位移數(shù)字傳感器

位移數(shù)字傳感器第1頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副、光電元件四大部分組成，如圖10-1所示。按光柵形狀長(zhǎng)光柵圓光柵按光線走向透射光柵反射光柵光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副光學(xué)玻璃工業(yè)白玻璃一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)第2頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月柵距柵線寬度柵線縫隙寬度長(zhǎng)光柵圓光柵圖10-2長(zhǎng)光柵與圓光柵示意圖第3頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圓光柵上的刻線：徑向刻線切向刻線

圖10-3圓光柵結(jié)構(gòu)示意圖第4頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、莫爾條紋形成原理（長(zhǎng)光柵）1主光柵2指示光柵將主光柵和指示光柵刻線面相對(duì)疊合，中間留很小間隙，柵線保持很小夾角θ，則在a方向上會(huì)透射出明暗相間的莫爾條紋。

柵距第5頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般選擇主光柵和指示光柵的光柵常數(shù)（柵距）相等，則有：莫爾條紋斜率：莫爾條紋間距：結(jié)論：條紋間距B是柵距W的倍數(shù)，可以通過(guò)檢測(cè)較寬B條紋來(lái)檢測(cè)微小的柵距變化。莫爾條紋的重要特性：（1）大量柵線具有平均效應(yīng)（2）放大作用放大倍數(shù)理想光強(qiáng)曲線實(shí)際光強(qiáng)曲線第6頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖10-5莫爾條紋與輸出光強(qiáng)信號(hào)的關(guān)系（3）x向位移與光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系當(dāng)莫爾條紋的亮帶出現(xiàn)的時(shí)候，相應(yīng)的光電元件接收到一個(gè)幅值比較大的信號(hào)，暗帶出現(xiàn)時(shí)，接收到幅值較小的信號(hào)，信號(hào)的頻率取決于光柵常數(shù)W，如圖10-5所示。這樣就將光柵的位移信號(hào)變換成了電信號(hào)。第7頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月每當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距（W），莫爾條紋明暗變化一次，光電元件感受到的光強(qiáng)按正弦規(guī)律變化一個(gè)周期（），它輸出的電信號(hào)也就發(fā)生相應(yīng)地變化。在去除光電元件輸出信號(hào)中的直流分量后，我們可以得到光電元件輸出電壓和光柵位移之間的關(guān)系式：

輸出信號(hào)經(jīng)整形放大和微分電路變?yōu)槊}沖信號(hào)，送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值反映位移的大小。第8頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、辨向電路

在實(shí)際應(yīng)用中，由于位移具有方向性，即位移有正負(fù)之分，如果采用一個(gè)光電元件則無(wú)法確定光柵的移動(dòng)方向。為此，必須設(shè)置辨向電路。為了實(shí)現(xiàn)這種功能，我們可以在相距B/4的莫爾條紋位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件。辨向電路原理方框圖如圖10-7所示。第9頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖10-8向右移動(dòng)的波形圖10-9向左移動(dòng)的波形圖10-8向右移動(dòng)的波形圖10-9向左移動(dòng)的波形光電元件接收到的信號(hào)和信號(hào)波形如圖

第10頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為了增加光柵傳感器的分辨率和測(cè)得比柵距更小的位移量，以提高測(cè)量精度，若以移過(guò)的莫爾條紋數(shù)來(lái)確定位移量，則其分辨率為光柵柵距。一般可以通過(guò)增加光柵刻線密度（機(jī)械的方法）和對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行細(xì)分（電氣的方法）的這兩種方法來(lái)提高測(cè)量精度。第一種方法制造工藝比較麻煩，成本較高而且會(huì)給安裝和調(diào)試帶來(lái)困難，因此一般不采用這種方法，而采用對(duì)測(cè)量信號(hào)細(xì)分方法獲得所需的分辨率。下面介紹幾種常用的電氣細(xì)分法。四、細(xì)分電路第11頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）直接細(xì)分在一個(gè)莫爾條紋的間隔B內(nèi)，放置若干個(gè)光電元件來(lái)接收同一個(gè)莫爾條紋信號(hào)，從而得到多個(gè)不同相位的信號(hào)。如圖獲得這四個(gè)依次相差的信號(hào)后，經(jīng)微分電路和辨向電路送可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就將光柵的位移量轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量。

根據(jù)電脈沖數(shù)量識(shí)別光柵位置（或速度）的變化。正向移動(dòng)時(shí)加法計(jì)數(shù)，反向移動(dòng)時(shí)減法計(jì)數(shù)。第12頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）電橋細(xì)分光電信號(hào)1光電信號(hào)2輸出電壓橋臂電阻1橋臂電阻2電橋平衡條件：輸出表達(dá)式：恰當(dāng)配合的參數(shù)，可以獲得合理細(xì)分的輸出電壓。令

選取，

則可得第13頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月采用多個(gè)類(lèi)似電橋，選取不同R1/R2值，就可以得到一系列初始相位各不相同的正弦信號(hào)，從而達(dá)到任意細(xì)分的目的。這里令，則當(dāng)輸出信號(hào)的相位剛好等于時(shí)，負(fù)載上得到的電壓信號(hào)為。即輸出波形在相位角處過(guò)零。這樣就利用電橋細(xì)分的方法得到一個(gè)新的輸出信號(hào)：第14頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)磁柵傳感器磁柵傳感器主要由磁柵、磁頭和測(cè)量電路三部分組成的一種利用磁柵與磁頭之間的磁作用以計(jì)算磁波數(shù)目來(lái)進(jìn)行測(cè)量的位移傳感器。在大型機(jī)床的數(shù)控、精密機(jī)床的自動(dòng)控制等方面了得到廣泛的應(yīng)用。一、磁柵結(jié)構(gòu)與工作原理磁柵結(jié)構(gòu)磁性基體節(jié)距d磁柵錄磁示意圖磁性材料第15頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月長(zhǎng)磁柵（見(jiàn)下圖）圓磁柵磁柵的類(lèi)型尺形磁柵帶形磁柵同軸形磁柵N第16頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

測(cè)量用的磁柵與普通的磁帶錄音的區(qū)別在于：①磁性標(biāo)尺的等節(jié)距錄磁的精度要求很高，因?yàn)樗苯佑绊懳灰茰y(cè)量精度。為此需要在高精度錄磁設(shè)備上對(duì)磁尺進(jìn)行錄磁。②當(dāng)磁尺與拾磁磁頭之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低或處在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，也應(yīng)能夠進(jìn)行位置測(cè)量。

二、磁頭磁頭的主要作用是把磁柵上的磁信號(hào)檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它是把反映空間位置變化的磁化信號(hào)檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)裝置中的關(guān)鍵元件。磁頭分靜態(tài)磁頭和動(dòng)態(tài)磁頭兩種。第17頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)磁頭--------磁通響應(yīng)式磁頭第18頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)磁頭讀取信號(hào)的原理輸出電動(dòng)勢(shì)為一調(diào)幅波

第19頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.動(dòng)態(tài)磁頭--------速度響應(yīng)式磁頭若輸出信號(hào)的周期數(shù)為n，則可以測(cè)量出位移量第20頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、測(cè)量電路

動(dòng)態(tài)磁頭一般只裝一個(gè)，繞組中輸出正弦波，輸出信號(hào)為正弦波，只要將輸出信號(hào)放大整形，然后由計(jì)數(shù)器記錄輸出信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，就可以測(cè)量出位移量的多少。

缺點(diǎn)：不能辨別運(yùn)動(dòng)方向，測(cè)量精度低。

靜態(tài)磁頭一般裝兩個(gè)互差90度的磁頭，兩磁頭相距，其中m為任意正整數(shù)，d為磁柵節(jié)距，能辨別運(yùn)動(dòng)方向，測(cè)量精度高，其信號(hào)處理方式相對(duì)比較復(fù)雜。主要分幅值測(cè)量和相位測(cè)量?jī)煞N方法。

第21頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月去掉高頻載波后2倍與勵(lì)磁角頻率1.幅值測(cè)量

在幅值測(cè)量電路中，相鄰兩個(gè)磁頭的輸出電壓可用以下兩式表示：將上面的兩路互差90度的輸出信號(hào)分別進(jìn)行去除高次諧波處理后,再進(jìn)行細(xì)分和辯向處理、計(jì)數(shù)輸出。第22頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.相位測(cè)量將以上兩個(gè)輸出信號(hào)疊加，則可獲得總輸出信號(hào)為：結(jié)論：在磁矩d一定的情況下，輸出電壓的相位由位移量x決定，即只要測(cè)量出輸出電壓相位的大小，就可以測(cè)量出位移量的大小。相位測(cè)量是將其中一個(gè)磁頭的勵(lì)磁電流移相45度或輸出信號(hào)90度后，其輸出信號(hào)為第23頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、磁柵數(shù)顯示表及其應(yīng)用

第24頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月容柵傳感器是利用電容的電荷耦合方式將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的一種傳感器。

第三節(jié)容柵傳感器

一、容柵的結(jié)構(gòu)形式與工作原理容柵按其結(jié)構(gòu)形式可分為長(zhǎng)容柵和圓容柵兩大類(lèi)。長(zhǎng)容柵主要用于直線位移測(cè)量，圓容柵主要用于角位移測(cè)量。長(zhǎng)容柵的結(jié)構(gòu)原理如圖10-19所示。反射式容柵第25頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月長(zhǎng)容柵由定柵尺和動(dòng)?xùn)懦呓M成，國(guó)內(nèi)一般用敷銅板制造。圓容柵主要由以透射板作主柵、以分別置于主柵兩面的、保持最佳恒定距離的發(fā)射極板和接收極板作分體式副柵構(gòu)成。對(duì)于長(zhǎng)容柵，當(dāng)動(dòng)?xùn)懦哐胤较蚱叫杏诙懦咭苿?dòng)時(shí)，每對(duì)容柵的覆蓋面積將發(fā)生周期性變化，電容量也隨之發(fā)生周期性變化，如圖10-20所示

定柵尺反射電極的極距d第26頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用的電極的結(jié)構(gòu)形式有反射式、透射式和傾斜式。

二、容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式透射式容柵傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第27頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、測(cè)量電路容柵式電容傳感器測(cè)量電路主要有調(diào)幅式和調(diào)相式測(cè)量電路兩種形式。

1.調(diào)幅式測(cè)量原理調(diào)幅式測(cè)量原理電極相對(duì)位置圖第28頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)靜電極片P相對(duì)于兩組動(dòng)?xùn)牌珹和B有位移時(shí)，差動(dòng)電容器CA、CB不等，電容靜極板P上的電荷量發(fā)生變化，有從而導(dǎo)致Um由原來(lái)的0發(fā)生改變，這時(shí)可以通過(guò)電子開(kāi)關(guān)改變差動(dòng)電容器CA、CB的輸入電壓，使得QP的值減小，直至為零。這時(shí)有:上兩式中C0為初始電容量，l0為發(fā)射電極的極距，則第29頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)相式測(cè)量原理調(diào)相式測(cè)量原理如圖10-23所示。第30頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)兩個(gè)極板相對(duì)移動(dòng)x(x<l0/2)而處于位置b時(shí)，反射極片E上感應(yīng)的電荷為，

由于傳感器的接收電極耦合發(fā)射電極的電荷，其輸出電壓與接收電極的電荷成正比，可見(jiàn)，傳感器輸出一個(gè)與激勵(lì)電壓同頻的正弦波電壓，其幅值近似為常數(shù)K，而其相位則與被測(cè)位移x近似成線性關(guān)系。只要測(cè)量出輸出電壓的相位就可以測(cè)量出被測(cè)位移x。第31頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器編碼器按照被測(cè)物理量的形式，可以分為角位移和直線位移編碼器。目前，脈沖編碼器每轉(zhuǎn)可發(fā)出數(shù)百至數(shù)萬(wàn)個(gè)方波信號(hào)，因此可滿足高精度位置檢測(cè)的需要。數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)該信號(hào)的接收、處理、計(jì)數(shù)即可得到電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，從而算出當(dāng)前工作臺(tái)的位置。我們這里主要講述常用的旋轉(zhuǎn)編碼器（角位移）。、旋轉(zhuǎn)編碼器的分類(lèi)按照信號(hào)的讀出方式編碼器可分為接觸式和非接觸式兩種。按照工作原理編碼器可以分為絕對(duì)式和增量式兩種。第32頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式編碼器有許多編碼方式，我們這里只介紹自然二進(jìn)制編碼和循環(huán)二進(jìn)制碼(格雷碼)。

1.自然二進(jìn)制編碼器接觸式四位二進(jìn)制碼盤(pán)導(dǎo)電區(qū)絕緣區(qū)能分辨的最小角度為n位二進(jìn)制碼盤(pán),該圖n為4。第33頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)碼盤(pán)隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電位，對(duì)應(yīng)一定數(shù)碼，相應(yīng)的表示十進(jìn)制數(shù)的0~15。然后將這些信號(hào)送往信號(hào)處理顯示電路，即可顯示碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。電刷位置十進(jìn)制自然二進(jìn)制碼循環(huán)二進(jìn)制碼DA3A2A1A0B3B2B1B0a000000000b100010001c200100011d300110010e401000110f501010111g601100101h701110100i810001100j910011101k1010101111j1110111110m1211001010n1311011011o1411101001p1511111000第34頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.循環(huán)二進(jìn)制編碼器循環(huán)碼的特點(diǎn)是相鄰的兩組數(shù)碼只有一位發(fā)生變化。因此即使安裝和制作有誤差，產(chǎn)生的誤差最多也只是最低位的一位。循環(huán)碼的碼盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示循環(huán)碼碼盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖第35頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、增量式編碼器

增量式碼盤(pán)由圓盤(pán)、光源、光敏元件和計(jì)數(shù)器等組成，如圖所示。計(jì)數(shù)值就反映了碼盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移m為圓盤(pán)上的縫隙數(shù)，n為計(jì)數(shù)器獲得的脈沖數(shù)

第36頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用增量式光電碼盤(pán)測(cè)角度的原理圖第37頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輸出波形圖第38頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用兩個(gè)平面型電路繞組，其互感隨位置而變化的原理工作的位移傳感器。按用途可分為測(cè)量線位移的直線型感應(yīng)同步器和測(cè)量角位移的圓盤(pán)型感應(yīng)同步器。

主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、對(duì)工作環(huán)境要求不高，在大中型機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。一、結(jié)構(gòu)直線型感應(yīng)同步器按其使用的精度、測(cè)量尺寸的范圍和安裝的條件不同，又可以設(shè)計(jì)制造成以下幾種不同形狀的感應(yīng)同步器。第39頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.標(biāo)準(zhǔn)型直線形感應(yīng)同步器定尺滑尺滑尺上的繞組*感應(yīng)輸出信號(hào)互差90度!第40頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.帶型

原理同標(biāo)準(zhǔn)型。帶型感應(yīng)同步器定尺不需要拼接，便于安裝，特別是對(duì)于設(shè)備安裝面不易加工的場(chǎng)合，但由于定尺的剛性差，測(cè)量精度要比標(biāo)準(zhǔn)型低，

2.窄型

原理同標(biāo)準(zhǔn)型。其不同點(diǎn)是寬度窄一點(diǎn)，其電磁感應(yīng)強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)型小，因此測(cè)量精度較低。一般用于設(shè)備安裝位置受到限制的場(chǎng)合。

第41頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圓盤(pán)形感應(yīng)同步器定子轉(zhuǎn)子輸出感應(yīng)脈沖繞組繞組第42頁(yè)，課件共48頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、工作原理

……感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)負(fù)向最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0定尺上滑尺的正弦繞組感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨滑尺的移動(dòng)x周期性變化。滑尺有2套繞組c–余弦繞組根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)滑尺繞組（勵(lì)磁繞組）加正弦電壓時(shí)，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通，這個(gè)交變磁