數(shù)字式傳感器

1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器精勤求學(xué) 敦篤勵(lì)志 果毅力行 忠恕任事Xian Jiaotong University數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器是能夠把被測(cè)模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字是能夠把被測(cè)模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的裝置，可直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。量輸出的裝置，可直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。數(shù)字式傳感器具有以下數(shù)字式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：w測(cè)量精度和分辨率高；測(cè)量精度和分辨率高；w抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；w易于和計(jì)算機(jī)連接，便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)易于和計(jì)算機(jī)連接，便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量；量；w適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感

2、器 Xian Jiaotong Universityv 分類：分類： 脈沖脈沖輸出式：柵式數(shù)字傳感器、感應(yīng)同步器、增量編碼器；輸出式：柵式數(shù)字傳感器、感應(yīng)同步器、增量編碼器； 編碼編碼輸出式：絕對(duì)編碼器；輸出式：絕對(duì)編碼器； 頻率頻率輸出式：振弦式、振筒式和振膜式傳感器；輸出式：振弦式、振筒式和振膜式傳感器；v 本節(jié)介紹精密位移測(cè)量中廣泛應(yīng)用的本節(jié)介紹精密位移測(cè)量中廣泛應(yīng)用的光柵數(shù)字傳感器、感光柵數(shù)字傳感器、感應(yīng)同步器、編碼器應(yīng)同步器、編碼器及及容柵傳感器容柵傳感器的工作原理和測(cè)量電路。的工作原理和測(cè)量電路。數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 Xian Jiaotong University 在玻璃尺或

3、玻璃盤進(jìn)行長(zhǎng)刻線（一般為在玻璃尺或玻璃盤進(jìn)行長(zhǎng)刻線（一般為1012mm）的密）的密集刻劃，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是集刻劃，得到寬度一致、分布均勻、明暗相間的條紋，這就是光柵。光柵。用于位移測(cè)量的光柵稱為用于位移測(cè)量的光柵稱為計(jì)量光柵計(jì)量光柵。abWabW 光柵上的刻線稱為柵線（不透光），柵線寬度為光柵上的刻線稱為柵線（不透光），柵線寬度為a，縫隙，縫隙（透光）寬度為（透光）寬度為b，一般取，一般取a = b，W（W = a + b）稱為光柵的）稱為光柵的柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)）。柵距（也稱光柵的節(jié)距或光柵常數(shù)）。光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu) Xian Jiaotong U

4、niversity 光柵種類很多，按工作原理分為光柵種類很多，按工作原理分為物理光柵物理光柵和和計(jì)量光柵計(jì)量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者用于精密位兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者用于精密位移測(cè)量和精密機(jī)械自動(dòng)控制等。計(jì)量光柵又分為移測(cè)量和精密機(jī)械自動(dòng)控制等。計(jì)量光柵又分為長(zhǎng)光柵長(zhǎng)光柵和和圓光柵圓光柵。計(jì)計(jì)量量光光柵柵圓圓光光柵柵長(zhǎng)長(zhǎng)光光柵柵黑白光柵黑白光柵切向光柵切向光柵玻璃體玻璃體金屬體金屬體金屬膜玻璃體金屬膜玻璃體玻璃體玻璃體透射光柵透射光柵反射光柵反射光柵透射光柵透射光柵徑向光柵徑向光柵閃耀光柵閃耀光柵幅值光柵幅值光柵相位光柵相位光柵光柵的分類光柵的分類 Xian

5、 Jiaotong University 根據(jù)柵線形式不同，分為黑白光柵和閃耀光柵。根據(jù)柵線形式不同，分為黑白光柵和閃耀光柵。黑白光黑白光柵柵是只對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的光柵，亦稱幅值是只對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的光柵，亦稱幅值光柵；光柵；閃耀光柵閃耀光柵是對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，亦稱相位光是對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，亦稱相位光柵。柵。 根據(jù)光線的走向，長(zhǎng)光柵又分為透射光柵和反射光柵。根據(jù)光線的走向，長(zhǎng)光柵又分為透射光柵和反射光柵。透射光柵透射光柵是將柵線刻制在透明材料上，如光學(xué)玻璃和制版玻是將柵線刻制在透明材料上，如光學(xué)玻璃和制版玻璃；璃；反射光柵反射光柵則將柵線刻制在具有強(qiáng)

6、反射能力的金屬上，如則將柵線刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬上，如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜。前者使光線通過光柵后產(chǎn)生明暗條不銹鋼或玻璃鍍金屬膜。前者使光線通過光柵后產(chǎn)生明暗條紋，后者反射光線并使之產(chǎn)生明暗條紋。紋，后者反射光線并使之產(chǎn)生明暗條紋。光柵的分類光柵的分類 Xian Jiaotong University長(zhǎng)光柵的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)光柵的結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)光柵長(zhǎng)光柵主要用于測(cè)量主要用于測(cè)量長(zhǎng)度長(zhǎng)度，條紋密度有每毫米，條紋密度有每毫米25、50、100、250條等。條等。Xian Jiaotong University徑向光柵徑向光柵切向光柵切向光柵 圓光柵圓光柵也稱光柵盤，其刻線刻制在玻璃盤上，也稱光柵盤，其刻線刻制

7、在玻璃盤上，用來測(cè)量用來測(cè)量角度或角位移角度或角位移。根據(jù)柵線刻劃的方向分為。根據(jù)柵線刻劃的方向分為徑向光柵徑向光柵和和切向光柵切向光柵 。圓光柵的結(jié)構(gòu)圓光柵的結(jié)構(gòu) Xian Jiaotong University光源光電元件透鏡主光柵指示光柵光柵傳感器由光柵傳感器由光源、透鏡、主光柵（標(biāo)尺光柵）、指示光源、透鏡、主光柵（標(biāo)尺光柵）、指示光柵和光電元件光柵和光電元件構(gòu)成。光源和透鏡組成照明系統(tǒng)，光線經(jīng)過構(gòu)成。光源和透鏡組成照明系統(tǒng)，光線經(jīng)過透鏡后成平行光投向光柵。主光柵與指示光柵在平行光照射透鏡后成平行光投向光柵。主光柵與指示光柵在平行光照射下，形成下，形成莫爾條紋莫爾條紋。光電元件主要有光電

8、池和光敏晶體管，它把莫爾條紋的光電元件主要有光電池和光敏晶體管，它把莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。光柵傳感器的組成光柵傳感器的組成 Xian Jiaotong University主光柵的有效長(zhǎng)度即為主光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍測(cè)量范圍。必要時(shí)，主。必要時(shí)，主光柵可以接長(zhǎng)。光柵可以接長(zhǎng)。主光柵與指示光柵之間主光柵與指示光柵之間的距離的距離d可以根據(jù)光柵的可以根據(jù)光柵的柵距進(jìn)行選擇，一般取柵距進(jìn)行選擇，一般取d=W 2/，W為柵距，為柵距，為為有效光波長(zhǎng)。有效光波長(zhǎng)。測(cè)量系統(tǒng)的精度主要由測(cè)量系統(tǒng)的精度主要由主光柵的精度決定。主光柵的精度決定。光柵傳感器的組成光

9、柵傳感器的組成 Xian Jiaotong University 莫爾條紋莫爾條紋是指當(dāng)指示光柵與主光柵的柵線有一個(gè)微小的是指當(dāng)指示光柵與主光柵的柵線有一個(gè)微小的夾角夾角時(shí)，由于時(shí)，由于擋光效應(yīng)擋光效應(yīng)(當(dāng)線紋密度當(dāng)線紋密度50條條/mm時(shí)時(shí))或光的或光的衍射衍射作用作用(當(dāng)線紋密度當(dāng)線紋密度100條條/mm時(shí)時(shí))，則在近似垂直于柵線方向上，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距顯現(xiàn)出比柵距W大的多的明暗相間的條紋，相鄰的兩明暗條大的多的明暗相間的條紋，相鄰的兩明暗條紋之間的紋之間的距離距離B稱為稱為莫爾條紋間距莫爾條紋間距。 莫爾條紋莫爾條紋 Xian Jiaotong University當(dāng)

10、光柵之間的夾角當(dāng)光柵之間的夾角很小，且很小，且兩光柵的柵距都為兩光柵的柵距都為W時(shí)，莫爾時(shí)，莫爾條紋間距條紋間距B（a-a間距）為間距）為 2sin2WWBKWK為放大倍數(shù)。為放大倍數(shù)。 由于由于值很小，條紋近似與值很小，條紋近似與柵線方向垂直，因此稱為柵線方向垂直，因此稱為橫向橫向莫爾條紋莫爾條紋。莫爾條紋莫爾條紋 Xian Jiaotong University（2）位移放大位移放大：由于：由于值很小，光柵具有位移放大作用，放值很小，光柵具有位移放大作用，放大系數(shù)為：大系數(shù)為： 1,BKradW單位（3）減小誤差減小誤差：光電器件接收的是一段莫爾條紋，條紋是由：光電器件接收的是一段莫爾條紋

11、，條紋是由光柵的大量柵線共同形成的。對(duì)光柵的刻線誤差有平均作用。光柵的大量柵線共同形成的。對(duì)光柵的刻線誤差有平均作用。個(gè)別柵線的柵距誤差或斷線等疵病對(duì)莫爾條紋的影響很小，個(gè)別柵線的柵距誤差或斷線等疵病對(duì)莫爾條紋的影響很小，從而提高了光柵傳感器的可靠性和測(cè)量精度。從而提高了光柵傳感器的可靠性和測(cè)量精度。 （1）運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系：任意一個(gè)光柵沿垂直于柵線的方向每移：任意一個(gè)光柵沿垂直于柵線的方向每移動(dòng)一個(gè)柵距動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋近似沿柵線方向移動(dòng)一個(gè)條紋間距；，莫爾條紋近似沿柵線方向移動(dòng)一個(gè)條紋間距；光柵反方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也作反方向移動(dòng)。因此可以通光柵反方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也作反方向

12、移動(dòng)。因此可以通過測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向判斷主光柵（或指示光過測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向判斷主光柵（或指示光柵）的位移量和位移方向。柵）的位移量和位移方向。莫爾條紋特征莫爾條紋特征 Xian Jiaotong University 通過前面的分析知道，主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距通過前面的分析知道，主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫，莫爾條紋就變化一個(gè)周期爾條紋就變化一個(gè)周期2，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋的變化變成電信號(hào)條紋的變化變成電信號(hào)，電壓的大小對(duì)應(yīng)于與莫爾條紋的，電壓的大小對(duì)應(yīng)于與莫爾條紋的亮度，它的波形近似于一個(gè)直流分量和一個(gè)正弦波交流分亮度，它的波形近似于

13、一個(gè)直流分量和一個(gè)正弦波交流分量的疊加。量的疊加。 0sin360mxUUUW式中式中W柵距；柵距；x主光柵與指示光柵間瞬時(shí)位移；主光柵與指示光柵間瞬時(shí)位移；U0直流電壓分量；直流電壓分量；Um交流電壓分量幅值；交流電壓分量幅值；U輸出電壓。輸出電壓。光柵信號(hào)輸出光柵信號(hào)輸出 Xian Jiaotong University將該電壓信號(hào)將該電壓信號(hào)放大、整形放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)使其變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路微分電路轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過辨向電路辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可在顯示和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。器上以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出

14、位移量的大小。位移量為位移量為脈沖數(shù)脈沖數(shù)與與柵距柵距的乘積：的乘積：xNW 光柵信號(hào)輸出光柵信號(hào)輸出 Xian Jiaotong University 由于光柵傳感器只能產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，因此不能判由于光柵傳感器只能產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，因此不能判斷斷x移動(dòng)的方向。為了能夠辨別方向，需要在移動(dòng)的方向。為了能夠辨別方向，需要在間距為間距為B/4的的位置設(shè)置兩個(gè)光電元件位置設(shè)置兩個(gè)光電元件，以得到兩個(gè)相位差為，以得到兩個(gè)相位差為90的正弦的正弦信號(hào)，然后將信號(hào)送到信號(hào)，然后將信號(hào)送到辨向電路辨向電路中去處理。中去處理。 辨向電路辨向電路 Xian Jiaotong Universityu1u2u1u

15、2xOxxxxxxxxOOOOOOu2u1u1u1Wu1WY1Y2Hu1u2u1u2xOxxxxxxxxOOOOOOu2u1u1u1Wu1WY1Y2H（a）（b）Xian Jiaotong University當(dāng)主光柵向左移動(dòng)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電元件當(dāng)主光柵向左移動(dòng)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電元件1和和2分別輸出分別輸出如前圖（如前圖（a）所示的電壓信號(hào)）所示的電壓信號(hào)u1、u2，經(jīng)過放大整形后得到相位相差，經(jīng)過放大整形后得到相位相差90的兩個(gè)方波信號(hào)的兩個(gè)方波信號(hào)u1、u2。u1經(jīng)反相后得到方波經(jīng)反相后得到方波u”1。u1和和u”1經(jīng)經(jīng)RC微分微分電路后得到兩組光脈沖信號(hào)電路后得到兩組光

16、脈沖信號(hào)u1w和和u”1w，分別加到與門，分別加到與門Y1和和Y2的輸入端。的輸入端。對(duì)與門對(duì)與門Y1，由于，由于u1w處于高電平時(shí)處于高電平時(shí)u2總是低電平，故脈沖被阻塞總是低電平，故脈沖被阻塞Y1無輸無輸出。對(duì)與門出。對(duì)與門Y2，u1w處于高電平時(shí)處于高電平時(shí)u2也正處于高電平，故允許脈沖通過，也正處于高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置“1”，可逆計(jì)數(shù)器對(duì)與門，可逆計(jì)數(shù)器對(duì)與門Y2輸出的脈沖進(jìn)輸出的脈沖進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。行加法計(jì)數(shù)。同理，當(dāng)主光柵反向移動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)波形如圖（同理，當(dāng)主光柵反向移動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)波形如圖（b）所示，與門）所示，與門Y2阻塞

17、，阻塞，Y1輸出脈沖信號(hào)使觸發(fā)器置輸出脈沖信號(hào)使觸發(fā)器置“0”，可逆計(jì)數(shù)器對(duì)與門，可逆計(jì)數(shù)器對(duì)與門Y1輸出的輸出的脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。這樣每當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，辨向電路只輸出一脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。這樣每當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，辨向電路只輸出一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器所計(jì)的脈沖數(shù)即代表光柵位移。個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器所計(jì)的脈沖數(shù)即代表光柵位移。 辨向電路辨向電路 Xian Jiaotong University 若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨率為光若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。柵柵距。 為了提高分辨率和測(cè)得比柵距更小的位移量，可以為了提高分辨率和測(cè)得比柵距更小的位移量，可以增加增

18、加刻線密度刻線密度，但這種方法制造、安裝及調(diào)試?yán)щy；，但這種方法制造、安裝及調(diào)試?yán)щy； 采用采用細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)：它是在莫爾條紋信號(hào)變化的一個(gè)周期內(nèi)，：它是在莫爾條紋信號(hào)變化的一個(gè)周期內(nèi)，給出若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來減小脈沖當(dāng)量的方法。給出若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來減小脈沖當(dāng)量的方法。 在一個(gè)莫爾條在一個(gè)莫爾條紋的間隔內(nèi)，放置若干個(gè)光電元件，使光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距紋的間隔內(nèi)，放置若干個(gè)光電元件，使光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)輸出均勻分布的時(shí)輸出均勻分布的n個(gè)脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，個(gè)脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨率提高到使分辨率提高到W/n。細(xì)分電路細(xì)分電路 Xian Jiaotong Univers

19、ity四倍頻細(xì)分法四倍頻細(xì)分法 在辨向原理中已知，在相差在辨向原理中已知，在相差B/4位置上安裝兩個(gè)光位置上安裝兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位相差電元件，得到兩個(gè)相位相差/2的電信號(hào)。的電信號(hào)。 若將這兩個(gè)信號(hào)反相就可以得到四個(gè)依次相差若將這兩個(gè)信號(hào)反相就可以得到四個(gè)依次相差/2的的信號(hào)，從而可以在移動(dòng)信號(hào)，從而可以在移動(dòng)一個(gè)柵距的周期內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)一個(gè)柵距的周期內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖脈沖，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。細(xì)分方法有多種，如細(xì)分方法有多種，如直接細(xì)分直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分、軟件細(xì)分等，直接細(xì)分又稱為細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分、軟件細(xì)分等，直接細(xì)分又稱為位置

20、細(xì)分，常用的是四倍頻細(xì)分。位置細(xì)分，常用的是四倍頻細(xì)分。細(xì)分電路細(xì)分電路 Xian Jiaotong University四倍頻細(xì)分電路及波形四倍頻細(xì)分電路及波形 Xian Jiaotong University光柵傳感器產(chǎn)品光柵傳感器產(chǎn)品 線位移光柵傳感器線位移光柵傳感器 圓光柵編碼器圓光柵編碼器 Xian Jiaotong University 數(shù)控機(jī)床位置控制框圖數(shù)控機(jī)床位置控制框圖 由控制系統(tǒng)生成的指令由控制系統(tǒng)生成的指令Pc控制工作臺(tái)移動(dòng)，光柵傳感器不控制工作臺(tái)移動(dòng)，光柵傳感器不斷檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位置斷檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位置Pf并進(jìn)行反饋，形成位置偏差并進(jìn)行反饋，形成位置偏差Pe，調(diào)，

21、調(diào)整工作臺(tái)的位置。當(dāng)整工作臺(tái)的位置。當(dāng)Pe=0時(shí)，表示工作臺(tái)已到達(dá)指令位置。時(shí)，表示工作臺(tái)已到達(dá)指令位置。光柵數(shù)字傳感器的應(yīng)用光柵數(shù)字傳感器的應(yīng)用 Xian Jiaotong University感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 v 感應(yīng)同步器由感應(yīng)同步器由兩個(gè)印刷電路繞組兩個(gè)印刷電路繞組構(gòu)成，類似于變壓器的初、構(gòu)成，類似于變壓器的初、次級(jí)繞組，又稱平面變壓器。次級(jí)繞組，又稱平面變壓器。 v 相對(duì)位移會(huì)引起兩個(gè)繞組間的相對(duì)位移會(huì)引起兩個(gè)繞組間的互感量互感量變化，因此可以測(cè)量變化，因此可以測(cè)量位移，分為位移，分為直線型（直線位移）直線型（直線位移）和和圓盤型（角位移）圓盤型（角位移）。v 直線型感應(yīng)同步器的

22、基本結(jié)構(gòu)：直線型感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)： 由定尺和滑尺組成由定尺和滑尺組成定尺安裝在固定部件上（如機(jī)床臺(tái)定尺安裝在固定部件上（如機(jī)床臺(tái)座），滑尺與運(yùn)動(dòng)部件（如機(jī)床刀架）一起沿定尺移動(dòng)。座），滑尺與運(yùn)動(dòng)部件（如機(jī)床刀架）一起沿定尺移動(dòng)。 繞組分布不同繞組分布不同定尺是連續(xù)繞組，滑尺是分段繞組。分段定尺是連續(xù)繞組，滑尺是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差繞組分為兩組，布置成在空間相差90 相角，又稱為正、余相角，又稱為正、余弦繞組。弦繞組。Xian Jiaotong University直線型感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu)直線型感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu) 節(jié)距節(jié)距 Xian Jiaotong Univer

23、sityv 圓盤式感應(yīng)同步器（旋轉(zhuǎn)式）圓盤式感應(yīng)同步器（旋轉(zhuǎn)式） 圓盤式感應(yīng)同步器圓盤式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成，形狀呈圓片形，定子由定子和轉(zhuǎn)子組成，形狀呈圓片形，定子相當(dāng)于直線式感應(yīng)同步器的滑尺，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于定尺。相當(dāng)于直線式感應(yīng)同步器的滑尺，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于定尺。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 Xian Jiaotong Universityv 定尺或滑尺其中一種繞組上通以定尺或滑尺其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓交流激勵(lì)電壓，由于，由于電磁電磁耦合耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)隨定，該電動(dòng)勢(shì)隨定尺與滑尺的相對(duì)位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。再通過尺與滑尺的相對(duì)

24、位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化。再通過對(duì)此信號(hào)的處理，便可測(cè)量出對(duì)此信號(hào)的處理，便可測(cè)量出直線位移量直線位移量。感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 定尺與滑尺間的定尺與滑尺間的氣隙應(yīng)保持在氣隙應(yīng)保持在0.250.05mm范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。Xian Jiaotong University感應(yīng)同步器中的感應(yīng)同步器中的電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)dIeMdt Xian Jiaotong University感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 Xian Jiaotong University在滑尺上施加的正弦激磁電壓為：在滑尺上施加的正弦激磁電壓為： 正弦或余弦繞組在定尺上相應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分別為：正弦或

25、余弦繞組在定尺上相應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分別為： 2cossinSmek UtxW 2coscosCmek UtxW sinimuUt感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 式中式中x機(jī)械位移；機(jī)械位移；W繞組節(jié)距；繞組節(jié)距；R激勵(lì)繞組激勵(lì)繞組內(nèi)阻，忽略感抗；內(nèi)阻，忽略感抗；M互感系數(shù)?；ジ邢禂?shù)。 cosimduMek UtR dt 感生電勢(shì)為：感生電勢(shì)為： Xian Jiaotong University感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 v 感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)是一個(gè)反映定尺與滑尺相對(duì)位移的感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)是一個(gè)反映定尺與滑尺相對(duì)位移的交變感應(yīng)電勢(shì)交變感應(yīng)電勢(shì)，可以通過，可以通過鑒相

26、法鑒相法或或鑒幅法鑒幅法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，得到位移信息。處理，得到位移信息。v 鑒相法：根據(jù)感生電勢(shì)的相位鑒別位移量鑒相法：根據(jù)感生電勢(shì)的相位鑒別位移量； 在滑尺的正弦、余弦繞組上施加頻率相同、幅值相同、相位在滑尺的正弦、余弦繞組上施加頻率相同、幅值相同、相位差為差為90 的交流電壓勵(lì)磁，即的交流電壓勵(lì)磁，即 定尺輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為：定尺輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為： 將感生電勢(shì)輸入數(shù)字鑒相電路，可由相位得到位移。將感生電勢(shì)輸入數(shù)字鑒相電路，可由相位得到位移。sincossmcmuUtuUtcos()sinsin()cossin()SCmmmeeek Utk Utk Ut xW2練習(xí)練習(xí)

27、 v 某感應(yīng)同步器采用鑒相型測(cè)量電路解算被測(cè)位移，當(dāng)定尺節(jié)距為0.5mm，激勵(lì)電壓為5sin500t V和5cos500t V時(shí)，定尺上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 ，試計(jì)算此時(shí)的位移。 解：采用鑒相型電路測(cè)量時(shí)，被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為載波相位的變化，即 ，根據(jù)已知條件，可得：Xian Jiaotong University22.5 10sin 500V5t2xW10.50.05mm252WxXian Jiaotong University感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理v 鑒幅法：根據(jù)感生電勢(shì)的幅值鑒別位移量。鑒幅法：根據(jù)感生電勢(shì)的幅值鑒別位移量。 在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、幅值不同的在

28、滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、幅值不同的正弦勵(lì)磁電壓，即正弦勵(lì)磁電壓，即 定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為：定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為： 將感生電勢(shì)輸入數(shù)字鑒幅電路，可由幅值得到位移。將感生電勢(shì)輸入數(shù)字鑒幅電路，可由幅值得到位移。 coscossScCuUtuUtcossinsmcmUUUU cossin()sinsinsinsin()cossin)SCmmmeeek UtkkUttU Xian Jiaotong University感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 定尺、滑尺定尺、滑尺 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 數(shù)顯表數(shù)顯表 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 Xian Jiaotong Uni

29、versity感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 v 當(dāng)位移超過節(jié)距當(dāng)位移超過節(jié)距W時(shí)，感應(yīng)同步器的輸出電勢(shì)不能反映位時(shí)，感應(yīng)同步器的輸出電勢(shì)不能反映位移的絕對(duì)值，為了在較大范圍內(nèi)測(cè)量位移，需要采用下列移的絕對(duì)值，為了在較大范圍內(nèi)測(cè)量位移，需要采用下列方法：方法： 三重直線感應(yīng)同步器三重直線感應(yīng)同步器：定尺上有：定尺上有粗、中、細(xì)三組繞組粗、中、細(xì)三組繞組，組成，組成三個(gè)獨(dú)立的傳感通道，其中細(xì)繞組的節(jié)距為三個(gè)獨(dú)立的傳感通道，其中細(xì)繞組的節(jié)距為2mm，用來確，用來確定定2m

30、m以內(nèi)的位移；中繞組的節(jié)距為以內(nèi)的位移；中繞組的節(jié)距為200mm，確定，確定2200mm的位移；粗繞組節(jié)距為的位移；粗繞組節(jié)距為4000mm，確定，確定2004000mm的位移。該系統(tǒng)電路較復(fù)雜。的位移。該系統(tǒng)電路較復(fù)雜。 接長(zhǎng)法接長(zhǎng)法：常見標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器的定尺長(zhǎng)度為：常見標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器的定尺長(zhǎng)度為250mm，當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度超過當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度超過250mm時(shí)，可以將多塊定尺接長(zhǎng)使用，增時(shí)，可以將多塊定尺接長(zhǎng)使用，增大測(cè)量范圍。大測(cè)量范圍。Xian Jiaotong Universityv 感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是：感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是： 輸出信號(hào)不經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有較高的精度與分辨力；輸出信號(hào)不

31、經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有較高的精度與分辨力； 基于電磁感應(yīng)原理，幾乎不受溫度、油污、塵埃等影響，抗基于電磁感應(yīng)原理，幾乎不受溫度、油污、塵埃等影響，抗干擾能力強(qiáng)；干擾能力強(qiáng)； 定尺與滑尺是非接觸測(cè)量，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；定尺與滑尺是非接觸測(cè)量，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單； 可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量，行程從幾米到幾十米；可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量，行程從幾米到幾十米； 工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 v 廣泛用于廣泛用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床程控?cái)?shù)控機(jī)床及及高精度重型機(jī)床高精度重型機(jī)床及加工中測(cè)量裝置等。及加工中測(cè)量裝置等。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 X

32、ian Jiaotong University光電編碼器光電編碼器 v 角度編碼器角度編碼器是測(cè)量角位移的最直接、最有效的數(shù)字式傳感是測(cè)量角位移的最直接、最有效的數(shù)字式傳感器，它把角位移直接轉(zhuǎn)換成器，它把角位移直接轉(zhuǎn)換成脈沖脈沖或或二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼，分為，分為增量增量編碼器（脈沖盤式）編碼器（脈沖盤式）和和絕對(duì)編碼器（碼盤式）絕對(duì)編碼器（碼盤式）。v 按結(jié)構(gòu)分為按結(jié)構(gòu)分為光電式光電式、電觸式、電容式和電磁感應(yīng)式。光電、電觸式、電容式和電磁感應(yīng)式。光電式具有非接觸、體積小、分辨率高、可靠性好、使用方便式具有非接觸、體積小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人位置控制等領(lǐng)域有

33、廣泛應(yīng)用。等特點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人位置控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。v 光電式編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上同心碼光電式編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上同心碼道，二進(jìn)制編碼道，二進(jìn)制編碼“0或或1”不透光或透光區(qū)域。不透光或透光區(qū)域。 Xian Jiaotong University絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器 標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼器標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼器(8421碼盤碼盤) 紅色不透光紅色不透光“0” 四位光電碼盤上，有四四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為編碼數(shù)為24=16個(gè)。個(gè)。 每個(gè)數(shù)位都對(duì)應(yīng)有一個(gè)每個(gè)數(shù)位都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電器件及放大、整形電路。光電器件及放大

34、、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)。成為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)。角度分辨率為：角度分辨率為：1360 2nXian Jiaotong University絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器v 二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，n個(gè)碼道由內(nèi)到外編碼為個(gè)碼道由內(nèi)到外編碼為Cn，Cn-1，C1，對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為，對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為 ；v 碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，Ck變化時(shí)，所有變化時(shí)，所有Cj（jk）應(yīng)同時(shí)變化；）應(yīng)同時(shí)變化；v 為了達(dá)到為了達(dá)到1”左右的分辨率，需要左右

35、的分辨率，需要20或或21位碼盤，對(duì)于刻劃位碼盤，對(duì)于刻劃直徑為直徑為400mm的碼盤，外圈間隔約為的碼盤，外圈間隔約為1m，要求刻劃精，要求刻劃精確，嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。確，嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。1112niiiCXian Jiaotong Universityv 由于光電器件安裝誤差的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段邊緣由于光電器件安裝誤差的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段邊緣交替位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交替位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差。 例如，當(dāng)碼盤由位置例如，當(dāng)碼盤由位置“0111”變?yōu)樽優(yōu)椤?000”時(shí)時(shí)四位數(shù)要四位數(shù)要同時(shí)變化，可能將數(shù)碼誤讀成同時(shí)變化，可能將數(shù)碼誤讀成1111、1011、1101、0001等，產(chǎn)生無法估計(jì)

36、的數(shù)值誤差，這種誤差稱為等，產(chǎn)生無法估計(jì)的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值非單值性誤差。性誤差。 實(shí)際絕對(duì)編碼器常采用實(shí)際絕對(duì)編碼器常采用循環(huán)碼盤（格雷碼盤）循環(huán)碼盤（格雷碼盤）；絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器 Xian Jiaotong University格雷碼盤格雷碼盤 任意相鄰的兩個(gè)代碼任意相鄰的兩個(gè)代碼間只有一位代碼有變化，間只有一位代碼有變化，即由即由“0”變?yōu)樽優(yōu)椤?”或或“1”變?yōu)樽優(yōu)椤?”。 因此，讀數(shù)誤差最多因此，讀數(shù)誤差最多不超過不超過“1”，只可能讀成，只可能讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)有效消除非單值性誤差。有效消除非單值性誤差。絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器 Xian Jia

37、otong University碼盤最外圈上的信碼盤最外圈上的信號(hào)位的位置正好與狀態(tài)號(hào)位的位置正好與狀態(tài)交線錯(cuò)開，只有信號(hào)位交線錯(cuò)開，只有信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)才處的光電元件有信號(hào)才能讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)能讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。生非單值性誤差。 信號(hào)位信號(hào)位 絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器 Xian Jiaotong University光學(xué)碼盤測(cè)角原理光學(xué)碼盤測(cè)角原理1光源、光源、2聚光鏡、聚光鏡、3碼盤、碼盤、4窄縫、窄縫、5一排光電元件一排光電元件 Xian Jiaotong University增量編碼器增量編碼器 一般只有三個(gè)碼道，不直接輸一般只有三個(gè)碼道，不直接輸出編碼。出編碼。

38、外碼道外碼道產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的增量碼道；增量碼道；內(nèi)碼道內(nèi)碼道辨向碼道，其辨辨向碼道，其辨向方法與光柵的辨向原理相向方法與光柵的辨向原理相同。同。中間碼道中間碼道開有一個(gè)窄縫，開有一個(gè)窄縫，用于產(chǎn)生定位或零位信號(hào)。用于產(chǎn)生定位或零位信號(hào)。光電脈沖信號(hào)通過整形、放大、細(xì)分、辨向后輸出脈光電脈沖信號(hào)通過整形、放大、細(xì)分、辨向后輸出脈沖信號(hào)或顯示角位移，分辨率以每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)表示。沖信號(hào)或顯示角位移，分辨率以每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)表示。Xian Jiaotong University光電編碼器的應(yīng)用光電編碼器的應(yīng)用 v 除了測(cè)量角位移，還可通過脈沖測(cè)量轉(zhuǎn)速。除了測(cè)量角位移，還可通過脈沖測(cè)量轉(zhuǎn)速。f為脈沖頻率：為脈沖頻率： 每轉(zhuǎn)產(chǎn)生每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在個(gè)脈沖，在T (秒秒)時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)測(cè)得測(cè)得m個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速為：個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速為：6060(r/min)fmnNNT每轉(zhuǎn)產(chǎn)生每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，測(cè)得兩相鄰