頻率式和數(shù)字式傳感器

頻率式和數(shù)字式傳感器第一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.1振弦式頻率傳感器

5.1.1振弦式頻率傳感器的結(jié)構(gòu)原理振弦式傳感器是以被拉緊了的細(xì)弦作為敏感元件，

其結(jié)構(gòu)如圖5－1所示。

當(dāng)一根工作長(zhǎng)度為l，

工作段質(zhì)量為m的細(xì)弦，

一端固定，另一端施加一個(gè)初始張力F時(shí)，

弦的橫向振動(dòng)的固有頻率f可由下式計(jì)算：

（5-1）

式（5-1）說明，當(dāng)m、l不變，張力F變化ΔF時(shí)，弦的自振頻率也有一個(gè)變化Δf。這里的ΔF是由壓力p經(jīng)膜盒產(chǎn)生的，測(cè)出這個(gè)頻率變化，便可得壓力p。根據(jù)力與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，

通過測(cè)量弦的自振頻率也可以測(cè)量應(yīng)力與應(yīng)變。

第二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-1振弦式傳感器原理及間歇激勵(lì)方式圖（a）

自激式；

（b）

他激式；

（c）

激勵(lì)與輸出波形

第三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.1.2頻率測(cè)量方案1.激勵(lì)方式1）間歇激勵(lì)方式振弦的間歇激勵(lì)有自激式和他激式兩種方式。（1）

圖5-1（a）為自激式：

在弦的兩側(cè)放一永久磁鐵，

工作時(shí)，

弦中通以脈沖電流，

脈沖電流受磁場(chǎng)作用使弦起振。

起振后，

弦作為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，

感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)，

通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率，

即為振弦的自由振動(dòng)頻率。

第四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）圖5-1（b）為他激式：在弦的兩側(cè)分別放一個(gè)激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈。激勵(lì)線圈繞在軟磁鐵上，測(cè)量線圈繞在永久磁鐵上，弦上固定一個(gè)軟鐵塊。給激勵(lì)線圈通以脈沖電流，振弦便被吸放一次，開始起振。振弦在振動(dòng)中引起測(cè)量線圈磁路的交替變化，線圈中便感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率就等于振弦的自由振動(dòng)頻率。若振弦為鐵磁材料，則可省去軟鐵塊。對(duì)于深井井下壓力的測(cè)量，

一般采用間歇振蕩電路，

可使連線最少。如圖5-1（c）所示，

其輸出波形是一個(gè)衰減振蕩，

但頻率不變，因此可通過頻率測(cè)量得到被測(cè)非電量的數(shù)值。

第五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2）連續(xù)激勵(lì)方式如圖5-2所示，

振弦接在放大器的正反饋回路中，

起著選頻元件的作用。

因振弦在其固有頻率下具有尖銳的阻抗特性，

所以電路只能在振弦的固有頻率上才能滿足振蕩條件。電阻R1、R2和場(chǎng)效應(yīng)管VD1組成負(fù)反饋電路，

自動(dòng)控制起振條件和振幅，

而由R4、R5及VD2和C組成的電路控制場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，

自動(dòng)穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度，

并為起振創(chuàng)造條件。

當(dāng)電路不振蕩時(shí)，輸出信號(hào)為零，

場(chǎng)效應(yīng)管處于偏壓狀態(tài)，漏源間電阻較小，負(fù)反饋較弱，有利于起振。

振蕩時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)VD2整流，電容C濾波，R4、R5分壓，得到一個(gè)與輸出信號(hào)幅度成正比的負(fù)電壓，使場(chǎng)效應(yīng)管漏源間電阻增大，

負(fù)反饋加強(qiáng)。

輸出信號(hào)越大，負(fù)反饋越強(qiáng)，

更能達(dá)到穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度的作用。

第六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-2連續(xù)激勵(lì)方式電路

第七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.測(cè)量電路頻率的測(cè)量常用兩種方法，一是直讀法，即將傳感器的輸出電動(dòng)勢(shì)經(jīng)放大、整形后送計(jì)數(shù)器顯示其頻率值，或者用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量；二是比較法，即將傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)的頻率與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器發(fā)出的頻率相比較，

當(dāng)兩者頻率相等時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)振蕩器所指頻率值就為被測(cè)頻率值。

常用的比較方法有用示波器顯示的李沙育圖形法、

用單機(jī)指示的諧振法及用檢零指示器測(cè)量的差頻法等。

第八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.2數(shù)

字

編

碼

器

5.2.1數(shù)字式編碼器的輸出形式1.絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器是按位移量直接進(jìn)行編碼的轉(zhuǎn)換器，

其精度達(dá)1%。它的結(jié)構(gòu)和原理可分為接觸式、

光電式和電磁式。

絕對(duì)式編碼器將被測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位置轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字編碼輸出，

即便中途斷電，

重新上電后也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。

顯然，

若要求的分辨力越高、

量程越大，二進(jìn)制的數(shù)位就越多，

結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。

第九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.增量式編碼器增量式編碼器測(cè)量輸出的是當(dāng)前狀態(tài)與前一狀態(tài)的差值，

即增量值。

它通常是以脈沖數(shù)字形式輸出，

然后用計(jì)數(shù)器計(jì)取脈沖數(shù)。

因此它需要規(guī)定一個(gè)脈沖當(dāng)量，

即一個(gè)脈沖所代表的被測(cè)物理量的值，

同時(shí)它還要確定一個(gè)零位標(biāo)志，

即測(cè)量的起始點(diǎn)標(biāo)志。

這樣，

被測(cè)量就等于當(dāng)量值乘以自零位標(biāo)志開始的計(jì)數(shù)值，

其分辨力即為脈沖當(dāng)量值。

例如，

用增量式光電編碼器或光柵測(cè)量直線位移，

若當(dāng)量值為0.01mm，

計(jì)數(shù)值為200時(shí)，

則位移為2.00mm，

分辨力為0.01mm。

增量式測(cè)量的缺點(diǎn)是：

一旦中途斷電，

將無法得知運(yùn)動(dòng)部件的絕對(duì)位置。

第十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.2.2數(shù)字式編碼器的工作原理1.接觸式碼盤圖5-3（a）為一個(gè)四位接觸式碼盤。

涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，

輸出為“1”，空白部分為不導(dǎo)電區(qū)，輸出為“0”。

所有導(dǎo)電部分連在一起，接高電位。

圖示碼盤共有四圈碼道，在每圈碼道上都有一個(gè)電刷，電刷經(jīng)電阻接地。

當(dāng)碼盤與被測(cè)物轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷上出現(xiàn)的電位對(duì)應(yīng)一定的數(shù)碼。若有n條碼道，

則角度分辨率為

（5-2）

第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-3碼盤式轉(zhuǎn)角-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)示意圖（a）

接觸式8421碼盤；

（b）

接觸式格雷碼盤；（c)光電式角編碼器

第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.光電式碼盤光電式碼盤亦稱脈沖式角度—數(shù)字編碼器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-3（c）所示。在一個(gè)圓盤上按碼道開有相等角距的縫隙，在碼道上分為透明區(qū)和不透明區(qū)，分別代表“1”和“0”，相當(dāng)于接觸式碼盤的導(dǎo)電區(qū)和不導(dǎo)電區(qū)。在開縫圓盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，相當(dāng)于接觸式碼盤的電源和電刷。其測(cè)量方法與接觸式碼盤相似。光電式碼盤的優(yōu)點(diǎn)是無觸點(diǎn)磨損，

因而允許高轉(zhuǎn)速；

每條縫隙寬度可做得很小，

所以精度和分辨率很高，

單個(gè)碼盤可做到18位，組合碼盤達(dá)22位。

其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、

價(jià)格昂貴、

光源壽命短。

第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

3.電磁式碼盤它是在導(dǎo)磁體(軟鐵)圓盤上用腐蝕的方法做成一定的編碼圖形，

把碼道分為導(dǎo)磁區(qū)和非導(dǎo)磁區(qū)，

再用一個(gè)很小的馬蹄形磁芯作磁頭，

上面繞兩組繞組，

一次繞組用正弦電流激勵(lì)，

二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

顯然各磁頭感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相對(duì)應(yīng)。

第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.3感

應(yīng)

同

步

器

5.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類1.直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺，

都由圖中的基板、

絕緣層和繞組構(gòu)成，

繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，

如圖5-4所示。

定尺安裝在靜止的機(jī)械設(shè)備上，與導(dǎo)軌母線平行；

滑尺安裝在活動(dòng)的機(jī)械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙。

滑尺相對(duì)定尺而移動(dòng)。

第十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-4直線式感應(yīng)同步器外形

第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五直線式感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其他鋼材做成。這些鋼材的線膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同步器的床身的線膨脹系數(shù)相近，以減小溫度誤差。在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組，

繞組的材料為銅。

考慮到接長(zhǎng)的要求和安裝的方便，

將定尺繞組做成連續(xù)式，

由一連串線圈串聯(lián)而成；

而將滑尺繞組做成分段式，

并分別為正弦繞組（S繞組）和余弦繞組（C繞組），

它們?cè)诳臻g位置上錯(cuò)開而形成90°相位差，

如圖5-5所示。

第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-5定尺和滑尺繞組結(jié)構(gòu)（a）

定尺繞組；

（b）

滑尺繞組

第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.直線式感應(yīng)同步器的種類根據(jù)不同的運(yùn)行方式、精度要求、測(cè)量范圍、安裝條件等，直線式感應(yīng)同步器可設(shè)計(jì)成各種不同的尺寸、形狀和種類。（1）標(biāo)準(zhǔn)型：標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器精度高，應(yīng)用最普遍，每根定尺長(zhǎng)250mm。如果測(cè)量長(zhǎng)度超過175mm時(shí)，可將幾根定尺接起來使用，甚至可連接長(zhǎng)達(dá)十幾米，但必須保持安裝平整，否則極易損壞。（2）

窄型：

窄型直線同步感應(yīng)器中定尺、

滑尺長(zhǎng)度與標(biāo)準(zhǔn)型相同，

僅是定尺寬度為標(biāo)準(zhǔn)型的一半。

用于安裝尺寸受限制的設(shè)備，

精度稍低于標(biāo)準(zhǔn)型。

第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）帶型：定尺的基板改用鋼帶，滑尺做成滑標(biāo)式，直接套在定尺上。安裝表面不用加工。使用時(shí)只需將鋼帶兩頭固定即可。（4）

三重型：

在一根定尺上有粗、

中、

精三種繞組，

以便構(gòu)成絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。

第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.3.2感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器利用定尺和滑尺的兩個(gè)平面印刷電路繞組的互感隨其相對(duì)位置變化的原理，

將位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

感應(yīng)同步器工作時(shí)，

定尺和滑尺相互平行、

相對(duì)放置，

它們之間保持一定的氣隙（0.25±0.005）mm，

定尺固定，

滑尺可動(dòng)。

當(dāng)滑尺的S和C繞組分別通過一定的正、

余弦電壓激勵(lì)時(shí)，

定尺繞組中就會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，

其值是定、

滑尺相對(duì)位置的函數(shù)。

第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五如圖5-6所示，

先考慮對(duì)S繞組單獨(dú)勵(lì)磁，

滑尺處在A點(diǎn)的位置時(shí)，

滑尺S繞組與定尺某一繞組重合，

定尺感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值最大；

當(dāng)滑尺向右移動(dòng)W/4距離到達(dá)B點(diǎn)的位置時(shí)，

定尺感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零；

當(dāng)滑尺移過W/2至C點(diǎn)位置時(shí)，

定尺感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)的最大值；

當(dāng)移過3W/4至D點(diǎn)的位置時(shí)，

定尺感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又為零，

其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖5-6中曲線1所示。

同理，

余弦繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)，

定尺感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化如曲線2所示。

定尺上產(chǎn)生的總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是正弦、

余弦繞組分別勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和。

第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-6感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與兩相繞組相對(duì)位置的關(guān)系

第二十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.3.3感應(yīng)同步器的信號(hào)處理方式1.鑒相型給滑尺的S和C繞組以等頻、等幅、相位差為90°的電壓分別激磁，就可根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位來鑒別位移量。若定尺節(jié)距為W（標(biāo)準(zhǔn)為2mm），機(jī)械位移x引起的電相角變化為，其總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與兩尺的相對(duì)位移x關(guān)系為（5-3）

第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.鑒幅型如果給滑尺的正、余弦繞組以同頻、

同相但不等幅的電壓激磁時(shí)，

則可根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的幅值來鑒別位移量，稱為鑒幅型。

正、余弦同時(shí)激磁時(shí)的總感應(yīng)電勢(shì)為

（5-4）

式中，φ為給定電角度；位移;感應(yīng)電勢(shì)的幅值為kωUmcos(φ-θ)，即幅值與x有關(guān)。第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.4磁

柵

傳

感

器5.4.1磁柵的結(jié)構(gòu)磁柵傳感器由磁柵（簡(jiǎn)稱磁尺）、

磁頭和檢測(cè)電路組成。

磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基，

在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，

然后錄上一定波長(zhǎng)的磁信號(hào)而制成的。

磁信號(hào)的波長(zhǎng)（周期）又稱節(jié)距，

用W表示。

磁信號(hào)的極性是首尾相接，

在N、N重疊處為正的最強(qiáng)，

在S、S重疊處為負(fù)的最強(qiáng)。

磁尺的斷面和磁化圖形如圖5-7所示。

第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-7磁柵傳感器示意圖

第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.4.2磁柵的工作原理這里以靜態(tài)磁頭為例，簡(jiǎn)要說明磁柵傳感器的工作原理。

靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)如圖5-7所示，它有兩組繞組N1和N2。其中，N1為勵(lì)磁繞組，N2為感應(yīng)輸出繞組。在勵(lì)磁繞組中通入交變的勵(lì)磁電流，一般頻率為5kHz或25kHz，

幅值約為200mA。

勵(lì)磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較?。┰诿恐芷趦?nèi)發(fā)生兩次磁飽和。磁飽和時(shí)磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。只有在勵(lì)磁電流每周兩次過零時(shí)，可飽和磁芯才能導(dǎo)磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e?？梢姼袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為勵(lì)磁電流頻率的兩倍，而e的包絡(luò)線反映了磁頭與磁尺的位置關(guān)系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁通的大小成正比。

第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.5光

柵

傳

感

器5.5.1光柵的類型與結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的光柵有透射光柵和反射光柵，按其工作原理可分為黑白光柵（幅射光柵）和相位光柵（炫耀光柵）；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。如圖5-8所示，

黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學(xué)玻璃上，

均勻地刻上許多明暗相間，

寬度相同的透光線，

稱為柵線。

設(shè)柵線寬為a，

線間縫寬為b，

a+b=W稱為光柵節(jié)距(柵距)。

通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9；

目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250線。

使用時(shí)，長(zhǎng)光柵裝在運(yùn)動(dòng)部件上，

稱為標(biāo)尺光柵;短光柵裝在固定部件上，稱為指示光柵。

第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-8黑白透射光柵示意圖（a）

標(biāo)尺光柵；

（b）

指示光柵

第三十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.5.2莫爾條紋的形成原理與特點(diǎn)1.莫爾條紋的形成原理按照光學(xué)原理，對(duì)于柵距遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)的粗光柵，可以利用幾何光學(xué)的遮光原理來解釋莫爾條紋的形成。如圖5-9所示，

當(dāng)兩個(gè)有相同柵距的光柵合在一起，

其柵線之間傾斜一個(gè)很小的夾角θ，于是在近乎垂直于柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。

例如在h-h線上，

兩個(gè)光柵的柵線彼此重合，從縫隙中通過光的一半，

透光面積最大，形成條紋的亮帶；在g-g線上，

兩光柵的柵線彼此錯(cuò)開，

形成條紋的暗帶；

當(dāng)a=b=W/2時(shí)，

g-g線上是全黑的。

第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-9莫爾條紋原理（a）

莫爾條紋的形成；

（b）

莫爾條紋的寬度

第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.莫爾條紋的寬度橫向莫爾條紋的寬度B與柵距W和傾斜角θ之間的關(guān)系，

可由圖5-9（b）求出（當(dāng)θ角很小時(shí)）：

（5-5）

第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.莫爾條紋的特點(diǎn)式（5-5）說明莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：（1）對(duì)位移的光學(xué)放大作用：即把極細(xì)微的柵線放大為很寬的條紋，便于測(cè)試。例如θ=10′，則，若W=0.01mm,則B=3.34mm。（2）連續(xù)變倍的作用：其放大倍數(shù)可通過使θ角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細(xì)的莫爾條紋。第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）對(duì)光柵刻線的誤差均衡作用：光柵的刻線誤差是不可避免的。由于莫爾條紋是由大量柵線共同組成的，光電元件感受的光通量是其視場(chǎng)覆蓋的所有光柵光通量的總和，具有對(duì)光柵的刻線誤差的平均效應(yīng)，從而能消除短周期的誤差。例如對(duì)50線/mm的光柵（W=0.02mm），用5mm×5mm的光電池接收，光電池視場(chǎng)內(nèi)覆蓋250條柵線。若每條刻線誤差為δ0=±0.001mm，則平均誤差。第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

4.莫爾條紋的移動(dòng)方向當(dāng)主光柵沿柵線垂直方向移動(dòng)時(shí)，

莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動(dòng)。

莫爾條紋移動(dòng)時(shí)的方向和光柵夾角的關(guān)系見表5-1。

第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五表5-1莫爾條紋和光柵移動(dòng)方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系

第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

5.莫爾條紋測(cè)量位移的原理光柵每移過一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移過一個(gè)間距B。通過測(cè)量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強(qiáng)隨莫爾條紋的移動(dòng)而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號(hào)和一交流信號(hào)的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示，如圖5-10所示。只要測(cè)量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動(dòng)數(shù)）就可知道光柵的位移量x，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為x=N·W第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-10光電元件輸出與光柵位移的關(guān)系第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.6容

柵

傳

感

器

5.6.1容柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，容柵傳感器可分為三類，

即直線型容柵傳感器、圓型容柵傳感器和圓筒型容柵傳感器。

其中，

直線型和圓筒型容柵傳感器用于直線位移的測(cè)量，

圓型容柵傳感器用于角位移的測(cè)量，

圖5-11為直線型容柵傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖5-11直線型容柵傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（a）定尺、動(dòng)尺上的電極；（b）定尺、動(dòng)尺的位置關(guān)系；（c）

發(fā)射電極和反射電極的相互關(guān)系

第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)動(dòng)尺向右移動(dòng)距離x時(shí)，發(fā)射電極與反射電極間的相對(duì)面積發(fā)生變化，反射電極上的電荷量發(fā)生變化，并將電荷感應(yīng)到接收電極上，則在接收電極上累積的電荷Q為Q=Csin(ωt+θx)（5-7）

式中，C為電荷系數(shù)；ω為激勵(lì)信號(hào)頻率；θx為由位移x引起的相位角。相位角θx為（5-8）

式中，W為發(fā)射極節(jié)距。

第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.6.2容柵傳感器的測(cè)量電路

圖5-12容柵傳感器的測(cè)量電路框圖

第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.6.3容柵傳感器的特點(diǎn)（1）線性好：可優(yōu)于0.01%，從而可制出高精度的測(cè)量系統(tǒng)。例如當(dāng)分辨率為1μm時(shí)，精度可達(dá)5μm/525mm。（2）結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，便于微型化且價(jià)格低，特別適用于小型量?jī)x、量具。（3）易于屏蔽：有時(shí)單獨(dú)利用電極布置就可對(duì)外界電場(chǎng)干擾進(jìn)行屏蔽，且不受磁場(chǎng)影響。

（4）

能耗?。涸诔Ｓ脺y(cè)量信號(hào)頻率范圍（約10kHz～1MHz）內(nèi)可小至幾微瓦。

這一優(yōu)點(diǎn)十分重要，使得采用電容傳感器的儀表能采用微型高能電池供電，

而附帶的好處是使電路系統(tǒng)得以免除電源干擾。

第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.7球同步器（球柵）

5.7.1球同步器的特點(diǎn)1.球同步器的優(yōu)點(diǎn)（1）采用全密封型結(jié)構(gòu)：球同步器的高精度鋼球和線圈均被完全密封，可以在水中或油中工作。因此球同步器特別適用于水下機(jī)械和一些必須浸在水中進(jìn)行加工的材料的加工機(jī)械。（2）

尺體為金屬結(jié)構(gòu)、保護(hù)良好：不受冷卻水、冷卻液、

金屬粉末或塵土等影響而污損。

第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）殼體剛性強(qiáng)、密封好：當(dāng)使用噴氣槍清理機(jī)床時(shí)，直接噴射到球同步器上也不會(huì)被損壞。（4）溫度特性好：基準(zhǔn)鋼球的線脹系數(shù)與鋼鐵的相同，對(duì)車間溫度的變化不敏感。（5）抗干擾能力強(qiáng)：能在強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)幅射條件下工作，可用于原子反應(yīng)堆。（6）

安裝方便：

球同步器采用組裝式結(jié)構(gòu)，

安裝方便。

第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五

2.球同步器的技術(shù)指標(biāo)Newall公司作為商品出售的球同步器組裝尺的型號(hào)是J型，與之相配的球同步器數(shù)顯表是DIGLPAC5型，組成測(cè)量系統(tǒng)后所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：（1）標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度：3500mm。（2）最大長(zhǎng)度：6858mm。（3）最高測(cè)量速度：120m/min。（4）

分辨率：0.005mm、0.01mm。

第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五（5）準(zhǔn)確度A：±(0.005+0.01L)mm（其中，L為量程，單位為m）。由此可得不同量程L時(shí)的準(zhǔn)確度A為L(zhǎng)＝102mm時(shí)，A＝±0.006mm。L＝1000mm時(shí)，A＝±0.015mm。L=1524mm時(shí)，A＝±0.020mm。L＝4064mm時(shí)，A＝±0.046mm。L＝4318mm時(shí)，A＝±0.048mm。L＝6858mm時(shí)，A＝±0.074mm。第四十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.7.2球同步器的外形和結(jié)構(gòu)1.球同步器組裝尺的外形和結(jié)構(gòu)球同步器組裝尺的外形和結(jié)構(gòu)如圖5-13