傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第二版）數(shù)字式傳感器

數(shù)字式傳感器本章內(nèi)容

9.1光柵傳感器

9.2編碼器

9.3感應(yīng)同步器

學(xué)習(xí)目標

了解光柵的原理、結(jié)構(gòu)和細分、辨向技術(shù)。掌握絕對式和增量式編碼器的原理、分辨力。掌握感應(yīng)同步器的原理、結(jié)構(gòu)和信號處理方式。9.1光柵傳感器

通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：

物理光柵（衍射光柵）：200～500條/㎜，柵距0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理，用于光譜分析和光波波長的測定。

計量光柵：25條/㎜、50條/㎜、100條/㎜、250條/㎜等，柵距0.004～0.25㎜，主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，用于數(shù)控機床閉環(huán)檢測系統(tǒng)。掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜2.光柵的結(jié)構(gòu)：（以玻璃透射式直線光柵為例）

組成：光柵尺、光柵讀數(shù)頭直線光柵包括一長和一短兩塊配套使用，長的稱為標尺光柵，要求與行程等長。通常光柵長度為1m，行程大于1m時，需要將光柵接長。短的為指示光柵。安裝：標尺光柵一般安裝在機床活動部件上（如工作臺上或絲杠上）光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件上（如機床底座上）。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。

圖為利用光柵傳感器測量數(shù)控機床工作臺位移量的現(xiàn)場照片。

工作臺光柵工作臺運動方向光柵在機床上的安裝位置光柵在機床上的安裝位置

按形狀：長光柵（直線光柵）、圓光柵。長光柵檢測線位移，圓光柵測量角位移。直線光柵按制作原理：玻璃透射光柵、金屬反射光柵。透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1μm以上。本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。1.光柵的種類：9.1.1光柵的類型與結(jié)構(gòu)

玻璃透射光柵是在玻璃的表面上涂上一層均勻的感光材料或金屬鍍膜，用照相腐蝕等方法制成透明與不透明間隔相等的線紋。特點：√光源可采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單；√每毫米上線紋數(shù)多，一般為100、125、250條/mm，經(jīng)過電路細分，可做到微米級的分辨率。直線光柵：玻璃透射光柵

金屬反射光柵：在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀刻劃制成的光柵線；常用的線紋數(shù)為4、10、25、40、50條/mm，分辨率低。特點：√標尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機床材料一致；√標尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；√安裝面積較小；√易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；√不易碰碎。金屬反射光柵圖9-1光柵尺1—標尺光柵；2—指示光柵1）光柵尺

測量時兩光柵尺相互平行放置，并保持0.05～0.1mm的間隙。圖9-2光柵線紋

兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距。

2）光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭組成：由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動線路組成。常見結(jié)構(gòu)（按光路分）：分光讀數(shù)頭、垂直入射讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭。作用：將莫爾條紋的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。圖9-3垂直入射光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)1-光源；2-透鏡；3-標尺光柵；4-光敏元件；5-驅(qū)動線路；6-指示光柵

9.1.2光柵傳感器的工作原理

光柵是利用莫爾條紋現(xiàn)象來進行測量的。莫爾條紋是指兩塊光柵疊合時，出現(xiàn)光的明暗相間的條紋。莫爾條紋是18世紀法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果，當人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的花紋，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋?，F(xiàn)代防偽印刷技術(shù)現(xiàn)代建筑裝飾莫爾條紋演示

兩塊柵距相等的光柵疊合在一起，并使它們的刻線之間的夾角為

時，光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。

由于光柵尺的刻線非常密集，光電元件接收到的莫爾條紋所對應(yīng)的明暗信號，是一個區(qū)域內(nèi)許多刻線的綜合結(jié)果,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。

因此它對光柵尺的柵距誤差有平均效應(yīng)，這有利于提高光柵的測量精度。例：W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內(nèi)有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對莫爾條紋位置和形狀基本無影響。

莫爾條紋有如下幾個重要特性:（1）消除光柵刻線的不均勻誤差（2）位移的放大特性當光柵每移動一個光柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度B。放大倍數(shù)：舉例：一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50條，

W=1/50=

0.02mm，（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）主光柵與指示光柵的夾角

=0.1

，則：

=0.1

=0.1×2π/360=0.00175432radB≈W/θ

=11.4592mm（由于B較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。）（3）移動特性莫爾條紋隨光柵尺的移動而移動，它們之間有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，包括移動方向和位移量。移動一個柵距W，莫爾條紋也移動一個間距B。（4）光強與位置關(guān)系兩塊光柵相對移動時，從固定點觀察到莫爾條紋光強的變化近似為余弦波形變化。光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。圖9-5光電元件輸出信號

9.1.3光柵數(shù)顯表

光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。三座標數(shù)顯表

光柵數(shù)顯裝置的結(jié)構(gòu)示意圖和電路原理框圖如圖9-7所示。圖中各環(huán)節(jié)的典型電路及工作原理上面已經(jīng)介紹過。在實際應(yīng)用中對于不帶微處理器的光柵數(shù)顯裝置，完成有關(guān)功能的電路往往由一些大規(guī)模集成電路（IS）芯片來實現(xiàn)，這套芯片共分三片，另外再配兩片驅(qū)動器和少量的電阻、電容，即可組成一臺光柵數(shù)顯表。（a）（b）圖9-7光柵數(shù)顯裝置（a）結(jié)構(gòu)示意；（b）電路原理1—讀數(shù)頭；2—殼體；3—發(fā)光接受線路板；4—指示光柵座；5—指示光柵；

6—光柵刻線；7—光柵尺；8—標尺光柵

1.辨向原理

在實際應(yīng)用中，被測物體的移動方向往往不是固定的。無論主光柵向前或向后移動，在一固定點觀察時，莫爾條紋都是作明暗交替變化。因此，只根據(jù)一條莫爾條紋信號，則無法判別光柵移動方向，也就不能正確測量往復(fù)移動時的位移。為了辨向，需要兩個一定相位差的莫爾條紋信號。為什么要辨向?圖9-6辨向邏輯工作原理和邏輯電路（a）光柵移動方向；（b）辨向電路；（c）波形圖1—指示光柵；2—光電元件；3—莫爾條紋

圖9-6所示為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔B/4的位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位差

/2的電信號和，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號和，從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可以看出，在光柵向A方向移動時，經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖（如圖中實線所示）正好發(fā)生在的“1”電平時，從而經(jīng)與門Y1輸出一個計數(shù)脈沖。

而經(jīng)反相微分后產(chǎn)生的脈沖（如圖中虛線所示）則與的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，沒有脈沖輸出。

在光柵作A方向移動時，的微分脈沖發(fā)生在為“0”電平時，故與門Y1無脈沖輸出；而反相微分所產(chǎn)生的脈沖則發(fā)生在的“1”電平時，與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖。

因此，的電平狀態(tài)可作為與門的控制信號，來控制所產(chǎn)生的脈沖輸出，從而就可以根據(jù)運動的方向正確地給出加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖。

2.細分技術(shù)所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量，如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，即可使測量精度提高到n倍，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。細分方法有機械細分和電子細分兩類。下面介紹電子細分法中常用的四倍頻細分法。

細分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價格的情況下提高光柵的分辨力。細分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細分技術(shù)后，計數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當于原光柵的分辨力提高了3倍，測量步距是原來的1/4，較大地提高了測量精度。細分前細分后光柵細分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細分數(shù)為4細分，則：分辨力

=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5

m

采用細分技術(shù)，在不增加光柵刻線數(shù)（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。

將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等，后兩種為非接觸式編碼器。非接觸式編碼器具有非接觸、體積小和壽命長，且分辨率高的特點。3種編碼器相比較，光電式編碼器的性價比最高，它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。9.2編碼器

9.2.1增量式編碼器增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-9所示。光電碼盤與轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個碼盤圓周上就被等分成n個透光的槽。增量式光電編碼器也可用不銹鋼薄板制成，然后在圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。（a）（b）圖9-9增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖（a）外形；（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—轉(zhuǎn)軸；2—發(fā)光二極管；3—光欄板；4—零標志位光槽；

5—光敏元件；6—碼盤；7—電源及信號線連接座

為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，必須在光欄板上設(shè)置兩個狹縫，其距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組對應(yīng)的光敏元件，如圖9-9中的A、B光敏元件，有時也稱為cos、sin元件。光電編碼器的輸出波形如圖9-11所示。有關(guān)A、B信號如何用于辨向、細分的原理已在本章第一節(jié)中論述。為了得到碼盤轉(zhuǎn)動的絕對位置，還須設(shè)置一個基準點，如圖9-9中的“零位標志槽”。碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位標志槽對應(yīng)的光敏元件產(chǎn)生一個脈沖，稱為“一轉(zhuǎn)脈沖”，見圖9-11中的C0脈沖。圖9-11光電編碼器的輸出波形思考題：(請畫出反轉(zhuǎn)時信號B的波形）9.2.2絕對式編碼器光電絕對值編碼器的編碼盤原理圖和結(jié)構(gòu)圖如圖9-12所示。圖9-12（a）中，碼盤上有四條碼道。碼道就是碼盤上的同心圓。按照二進制分布規(guī)律，把每條碼道加工成透明和不透明相間的形式。碼盤的一側(cè)安裝光源，另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管，每個光電管對準一條碼道。當光源照射碼盤時，如果是透明區(qū)，則光線被光電管接受，并轉(zhuǎn)變成電信號，輸出信號為“1”；如果不是透明區(qū)，光電管接受不到光線，輸出信號為“0”。被測軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)時，光電管輸出的信息就代表了軸的相應(yīng)位置，即絕對位置。（a）（b）（c）圖9-12光電絕對值編碼器（a）電刷在碼盤上的位置；（b）4位8421二進制碼盤；（c）4位格雷碼碼盤1—碼盤；2—轉(zhuǎn)軸；3—導(dǎo)電體；4—絕緣體；5—電刷；6—激勵公用軌道（接電源正極）

絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對式碼盤透光區(qū)不透光區(qū)零位標志

a）光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系（4碼道）高位低位

編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等。為了清除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進制碼。

十進制數(shù)二進碼循環(huán)碼十進制數(shù)二進碼循環(huán)碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000

表9-3 4位二進制碼與循環(huán)碼對照表

9.2.3編碼器的應(yīng)用

編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，還可用于數(shù)字測速。由于增量式編碼器的輸出信號是脈沖形式，因此，可以通過測量脈沖頻率或周期的方法來測量轉(zhuǎn)速。編碼器可代替測速發(fā)電機的模擬測速，而成為數(shù)字測速裝置。（a）（b）圖9-13

M法和T法測速原理（a）M法測速；（b）T法測速（a）在一定的時間間隔ts內(nèi)（又稱閘門時間，如10s、1s、0.1s等），用角編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來確定速度的方法稱為M法測速。若編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在閘門時間間隔ts內(nèi)得到m1個脈沖，則編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率f為

則轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）為

感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成電信號的位置檢測裝置。實質(zhì)上，感應(yīng)同步器是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。感應(yīng)同步器利用兩個平面形繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理，將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號。9.3感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器按其運動形式和結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為旋轉(zhuǎn)式（或稱圓盤式）和直線式兩種。前者用來檢測轉(zhuǎn)角位移，用于精密轉(zhuǎn)臺，各種回轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)；后者用來檢測直線位移，用于大型和精密機床的自動定位、位移數(shù)字顯示和數(shù)控系統(tǒng)中。兩者工作原理和工作方式相同。

9.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與特點

1．感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖9-14所示。感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺和滑尺通常以優(yōu)質(zhì)碳素鋼作為基體，一般選用導(dǎo)磁材料，其膨脹系數(shù)盡量與所安裝的主基體相近。定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙。圖9-14感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）定尺繞組和滑尺繞組1—固定部件（床身）；2—運動部件（工作臺或刀架）；3—定尺繞組引線；4—定尺座；

5—防護罩；6—滑尺；7—滑尺座；8—滑尺繞組引線；9—調(diào)整墊；10—定尺；

11—正弦勵磁繞組；11—余弦勵磁繞組

2．感應(yīng)同步器的特點1）精度高2）測量長度不受限制3）對環(huán)境的適應(yīng)較高4）維護簡單，壽命長

9.3.2感應(yīng)同步器的工作原理當滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取決于滑尺和定尺的相對位置。當只給滑尺上正弦繞組加勵磁電壓時，定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對位置關(guān)系如圖9-16所示。（a）（b）圖9-16定尺繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢原理圖（a）滑尺和定尺相對位置；（b）感應(yīng)電壓曲線感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對應(yīng)兩個位移點，如圖9-16中M、N兩點。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯開1/4節(jié)距處，配置了余弦繞組。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對應(yīng)的唯一確定的位移。

9.3.3信號處理方式從信號處理方式來說，可分為鑒相和鑒幅兩種方式。它們的特征是用輸出感應(yīng)電動勢的相位或幅值來進行處理。下面以長感應(yīng)同步器為例進行敘述。1．鑒相方式

滑尺的正弦、余弦繞組在空間位置上錯開1/4定尺的節(jié)距，激勵時加上等幅等頻，相位差為90°的交流電壓，即分別以sin

t和cos

t來激勵，這樣，就可以根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量，故叫鑒相型。

當正弦繞組單獨激勵時勵磁電壓為us=Umsin

t，感應(yīng)電勢為

es=k

Umcos

tsin

當余弦繞組單獨激勵時（勵磁電壓為uc=Umcos

t），感應(yīng)電勢為

ec=k

Umsin

tcos

按疊加原理求得定尺上總感應(yīng)電動勢為

e=es+ec=k

Umcos

tsin

+k

Umsin

tcos

=k

Umsin(

t+

)

式中的

=2

x/

稱為感應(yīng)電動勢的相位角，它在一個節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對位移有一一對應(yīng)的關(guān)系，每經(jīng)過一個節(jié)距，變化一個周期（2

）。

2．鑒幅方式如在滑尺的正、余弦繞組加以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據(jù)感應(yīng)電勢振幅來鑒別位移量，稱為鑒幅型。

當加到滑尺兩繞組的交流勵磁電壓為下式時，即

us=Ussin

t

uc=Uccos

t

式中：Us=Umsin

；Uc=Umcos

。Um為激勵電壓幅值，

為給定的電相角。此時它們分別在定尺繞組上感應(yīng)出電動勢為

es=k

Ussin

tsin

ec=k

Ucsin

tcos

定尺的總感應(yīng)電勢為e=es+ec=k

Ussin

tsin

+k

Ucsin

tcos

=k

Umsin

tcos(

?

)

9.3.4感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng)脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖序列，經(jīng)過脈沖一相位變換器進行N分頻后，輸出參考信號方波

0和指令信號方波

1。參考信號方波

0經(jīng)過激磁供電線路，轉(zhuǎn)換成振幅和頻率相同而相位差為90°的正、余弦電壓，給感應(yīng)同步器滑尺的正、余弦繞組激磁。感應(yīng)同步器定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，經(jīng)放大和整形后成為反饋信號方波

2。

指令信號

1和反饋信號

2同時送給鑒相器，鑒相器既判斷

2和

1相位差的大小，又判斷指令信號

1的相位超前還是滯后于反饋信號

2的相位。

假定開始時

1=

2，當感應(yīng)同步器的滑尺相對定尺平行移動時，將使定尺繞組中的感應(yīng)電壓的相位

2發(fā)生變化。

此時

1

2，由鑒相器判別之后，將有相位差

=

2?

1作為誤差信號，由鑒相器輸出給門電路。此誤差信號

控制門電路“開門”的時間，使門電路允許脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖通過。通過門電路的脈沖，一方面送給可逆計數(shù)器去計數(shù)并顯示出來；另一方面作為脈沖—相位變換器的輸入脈沖。在此脈沖作用下，脈沖—相位變換器將修改指令信號的相位

1，使

1隨

2而變化。

圖9-17鑒相測量方式數(shù)字位移測量裝置方框圖

當

1再次與

2相等時，誤差信號

=0，從而門關(guān)閉。當滑尺相對定尺繼續(xù)移動時，又有

=

2?

1作為誤差信號去控制門電路的開啟，門電路又有脈沖輸出，供可逆計數(shù)器去計數(shù)和顯示，并繼續(xù)修改指令信號的相位

1，