)，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通，它與定尺繞組耦合，在定尺繞組上感應(yīng)出同頻率的感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的幅值除與激磁頻率、耦合長(zhǎng)度、激磁電流和兩繞組的間隙等有關(guān)外，還與兩繞組的相對(duì)位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組上的電壓為零，余弦繞組上加正弦激磁電壓，并將滑尺繞組與定尺繞組簡(jiǎn)化如圖66所示。當(dāng)滑尺位于A點(diǎn)時(shí)，余弦繞組左右側(cè)的兩根導(dǎo)片中的電流在定尺繞組導(dǎo)片中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)之和為零。當(dāng)滑尺向右移，余弦繞組左側(cè)導(dǎo)片對(duì)定尺繞組導(dǎo)片的感應(yīng)要比右側(cè)導(dǎo)片所感應(yīng)的大。定尺繞組中的感應(yīng)電勢(shì)之和就不為零。感應(yīng)同步器當(dāng)滑尺移到14節(jié)距位置（圖66B點(diǎn)）時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)達(dá)到最大值。 若滑尺繼續(xù)右移，定尺繞組中的感應(yīng)電勢(shì)逐漸減少。到12節(jié)距時(shí)，

5、感應(yīng)電勢(shì)變?yōu)榱?。再右移滑尺，定尺中的感?yīng)電勢(shì)開(kāi)始增大，但電流方向改變。當(dāng)滑尺右移至34節(jié)距時(shí)，定尺中的感應(yīng)電勢(shì)達(dá)到負(fù)的最大值。在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距后，兩繞組的耦合狀態(tài)又周期地重復(fù)如圖66A點(diǎn)所示狀態(tài)（曲線二）。同理，由滑尺正弦繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)如圖66曲線2所示。感應(yīng)同步器coscossseK UtcoscossseK Ut ccossinceK UtccossinceK Ut 或（6-1）或 （6-2） 定尺中的感應(yīng)電勢(shì)隨滑尺的相對(duì)移動(dòng)呈周期性變化；定尺的感應(yīng)電勢(shì)是感應(yīng)同步器相對(duì)位置的正弦函數(shù)。若在滑尺的正弦與余弦繞組上分別加上正弦電壓usUssint和ucUcsint，則定尺上的感應(yīng)電勢(shì)es和e

6、c可用下式表達(dá)：其中：K耦合系數(shù)； 與位移x等值的電角度，2xW2。感應(yīng)同步器csinsinmeK Ut1鑒相法鑒相法 所謂鑒相法就是根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)測(cè)量位移。采用鑒相法，須在感應(yīng)同步器滑尺的正弦和余弦繞組上分別加頻率和幅值相同，但相位差為/2的正弦激磁電壓，即usUmsint和ucUmcost。 根據(jù)式（62），當(dāng)余弦繞組單獨(dú)激磁時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)為 （63）同樣，當(dāng)正弦繞組單獨(dú)激磁時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)為 （64）正、余弦繞組同時(shí)激磁時(shí)，根據(jù)疊加原理，總感應(yīng)電勢(shì)為 感應(yīng)同步器 （65）2coscos2/mmK UtK Utx W scoscossinsincmmeeeK UtK Ut 上式是鑒相法的基

7、本方程。由式可知，感應(yīng)電勢(shì)e和余弦繞組激磁電壓uc之相位差正比于定尺與沿尺的相對(duì)位移x。感應(yīng)同步器2鑒幅法鑒幅法 所謂鑒幅法就是根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的幅值來(lái)測(cè)量位移。若在感應(yīng)同步器滑尺的正弦和余弦繞組上分別加頻率和相位相同、但幅值不等的正弦激磁電壓，即usUmsinsint和uc-Umcoscost。則在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分別為 sincoscossmeK UtcoscossincmeK Ut 感應(yīng)同步器根據(jù)疊加原理，感應(yīng)電勢(shì)為：sincoscoscossinscmmeeeK UtK U costsinmK Ucost （66）由上式可知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值為 KUmsin（），調(diào)整激磁電壓值，使2

8、xW2，則定尺上輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為零。激磁電壓的中值反映了感應(yīng)同步器定尺與滑尺的相對(duì)位置。式（66）是鑒幅法的基本方程。=感應(yīng)同步器3脈沖調(diào)寬法脈沖調(diào)寬法 前面介紹的兩種方法都是在滑尺上加正弦激磁電壓，而脈沖調(diào)寬法則在滑尺的正弦和余弦繞組上分別加周期性方波電壓，即其波形如圖67（a）所示。把us，uc分別用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得感應(yīng)同步器若把us加到滑尺正弦繞組上，則定尺感應(yīng)電勢(shì)es應(yīng)為各次諧波所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)之和，即12cossinsinsmneKUnnt（69）(6-7)(6-8)感應(yīng)同步器若把uc加到滑尺余弦繞組上，同樣可得到定尺感應(yīng)電勢(shì)為各次諧波產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)之和，即12sinsinsi

9、n2cmneK Unn t （610）es、ec的波形均為一系列的尖脈沖，如圖67（b）。感應(yīng)同步器 當(dāng)正弦、余弦繞組同時(shí)分別以u(píng)s、uc激磁時(shí)，根據(jù)疊加原理，定尺中的總感應(yīng)電勢(shì)為eesec。從上面的es、ec表達(dá)式中可知：感應(yīng)電勢(shì)除基波分量外，還含有豐富的高次諧波分量。若使用性能良好的濾波器濾去高次諧波，取出基波成分，這時(shí)可認(rèn)為感應(yīng)電勢(shì)為2sinsin sincos sin2mK Uet 2sinsinmK Ut（611）它表明了滑尺、定尺間的相對(duì)位移與激磁脈沖的寬度之半的關(guān)系。感應(yīng)同步器 6.1.3 數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)數(shù)字測(cè)量系統(tǒng) 1鑒相法測(cè)量系統(tǒng)鑒相法測(cè)量系統(tǒng)圖圖6-8 鑒相法測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

10、鑒相法測(cè)量系統(tǒng)原理框圖通過(guò)感應(yīng)同步器將代表位移量的電相位變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。鑒相法測(cè)量系統(tǒng)通常由位移相位轉(zhuǎn)換，模一數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)顯示三部分組成感應(yīng)同步器2鑒幅法測(cè)量系統(tǒng)鑒幅法測(cè)量系統(tǒng)此系統(tǒng)的作用是通過(guò)感應(yīng)同步器將代表位移量的電壓幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 圖圖6-9 鑒幅法測(cè)量系統(tǒng)原理圖鑒幅法測(cè)量系統(tǒng)原理圖鑒相法和鑒幅法測(cè)量系統(tǒng)都是一個(gè)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，只是反饋量不同。在使用中，都受最大運(yùn)動(dòng)速度的限制，且后者的運(yùn)動(dòng)速度及精度都較前者低。感應(yīng)同步器6.1.4 感應(yīng)同步器的接長(zhǎng)使用感應(yīng)同步器的接長(zhǎng)使用 圖圖6-10 感應(yīng)同步器定尺接長(zhǎng)誤差示意圖感應(yīng)同步器定尺接長(zhǎng)誤差示意圖在使用中，滑尺要全部覆蓋在定尺上，當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)

11、度超過(guò)150mrn時(shí)，需要用多塊定尺接長(zhǎng)使用。定尺接長(zhǎng)后全行程的測(cè)量誤差一般要大于單塊定尺的最大誤差，這是因?yàn)榻涌p處的誤差與每塊定尺的誤差曲線的不一致性所致。但是，用適當(dāng)?shù)倪B接方法可以減小全行程測(cè)量誤差，使它接近于單塊定尺的最大誤差。編碼器編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測(cè)量。編碼器按結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器之分。由于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是用于角位移測(cè)量的最有效和最直接的數(shù)字式傳感器，并已有各種系列產(chǎn)品可供選用，故本節(jié)著重討論旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。編碼器 旋轉(zhuǎn)式編碼器有兩種： 增量編碼器； 絕對(duì)編碼器。 目前應(yīng)用最廣的是利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器。6.

12、2.1光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)與原理光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)與原理 編碼器1絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器圖圖6-11 光電絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電編碼器的碼盤通常是一塊光學(xué)玻璃，碼盤與旋轉(zhuǎn)軸相固聯(lián)。玻璃上刻有透光和不透光的圖形。編碼器光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上，并與位于碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合。光學(xué)碼盤通常用照相腐蝕法制作。現(xiàn)已生產(chǎn)出徑向線寬為6.7108 rad的碼盤，其精度高達(dá)1/108。編碼器圖圖6-12 具有分解器的具有分解器的19位位 光電編碼器光電編碼器該編碼器的碼盤具有14（位）內(nèi)碼道和1條專用附加碼道。后者的扇形區(qū)之形狀和光學(xué)幾何結(jié)構(gòu)稍

13、有改變且與光學(xué)分解器的多個(gè)光敏元件相配合，編碼器其能產(chǎn)生接近于理想的正、余弦波輸出；并通過(guò)平均電路進(jìn)行處理，以消除碼盤的機(jī)械誤差，從而得到更為理想的正弦或余弦波。對(duì)應(yīng)于14位中最低位碼道的每一位，光敏元件將產(chǎn)生一個(gè)完整的輸出周期，如圖613所示。圖圖6-13 附加碼道光敏元件輸出附加碼道光敏元件輸出編碼器插值器將輸人的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)接不同的系數(shù)加在一起，形成數(shù)個(gè)相移不同的正弦信號(hào)輸出。各正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較器轉(zhuǎn)換成一系列脈沖，從而細(xì)分了光敏元件的輸出正弦波信號(hào)，于是就產(chǎn)生了附加的最低有效位。如圖612所示的19位光電編碼器的插值器產(chǎn)生16個(gè)正弦波形。每二個(gè)正弦信號(hào)之間的相位差為。8，從而在

14、14位二進(jìn)制編碼器的最低有效位間隔內(nèi)產(chǎn)生32個(gè)精確等分點(diǎn)。這相當(dāng)于附加了5位二進(jìn)制數(shù)的輸出，使編碼器的分辨率從1/214提高到1/214，優(yōu)于1/525，角位移小于3。 編碼器 2增量編碼器增量編碼器在增量編碼器碼盤最外圈的碼道上均布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)，這是用來(lái)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的增量碼道（S1）。扇形區(qū)的多少?zèng)Q定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多，分辨率越高。例如，一個(gè)每轉(zhuǎn)5000脈沖的增量編碼器，其碼盤的增量碼道上共有5000個(gè)透光和不透光扇形區(qū)。中間一圈碼道上有與外圈碼道相同數(shù)目的扇形區(qū)，但錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇形區(qū)，作為辨向碼道（S2）。碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，增量碼道與辨向碼道的輸出波形如圖614所示。在

15、正轉(zhuǎn)時(shí)，增量計(jì)數(shù)脈沖波形超前辨向脈沖波形2；反轉(zhuǎn)時(shí)，增量計(jì)數(shù)脈沖滯后2。這種辨向方法與光柵的辨向原理相同。同樣，用這兩個(gè)相位差為2 的脈沖輸出可進(jìn)一步作細(xì)分。編碼器圖圖6-14 增量編碼器的輸出波形增量編碼器的輸出波形（a）碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)（）碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)（b）碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)）碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)第三圈碼道（Z）上只有一條透光的狹縫，它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)將給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位（清零）信號(hào)。增量編碼器的精度主要取決于碼盤本身的精度。用于光電絕對(duì)編碼器的技術(shù)，大部分也適用于光電增量編碼器。編碼器3光電增量編碼器的應(yīng)用光電增量編碼器的應(yīng)用圖圖6-15 LEC 型小型光電型小型光電編碼器外形圖編碼

16、器外形圖(1)典型產(chǎn)品應(yīng)用介紹圖615所示為L(zhǎng)EC型小型光電增量編碼器的外形圖。每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為205000，最大允許轉(zhuǎn)速為5000rmin。 LEC型微型光電編碼器的最高分辨力為2048脈沖轉(zhuǎn)。電源電壓為5V、12V和15V三種。輸出有電壓輸出、集電極開(kāi)路輸出（OC門）和差分線性驅(qū)動(dòng)器輸出三種。編碼器 圖圖6-16 （a）差分接收電路）差分接收電路 （b）差分線性驅(qū)動(dòng)輸出波形）差分線性驅(qū)動(dòng)輸出波形為了避免長(zhǎng)距離傳送時(shí)的噪聲干擾，可采用差分線性驅(qū)動(dòng)器輸出或OC門輸出。前者在接收端用一個(gè)差分接收器（例如Am26LS32）。這時(shí)，編碼器輸出是帶有極性的互補(bǔ)信號(hào)的電壓差，而不是絕對(duì)值。因此，噪聲干擾

17、電平就只能引起一個(gè)無(wú)效的共模電壓。其接收電路和輸出波形見(jiàn)圖616所示。編碼器(2)測(cè)量轉(zhuǎn)速 圖圖6-17 增量編碼器直接用于測(cè)量轉(zhuǎn)速增量編碼器直接用于測(cè)量轉(zhuǎn)速 （a）用編碼器測(cè)量平均速度）用編碼器測(cè)量平均速度 （b）用編碼器測(cè)量瞬時(shí)速度的原理框圖）用編碼器測(cè)量瞬時(shí)速度的原理框圖編碼器(3)測(cè)量線位移在某些場(chǎng)合，用旋轉(zhuǎn)式光電增量編碼器來(lái)測(cè)量線位是一種有效的方法。這時(shí)，須利用一套機(jī)械裝置把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測(cè)量系統(tǒng)的精度將主要取決于機(jī)械裝置的精度。圖618（a）表示通過(guò)絲桿將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導(dǎo)程為6mm的絲桿，可達(dá)到4m的分辨力。為了提高精度，可

18、采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機(jī)構(gòu)。 圖（b）是用齒輪齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說(shuō)，這種系統(tǒng)的精度較低。編碼器圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動(dòng)和摩擦傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。無(wú)論用哪一種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)線位移角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時(shí)，編碼器的零位基準(zhǔn)已失去作用。為計(jì)數(shù)系統(tǒng)所必須的基準(zhǔn)零位，可由附加的裝置來(lái)提供。如用機(jī)械、光電等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。編碼器6.2.2 測(cè)量電路測(cè)量電路1計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路 圖圖6-19 計(jì)數(shù)電路波形圖計(jì)數(shù)電路波形圖（a）正轉(zhuǎn)時(shí)（）正轉(zhuǎn)時(shí)（b）反轉(zhuǎn)時(shí)）反轉(zhuǎn)時(shí)光電增量編碼器的典型輸出是二個(gè)相位差為/2的方波信號(hào)（S1和S2）和一

19、個(gè)零位脈沖信號(hào)（Z），見(jiàn)圖6 16（b）。為了能直接進(jìn)行數(shù)字顯示，一般都用雙時(shí)鐘信號(hào)輸人的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)集成電路來(lái)構(gòu)成計(jì)數(shù)電路。當(dāng)增量編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，S1信號(hào)送至一單穩(wěn)電路（如74LS221）的負(fù)沿觸發(fā)端，得單穩(wěn)的輸出脈沖S1，此時(shí)正值S2為高電平，S1與S2相編碼器“與”并反相，得到加計(jì)數(shù)脈沖S，如圖619（a）所示。S信號(hào)作為計(jì)數(shù)電路最低位的加計(jì)數(shù)輸入信號(hào)；而減計(jì)數(shù)輸入端為高電平。這是因?yàn)镾1信號(hào)被S2封鎖，進(jìn)行減計(jì)數(shù)，波形如圖619（b）所示。單穩(wěn)電路的脈沖寬度影響計(jì)數(shù)電路的響應(yīng)頻率。增量編碼器零位基準(zhǔn)的輸出信號(hào)可直接加在所有計(jì)數(shù)器的清零端。編碼器2細(xì)分電路細(xì)分電路四倍頻細(xì)分電路原理圖如圖

20、620（a）所示。輸出x1與x2信號(hào)作為計(jì)數(shù)器雙時(shí)鐘輸人信號(hào)。按電路圖可得如下邏輯表達(dá)式：編碼器 圖圖6-20 四倍頻細(xì)分電路原理圖四倍頻細(xì)分電路原理圖（a）電路原理圖）電路原理圖 （b）各點(diǎn)波形（正轉(zhuǎn)時(shí)）各點(diǎn)波形（正轉(zhuǎn)時(shí)） 光 柵光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光器件。有物理光柵計(jì)量光柵（1）按工作原理：（2）按應(yīng)用需要：計(jì)量光柵又有透射光柵和反射光柵之分（3）按光柵的表面結(jié)構(gòu)：幅值（黑白）光柵相位（閃耀）光柵光 柵6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理光柵的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理 1莫爾條紋莫爾條紋圖圖 6-21 光柵的莫爾條紋光柵的莫爾條紋（a） 光柵光柵 （b） 莫爾條紋

21、莫爾條紋1-主光柵主光柵 2-指示光柵指示光柵光 柵光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。主光柵（標(biāo)尺光柵）是刻有均勻線紋的長(zhǎng)條形的玻璃尺?？叹€密度由精度決定。常用的光柵每毫米10、25、50和100條線。如圖6-21所示。a為刻線寬度，b為縫隙的寬度，W = a + b為柵距（節(jié)距），一般a = b = W/2。指示光柵較主光柵短得多，也刻著與主柵同樣密度的線紋。將這樣兩塊光柵疊合在一起，并使兩者沿刻線方向成一很小的角度。由于遮光效應(yīng)，在光柵上現(xiàn)出明暗相間的條紋，如圖6-21（b）所示。兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶；一塊光柵的刻線與另一塊的縫隙相交處形成暗帶。這明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。光 柵

22、若改變角，兩條莫爾條紋間的距離B隨之變化，間距B與柵距W（mm）和夾角（rad）的關(guān)系可用下式表示：WWB2sin2 （6-12）從式（6-12）可知，當(dāng)夾角很小時(shí)，B W，即莫爾條紋具有放大作用，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀刻線數(shù)便利的多。根據(jù)光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量莫爾條紋移過(guò)的距離，就可以測(cè)出小于光柵柵距的微位移量。光 柵2光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換圖圖6-22 透射式光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖透射式光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖1-主光柵主光柵 2-指示光柵指示光柵 3-硅光電池硅光電池 4-聚光鏡聚光鏡 5-光源光源圖622為一透射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖。主光柵與指示光柵之間保持有一定的間隙。光源發(fā)出

23、的光通過(guò)聚光鏡后成為平行光照射光柵，光電元件（如硅光電池）把透過(guò)光柵的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光電元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化。如圖623所示，在a位置，兩塊光柵刻線重疊，透過(guò)的光最多，光 柵光強(qiáng)最大；在位置c，光被遮去一半，光強(qiáng)減??；在位置d，光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。光柵繼續(xù)右移；在位置e，光又重新透過(guò)，光強(qiáng)增大。在理想狀態(tài)時(shí)，光強(qiáng)的變化與位移成線性關(guān)系。 但在實(shí)際應(yīng)用中兩光柵之間必須有間隙，透過(guò)的光線有一定的發(fā)散，達(dá)不到最亮和全黑的狀態(tài)；再加上光柵的幾何形狀誤差，刻線的圖形誤差及光電元件的參數(shù)影響，所以輸出波形是一近似的正弦曲線，如圖623所示。光 柵可以采用空間

24、濾波和電子濾波等方法來(lái)消除諧波分量，以獲得正弦信號(hào)。光電元件的輸出電壓u（或電流i）由直流分量U0和幅值為Um的交流分量疊加而成，即)/2sin(0WxUUum（6-13）上式表明了光電元件的輸出與光柵相對(duì)位移x的關(guān)系光 柵6.3.2 數(shù)字轉(zhuǎn)換原理數(shù)字轉(zhuǎn)換原理由上分析已知，光柵的位移變成莫爾條紋的移動(dòng)后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換就成電信號(hào)輸出。但在一點(diǎn)觀察時(shí)，無(wú)論主光柵向左或向右移動(dòng)，莫爾條紋均作明暗交替變化。若只有一條莫爾條紋的信號(hào)，則只能用于計(jì)數(shù)，無(wú)法辨別光柵的移動(dòng)方向。為了能辨向，尚需提供另一路莫爾條紋信號(hào)，并使兩信號(hào)的相位差為/2。光 柵通常采用在相隔14條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖

25、624所示。正向移動(dòng)時(shí)，輸出電壓分別為ul和u2，經(jīng)過(guò)整形電路得到兩個(gè)方波信號(hào)ul 和u2。ul經(jīng)過(guò)微分電路后和u2相“與”得到正向移動(dòng)的加計(jì)數(shù)脈沖。在光柵反向移動(dòng)時(shí)，ul經(jīng)反相后再微分并和u2相“與”，這時(shí)輸出減計(jì)數(shù)脈沖。u2的電平控制了ul的脈沖輸出，使光柵正向移動(dòng)時(shí)只有加計(jì)數(shù)脈沖輸出；反向移動(dòng)時(shí)，只有減計(jì)數(shù)脈沖輸出。光 柵 2電子細(xì)分電子細(xì)分（1）四倍頻細(xì)分 在上述“辨向原理”的基礎(chǔ)上若將u2方波信號(hào)也進(jìn)行微分，再用適當(dāng)?shù)碾娐诽幚?，則可以在一個(gè)柵距內(nèi)得到二個(gè)計(jì)數(shù)脈沖輸出，這就是二倍頻細(xì)分。 如果將辨向原理中相隔B4的兩個(gè)光電元件的輸出信號(hào)反相，就可以得到4個(gè)依次相位差為/2的信號(hào)，即在一

26、個(gè)柵距內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)所謂四倍頻細(xì)分。光 柵圖6-25 電橋細(xì)分原理圖（2）電橋細(xì)分光 柵在四倍頻細(xì)分中，可以得到四個(gè)相位差為2的輸出情號(hào)，分別為Umsin，Umcos，Umsin和Umcos（其中2xW），如圖625所示。在02之間，還可細(xì)分成n等分（n為4的整數(shù)倍）。設(shè)n48，則在0/2，/2，3/2及3/22 區(qū)間都可均分成12等分，現(xiàn)通過(guò)任一點(diǎn)i（即電位器編號(hào)。圖626給出了48點(diǎn)電位器電橋細(xì)分電路.第i個(gè)電位器電刷兩邊的電阻值Ri與Ri之比由下式確定：tan2iiRiRn（615）光 柵圖6-26 48點(diǎn)電位器電橋細(xì)分電路由2in時(shí)，ui0使過(guò)零比較器電平翻轉(zhuǎn)，輸出細(xì)分信

27、號(hào)。用電橋細(xì)分法可以達(dá)到較高的精度，細(xì)分?jǐn)?shù)一般為1260，但對(duì)莫爾條紋信號(hào)的波形幅值，直流電平及原始信號(hào)Umsin與人Umcos的正交性均有嚴(yán)格要求。而且電路較復(fù)雜，對(duì)電位器、過(guò)零比較器等元器件均有較高的要求。容柵式傳感器 容柵式傳感器是在變面積型電容傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，而且采用閉環(huán)反饋式等測(cè)量電路減小了寄生電容的影響、提高了抗干擾能力、提高了測(cè)量精度、擴(kuò)展了量程，是一種很有發(fā)展前途的傳感器?，F(xiàn)已應(yīng)用于數(shù)顯卡尺、測(cè)長(zhǎng)機(jī)等數(shù)顯量具。將電容傳感器中的電容極板刻成一定形狀和尺寸的柵片，再配以相應(yīng)的測(cè)量電路就構(gòu)成了容柵測(cè)

28、量系統(tǒng)。正是特定的柵狀電容極板和獨(dú)特的測(cè)量電路使其超越了傳統(tǒng)的電容傳感器，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量。容柵式傳感器6.4.1容柵傳感器的工作原理容柵傳感器的工作原理 長(zhǎng)容柵傳感器由定尺和動(dòng)尺組成。在定尺和動(dòng)尺的相對(duì)面上分別印制（或刻劃）一系列互相絕緣、等間隔的金屬柵狀極片。若將定尺和動(dòng)尺的柵極面相對(duì)放置，其間充填電介質(zhì)，就形成一對(duì)對(duì)并聯(lián)連接的電容（即容柵）。根據(jù)電場(chǎng)理論并忽略邊緣效應(yīng)，其最大電容量為maxabCn（616） 式中：n為動(dòng)尺柵極片數(shù)；為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，（r為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，0為真空的介電常數(shù)， 12108.854 10 F m為極板間的距離；a、b分別為柵極片長(zhǎng)度和寬度。

29、容柵式傳感器理論上，容柵的最小電容量為0，實(shí)際上為C0C0稱為容柵固有電容。當(dāng)動(dòng)尺平行于定尺不斷移動(dòng)時(shí)，每對(duì)電容的相對(duì)遮蓋長(zhǎng)度a將由大到小、由小到大周期性變化，電容量值也隨之周期性變化。經(jīng)電路處理后，即可測(cè)得線性位移值。圓容柵傳感器由同軸安裝的定圓盤和動(dòng)圓盤組成。在定圓盤和動(dòng)圓盤的相對(duì)面上制成幾何尺寸相同、彼此絕緣的輻射狀扇形柵極片。其工作原理與長(zhǎng)容柵相同，最大電容量為2221max()2rrCn（617）式中r1、r2分別為圓盤上柵極片的外半徑和內(nèi)半徑；為每條柵極片對(duì)應(yīng)的圓心角。容柵式傳感器6.4.2數(shù)字測(cè)量原理數(shù)字測(cè)量原理 1. 調(diào)幅式測(cè)量原理調(diào)幅式測(cè)量原理圖圖6-28調(diào)幅式測(cè)量系統(tǒng)原理調(diào)

30、幅式測(cè)量系統(tǒng)原理圖圖容柵式傳感器片P上。容柵式傳感器容柵式傳感器容柵式傳感器2、調(diào)相式測(cè)量原理、調(diào)相式測(cè)量原理容柵式傳感器圖圖629 調(diào)相式測(cè)量系統(tǒng)原理圖調(diào)相式測(cè)量系統(tǒng)原理圖M上的感應(yīng)電荷為： 0000000000sinsin24 sinsinsin422 1cos2cos1 sin4MmmmmmmxQCUtC UtLlxC UtC UtCUtlxC Uttl 容柵式傳感器01 (2 /),2cos(/4)1,x lab 設(shè)則上式可寫成：2202222cossinMmabQC Uabttabab 根據(jù)坐標(biāo)變換，可設(shè)22/sinaab22/cosbab，因此可得：220sin()mmQC Uab

31、t arctanab（619）發(fā)射極片E、反射極片M、接受極R和屏蔽極S之間的電容如圖629（c）的等效電路所示。圖中，MRCSRC分別為M極片、S極片對(duì)R極的電容；為M極片、R極片、S極片對(duì)地（公共端）的電容，容柵式傳感器k為與屏蔽極S結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)的常量。由圖629（c）可得：容柵式傳感器磁柵傳感器磁柵是另一種用于測(cè)量位移的數(shù)字式傳感器。磁柵傳感器由磁尺（或磁盤）、磁頭和檢測(cè)電路組成。磁尺類似于一條錄音帶，上面記錄有一定波長(zhǎng)的矩形波或正弦波磁信號(hào)。磁頭的作用是把磁尺上的信號(hào)轉(zhuǎn)寒成電信號(hào)；此電信號(hào)再由檢測(cè)電路變換和細(xì)分后進(jìn)行計(jì)數(shù)輸出。磁柵傳感器6.5.1磁柵的結(jié)構(gòu)與工作原理磁柵的結(jié)構(gòu)與工作原理

32、 1. 1. 磁柵磁柵 圖圖6-30 磁柵的剖面磁柵的剖面1非導(dǎo)磁材料基體；非導(dǎo)磁材料基體；2磁性薄膜磁性薄膜磁柵是用不導(dǎo)磁的金屬，或是用表面涂覆有一層抗磁材料的鋼材做尺基，在尺基的表面上均勻地涂覆一層磁性薄膜，然后用記錄磁頭在磁性薄膜上記錄節(jié)距為W的正弦波或矩形波，得到如圖6-30所示的柵狀磁化圖形。磁柵傳感器 圖圖6-31 磁柵結(jié)構(gòu)示意圖磁柵結(jié)構(gòu)示意圖（a）尺形長(zhǎng)磁柵；（）尺形長(zhǎng)磁柵；（b）帶型長(zhǎng)磁柵；）帶型長(zhǎng)磁柵；（c）同軸長(zhǎng)磁柵；（）同軸長(zhǎng)磁柵；（d）圓磁柵）圓磁柵 1磁柵；磁柵；2磁頭；磁頭；3屏蔽罩屏蔽罩 磁柵傳感器2 磁頭磁頭根據(jù)讀出信號(hào)方式不同，磁頭可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。圖圖6

33、-32 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(a)與靜態(tài)與靜態(tài)(b)磁頭工作原理圖磁頭工作原理圖1磁頭；2磁柵；3輸出信號(hào)波形磁柵傳感器圖圖6-33 多隙磁通響應(yīng)式磁頭的典型結(jié)構(gòu)多隙磁通響應(yīng)式磁頭的典型結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了增大輸出和提高穩(wěn)定性，通常將多個(gè)磁頭以一定的方式串聯(lián)起來(lái)做成一體，稱為多間隙靜態(tài)磁頭。磁柵傳感器6.5.2數(shù)字測(cè)量原理數(shù)字測(cè)量原理在應(yīng)用中，一般采用兩個(gè)多間隙靜態(tài)磁頭來(lái)讀取磁柵上的磁信號(hào)，兩磁頭的間距為（n1/4）W（n為正整數(shù)），兩組磁頭激磁信號(hào)的相位差為/4。由于輸出繞組的信號(hào)頻率是激磁信號(hào)頻率的兩倍，所以兩組磁頭輸出信號(hào)的相位差為/2。若激磁繞組加上同相的正弦激磁信號(hào)，則兩組磁頭的輸出信號(hào)為：12

34、sinsinmxuUtW22cossinmxuUtW磁柵傳感器經(jīng)檢波濾除高頻載波后可得12sinmxuUW22cosmxuUW （6-22）（6-23） 是與位移量x成比例的信號(hào)，經(jīng)處理即可得到位移量，這便是所謂鑒幅法。磁柵傳感器磁柵傳感器鑒相法測(cè)量電路的形式較多，常用的電路框圖如圖6-34所示。圖圖634 鑒相法測(cè)量電路框圖鑒相法測(cè)量電路框圖頻率式傳感器能把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)且便于處理的頻率輸出的傳感器，即為頻率式傳感器。由頻率式傳感器組成的測(cè)量系統(tǒng)，一般包括在給定時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，或是測(cè)量脈沖周期的計(jì)時(shí)器。用脈沖計(jì)數(shù)器構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。它所測(cè)量的值實(shí)際上

35、是計(jì)數(shù)周期內(nèi)輸人信號(hào)的平均值。缺點(diǎn)是為了得到所需的分辨率，必須有足夠長(zhǎng)的計(jì)數(shù)時(shí)間。而對(duì)于用計(jì)時(shí)器構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)，其性能受噪聲及干擾的影響很大。為此，一種經(jīng)常采用的方法是在系統(tǒng)中引人一高頻時(shí)鐘脈沖，以傳感器的輸出脈沖來(lái)選通至計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖，再累計(jì)傳感器多個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值。這樣，一方面可提高分辨率，一方面又可減少干擾與噪聲的影響。磁柵傳感器6.6.1振弦式頻率傳感器振弦式頻率傳感器 圖圖635 振弦式頻率傳感器的工作原理振弦式頻率傳感器的工作原理振弦式頻率傳感器的工作原理可以用圖635來(lái)說(shuō)明。傳感器的敏感元件是一根被預(yù)先拉緊的金屬絲弦1。它被置于激振器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)里，兩端均固定在傳感器受力部件3

36、的兩個(gè)支架2上且平行磁柵傳感器于受力部件。當(dāng)彈力部件3受到外載荷后，將產(chǎn)生微小的撓曲，致使支架2產(chǎn)生相對(duì)傾角，從而松弛或拉緊了振弦，振弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，使振弦的振動(dòng)頻率相應(yīng)地變化。振弦的自振頻率f0取決于它的長(zhǎng)度l、材料密度和內(nèi)應(yīng)力，可用下式表示：01/2fl （627） 由上式可見(jiàn)，對(duì)于l和為定值的振弦，其自振頻率f0由內(nèi)應(yīng)力決定。因此，根據(jù)振弦的振動(dòng)頻率，可以測(cè)量力和位移。磁柵傳感器圖圖 636振弦式傳感器振弦式傳感器 的輸出輸入特性的輸出輸入特性圖 636所示為某一振弦式傳感器的輸出輸入特性。由圖可知，為了得到線性的輸出，可在該曲線中選取近似直線的一段。當(dāng)在1至2之間變化時(shí)，鋼弦的振動(dòng)

37、頻率為10002000Hz或更高一些，其非線性誤差小于l。為了使傳感器有一定的初始頻率，對(duì)鋼弦要預(yù)加一定的初始內(nèi)應(yīng)力0。磁柵傳感器振弦的激振方式有兩種，如圖637所示。圖（a）是連續(xù)激勵(lì)方式。此方法采用兩個(gè)電磁線圈，一個(gè)用來(lái)連續(xù)激勵(lì)，另一個(gè)作為接收（拾振）信號(hào)。振弦激振后，抬振線圈1產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，經(jīng)放大后正反饋至激勵(lì)線圈2，以維持振弦的連續(xù)振動(dòng)。圖（b）是間斷激勵(lì)方式的框圖。當(dāng)激勵(lì)線圈通過(guò)脈沖電流時(shí)，電磁鐵將振弦吸?。辉诩?lì)電流斷開(kāi)時(shí)，電磁鐵松開(kāi)振弦，于是振弦發(fā)生振動(dòng)。線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的頻率即振弦的固有振動(dòng)頻率。為了克服因空氣等阻尼對(duì)振弦振動(dòng)的衰減，必須間隔一定時(shí)間激振一次。磁柵傳感器圖圖

38、637激振方式原理框圖激振方式原理框圖 圖圖638振弦式力傳感器振弦式力傳感器 （a）連續(xù)激勵(lì)方式）連續(xù)激勵(lì)方式 1、5振弦；振弦；2支座；支座；3、11激勵(lì)器；激勵(lì)器； （b）間斷激勵(lì)方式）間斷激勵(lì)方式 4柱體；柱體；6、9拾振器；拾振器；7彈性模片彈性模片 8、10放大放大震蕩電路；震蕩電路；12混頻器；混頻器； 13 濾波整形電路濾波整形電路 磁柵傳感器圖638所示為差動(dòng)振弦式力傳感器。它在圓形彈性膜片7的上下兩側(cè)安裝了兩根長(zhǎng)度相等的振弦1、5，它們被固定在支座2上，并在安裝時(shí)加上一定的預(yù)緊力。 沒(méi)有外力作用時(shí)，上、下兩根振弦所受的張力相同，振動(dòng)頻率亦相同，兩頻率信號(hào)經(jīng)混頻器12混頻后的

39、差頻信號(hào)為零。當(dāng)有外力垂直作用于柱體4時(shí)，彈性膜片向下彎曲。上側(cè)振弦5的張力減小，振動(dòng)頻率減低；下側(cè)振弦1的張力增大，振動(dòng)頻率增高。混頻器輸出兩振弦振動(dòng)頻率之差頻信號(hào)，其頻率隨著作用力的增大而增高。磁柵傳感器圖中兩根振弦應(yīng)相互垂直，這樣可以使作用力不垂直時(shí)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差減小。因?yàn)閭?cè)向作用力在壓力膜片四周所產(chǎn)生的應(yīng)力近似均勻，上、下兩根振弦所受的張力相同，根據(jù)差動(dòng)工作原理，它們所產(chǎn)生的頻率變化被互相抵消。因此，傳感器對(duì)于側(cè)向作用是不敏感的。在圖638的基礎(chǔ)上，還可利用高強(qiáng)度厚壁空心鋼管作受力元件，把3、6或更多根振弦均等分布置于管壁的鉆孔中，用特殊的夾緊機(jī)構(gòu)把振弦張緊固定，構(gòu)成多弦式力傳感器。圖639所示為振弦式流體壓力傳感器c振弦的材料為鎢絲，其一端垂直固定在受壓板上，另一端固定在磁柵傳感器圖圖6-39 振弦式流體壓力傳感器圖振弦式流體壓力傳感器圖 1 導(dǎo)線；導(dǎo)線；2緊線母；緊線母；3O型圈型圈；4外殼；外殼； 5振弦；振弦；6磁鋼；磁鋼；7支架；支架；8受壓板；受壓板； 9底座；底座；10受力管受力管； 支架上。當(dāng)流體進(jìn)人傳感器后，受壓板發(fā)生微小的撓曲。改變振弦的內(nèi)應(yīng)力，使其頻率降低。為保證溫度變化時(shí)