傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第3版)[謝志萍]04

1、第第4章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4.1.1 光柵的分類(lèi)光柵的分類(lèi)傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器圓光柵刻線方向傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4.1.2 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理反射式光柵線紋形狀傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器透射光柵傳感器光路1光源；2透鏡；3主光柵；4指示光柵；5光電元件傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感

2、器光柵數(shù)字式傳感器1長(zhǎng)光柵副傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器如果改變 角，兩條莫爾條紋間的距離B也隨之變化。22sin22WWWB傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器莫爾條紋的方向與光柵的移動(dòng)方向只相差 /2，即近似于與柵線方向垂直，故此莫爾條紋又稱橫向莫爾條紋。從式（4-1）可以明顯地看出莫爾條紋有如下重要特性：（1）平均效應(yīng)。（2）放大作用。（3）對(duì)應(yīng)關(guān)系。1WBX傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器2圓光柵副rWRB2傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵

3、數(shù)字式傳感器4.1.3 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路1光柵傳感器的常用光路（1）垂直透射式光路。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器（2）透射分光式光路。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器（3）反射式光路。1主光柵；2指示光柵；3場(chǎng)鏡；4反光鏡5聚焦透；6光源；7物鏡；8光電元件 傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器（4）鏡像式光路。1光源；2半透半反射鏡；3聚光鏡；4主光柵；5物鏡；6反射鏡；7光電元件傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感

4、器2光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主光柵和指示光柵做相對(duì)位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路才能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器光敏元件輸出的波形可由如下公式描述： WxUUU2sinm0傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器3光柵傳感器的辨向處理1, 2光電元件；3莫爾條紋；4指示光柵傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4光柵傳感器的細(xì)分原理（1）倍頻細(xì)分法。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式

5、傳感器光柵數(shù)字式傳感器（2）電橋細(xì)分法。12L1o121o1212o222o222L2L220()/()/()/()/iiiiuuRuuGiuuRuuGiuRuG2o11o22123()/()uu GuGGGG022o11oGuGu21cossintanRR傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器4.1.4 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用1光柵位移傳感器型 號(hào)BG1BG1A光柵柵距40m（0.040mm）、20m（0.020mm）、10m（0.010mm）光柵測(cè)量系統(tǒng)透射式紅外光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，高精度性能的光柵玻璃尺讀數(shù)頭滾動(dòng)系統(tǒng)垂直式五軸承滾動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)異的重復(fù)定

6、位性，高精度測(cè)量精度45五軸承滾動(dòng)系統(tǒng)，優(yōu)異的重復(fù)定位性，高等級(jí)的測(cè)量精度防護(hù)塵密封采用特殊的耐油、耐蝕、高彈性及抗老化塑膠，防水、防塵優(yōu)良，使用壽命長(zhǎng)分辨率1m2m5m10m有效行程503000mm 每隔50mm一種長(zhǎng)度規(guī)格（整體光柵不接長(zhǎng)）工作速度20米/分鐘工作環(huán)境溫度050 濕度90(205)工作電壓5V5% 12V5%輸出電壓TTL 正弦波傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器在具體使用時(shí)要注意：（1）傳感器應(yīng)盡量安裝在靠近設(shè)備工作臺(tái)的床身基面上。（2）根據(jù)設(shè)備的行程選擇傳感器的長(zhǎng)度，光柵傳感器的有效長(zhǎng)度應(yīng)大于設(shè)備行程。（3）將傳感器固定在設(shè)備工作臺(tái)

7、的基面上，確保主尺上端面同正面與移動(dòng)方向平行，誤差0.1mm。（4）讀數(shù)頭固定于相對(duì)于主尺的另一基面上，讀數(shù)頭與主尺之間應(yīng)保持0.80.15mm的間隙，盡量使讀數(shù)頭安裝在非運(yùn)動(dòng)部件上，以方便電纜線的固定。（5）在安裝傳感器的設(shè)備導(dǎo)軌上應(yīng)裝限位裝置。（6）在使用環(huán)境有油污、鐵屑等情況時(shí)，建議采用防護(hù)罩，防護(hù)罩應(yīng)將主尺全部防護(hù)。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器2光柵數(shù)顯表所示為微機(jī)光柵數(shù)顯表的組成框圖，在微機(jī)光柵數(shù)顯表中，放大、整形采用傳統(tǒng)的集成電路，辨向、細(xì)分可由微機(jī)來(lái)完成。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.1 光柵數(shù)字式傳感器光柵數(shù)字式傳感器所示為光柵

8、數(shù)顯表在機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.1 磁柵的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)磁柵的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器具體使用時(shí)對(duì)磁柵還有如下的要求：（1）磁柵的基尺（磁尺）要求不導(dǎo)磁，線膨脹系數(shù)應(yīng)與儀器或機(jī)床的相應(yīng)部分相近似。（2）為了使磁尺上錄的磁信號(hào)能長(zhǎng)時(shí)期保存，并希望產(chǎn)生較大的輸出信號(hào)，要求磁性薄膜剩磁感應(yīng)要大，矯頑力要高，電鍍要均勻，目前常用NiCo-P合金。（3）對(duì)磁尺表面要求長(zhǎng)磁柵平直度為（0.0050.01）mm/m，圓磁柵的不圓度為0.0050.01mm，表面粗糙度要小。傳感器

9、與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.2 磁頭的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)磁頭的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)1動(dòng)態(tài)磁頭1磁頭；2磁柵；3輸出波形 傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器2靜態(tài)磁頭tWxUUsin2sinm 1磁頭；2磁柵；3輸出波形傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.3 磁柵傳感器的信號(hào)處理磁柵傳感器的信號(hào)處理1鑒幅方式在實(shí)際應(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)。tWxUUsin2sinm1tWxUUsin2cosm21m2sinxUUW 2m2cosxUUW 傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感

10、器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器2鑒相方式tWxUUcos2sinm1若兩磁頭的激勵(lì)磁繞組上施加相位差為/4的正弦激勵(lì)信號(hào)，或?qū)⑤敵鲂盘?hào)移相/2，則兩磁頭輸出信號(hào)變?yōu)椋簍WxUUsin2cosm2txUU2sinm傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.2 磁柵數(shù)字式傳感器磁柵數(shù)字式傳感器4.2.4 磁柵傳感器的應(yīng)用磁柵傳感器的應(yīng)用傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.1 感應(yīng)同步器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)1直線式感應(yīng)同步器（1）標(biāo)準(zhǔn)型。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器定尺繞組是在250mm長(zhǎng)的基板上連續(xù)均勻分

11、布的，節(jié)距為W2=2（a2+b2）=2mm，其截面結(jié)構(gòu)如圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器滑尺繞組由兩組繞組（正弦和余弦繞組）所構(gòu)成，如圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器（2）窄型。窄型直線形感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)基本相同，其不同的是窄一點(diǎn)。當(dāng)安裝感應(yīng)同步器的設(shè)備在安裝位置上受到限制時(shí)可采用這種窄型感應(yīng)同步器。但這種窄型的電磁耦合情況不如標(biāo)準(zhǔn)型好，精度也比較低。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器（3）帶型。帶型直線形感應(yīng)同步器也與標(biāo)準(zhǔn)型基本相似，當(dāng)安裝感應(yīng)同步器的設(shè)備其安裝面不容易加工時(shí)而采用。它

12、是將繞組印刷在鋼帶上構(gòu)成定尺，而滑尺像計(jì)算尺上的游標(biāo)一樣，可以跨在鋼帶上，如圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器2旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器又稱圓盤(pán)形感應(yīng)同步器。人們把感應(yīng)同步器做成兩個(gè)具有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)形狀，其固定的圓盤(pán)稱為定子，而轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤(pán)叫做轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子和定子面對(duì)面并以一定的間隙（0.200.05mm）裝配而成，可以用來(lái)測(cè)量角位移，也可以測(cè)量直線位移。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.2 感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理繞組通電時(shí)磁力線流向圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器我們先假定滑尺上

13、只有一個(gè)繞組，如圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.3 感應(yīng)同步器的信號(hào)處理感應(yīng)同步器的信號(hào)處理1鑒相處理lx2MmMmMmMsincoscossinsin()eKUtKUtKUt傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器2鑒幅處理McMssincoscoscostKUtKUetxlKUtKUecos2sinsincosmMm在使用同樣的感應(yīng)同步器定尺和滑尺時(shí)，只要將滑尺上兩相繞組的激勵(lì)磁方式改變一下，即采用同頻率、同相位、不同幅值的交流電壓，對(duì)感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組進(jìn)行激勵(lì)磁，就可以根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)鑒別定尺、滑尺間的相對(duì)位

14、移量傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器4.3.4 感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器的應(yīng)用很廣泛，它與數(shù)字位移顯示裝置配合，能進(jìn)行各種位移的精密測(cè)量，并能實(shí)行數(shù)字顯示，也能實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的半自動(dòng)化及全自動(dòng)化傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器SF2-數(shù)顯表框圖傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器4.4.1 脈沖盤(pán)式編碼器脈沖盤(pán)式編碼器1脈沖盤(pán)式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器2脈沖盤(pán)式編碼器的辨向方式傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器4.4.2 碼盤(pán)式編碼器碼

15、盤(pán)式編碼器1接觸式編碼器傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器電刷在不同位置時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)碼角 度電 刷 位 置二進(jìn)制碼（B）循環(huán)碼（R）十 進(jìn) 制 數(shù)0a0000000001b0001000112c0010001123d0011001034e0100011045f0101011156g0110010167h0111010078i1000110089j10011101910k1010111110角 度電 刷 位 置二進(jìn)制碼（B）循環(huán)碼（R）十 進(jìn) 制 數(shù)11l101111101112m110010101213N110110111314O111010011415P1111100015傳

16、感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器V掃描法的電刷分布和邏輯電路傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器2光電式編碼器傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器3電磁式編碼器傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器4.4.3 編碼器的應(yīng)用編碼器的應(yīng)用長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的CHA系列實(shí)心軸增量式編碼器，其外徑 40，軸徑 6，體積小，重量輕，適用于BL-2型聯(lián)軸器。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器CHA-2型增量型編碼器的輸出電路傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器1數(shù)字測(cè)速（1）M法測(cè)速。在一定時(shí)間間隔Tc內(nèi)

17、（如10s、20s、0.1s等），用編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)確定速度的方法稱為M法測(cè)速。若編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在tc時(shí)間間隔內(nèi)得到m1個(gè)脈沖，則編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率為：1c/fmt1c1c60/60(/)/60/()nfNmtNmNt傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器（2）T法測(cè)速。用編碼器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)轉(zhuǎn)速的方法稱為T(mén)法測(cè)速。測(cè)速時(shí)，先選擇一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，其周期為T(mén)c（如1s），測(cè)出編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖上升沿（即周期T）之間所能填充的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘個(gè)數(shù)m2，則周期T為：2cTm T2cc260/60

18、/()60/()60/()nfNTNm T NfNm若編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速為：傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器2工位編碼傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.4 編碼器編碼器3在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用（1）提供電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子間相到位置的數(shù)據(jù)。（2）通過(guò)F/V（頻率/電壓）轉(zhuǎn)換，提供速度反饋信號(hào)。（3）提供傳動(dòng)系統(tǒng)角位移信號(hào)，作為位置反饋信號(hào)。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉線位移傳感器4.5.1 拉線位移傳感器工作原理拉線位移傳感器工作原理傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉線位移傳感器4.5.2 拉線位移傳感器的特點(diǎn)拉線位移傳感器的特點(diǎn)（1）多軸測(cè)量能力。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉線位移傳感器（2）裝配靈活。傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)4.5 拉線位移傳感器拉