《傳感器與檢測技術(shù)》課件-項目八 數(shù)字式傳感器及應用

項目八數(shù)字式傳感器及應用知識目標

掌握絕對式編碼器、增量式編碼器的工作原理；了解絕對式編碼器的編碼方式；了解增量式光電編碼器的碼盤結(jié)構(gòu)；掌握光柵式傳感器的工作原理；了解光柵傳感器的結(jié)構(gòu)；了解辨向原理和細分技術(shù)；了解同步感應器的結(jié)構(gòu)；掌握同步感應器的工作原理；了解同步感應器的信號處理方式；了解編碼式測速傳感器、光柵數(shù)顯表、感應同步器數(shù)顯表的主要組成部分及工作原理。技能目標

能根據(jù)實際要求選擇合適的數(shù)字式位移傳感器和測量電路，測量出直線位移和角位移量，以數(shù)字形式的顯示信號。任務一角度編碼器

角度編碼器是把角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號的一種裝置。它是一種常用的角位移傳感器，同時也可作速度檢測裝置。具有精度高，測量量程大，反應快，體積小，安裝方便，維護簡單，工作可靠等特點。分類脈沖盤式編碼器（增量編碼器）接觸式編碼器編碼器碼盤式編碼器電磁式編碼器（絕對編碼器）光電編碼器非接觸式1認識編碼器（編碼器在機器人控制中的應用）編碼器伺服電機伺服電機編碼器伺服電機伺服電機編碼器編碼器編碼器2編碼器的測量對象編碼器

軸式套式電信號二進制編碼脈沖3編碼器測量直線位移的方式（1）編碼器裝在絲杠末端

編碼器位置反饋

x

通過測量滾珠絲杠的角位移

，間接獲得工作臺的直線位移x，構(gòu)成位置半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。x＝t/360×

（2）絲杠螺距編碼器螺母絲杠螺距x=？

設:螺距t=4mm，絲杠在4s時間里轉(zhuǎn)動了10圈，求:絲杠的平均轉(zhuǎn)速n(r/min)及螺母移動了多少毫米？螺母移動的平均速度v又為多少？螺距

編碼器（3）編碼器和伺服電動機同軸安裝位置反饋

xx＝t/360×

（4）編碼器和伺服電動機同軸安裝編碼器工作臺絲杠伺服電動機編碼器導軌（5）編碼器和伺服電動機同軸安裝

編碼器光電編碼器伺服電動機聯(lián)軸器滾珠絲杠滑塊光電編碼器信號輸出伺服電動機電源（6）編碼器兩種安裝方式比較編碼器

xx

知識準備1.絕對式角編碼器(碼盤式編碼器)

絕對式編碼器是在碼盤的每一轉(zhuǎn)角位置刻有表示該位置的唯一代碼，通過讀取編碼盤上的代碼來表示軸的位置。它是利用自然二進制或循環(huán)二進制編碼方式進行轉(zhuǎn)換的。它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種。

a）二進制碼盤b）電刷在碼盤上的位置圖8-1接觸式四位絕對編碼器1、接觸式編碼器

涂黑處為導電區(qū)，將所有導電區(qū)連接到高電位(“1”)；空白處為絕緣區(qū)，為低電位(“0”)。四個電刷沿著某一徑向安裝，四位二進制碼盤上有四圈碼道，每個碼道有一個電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當碼盤轉(zhuǎn)動其一角度后，電刷就輸出一個數(shù)碼；碼盤轉(zhuǎn)動一周，電刷就輸出16種不同的四位二進制數(shù)碼。

由此可知，二進制碼盤所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度為α＝360/2n，若n＝4，則α＝22.5°。位數(shù)越多，可分辨的角度越小，若取n＝8，則α＝1.4°。當然，可分辨的角度越小，對碼盤和電刷的制作和安裝要求越嚴格。當n多到一定位數(shù)后（一般為n＞8），這種接觸式碼盤將難以制作。

純二進制編碼方式雖然簡單、易于理解，但如果電刷安裝不準，或轉(zhuǎn)移點不明確，容易產(chǎn)生誤讀錯誤，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。為消除誤差，可采用循環(huán)碼盤。它的基本思想是：當碼盤轉(zhuǎn)動時，在相鄰的計數(shù)位置，每次只有一位代碼有變化。

（2）接觸式絕對碼盤編碼器4個電刷

4位二進制碼盤

最小分辨角

＝360°／2n

當n＝4，

＝360°／24＝22.5°

導電為“1”，非導電為“0”

應該指出的是．由于循環(huán)碼的各位沒有固定的權(quán)，因此需要用相應的轉(zhuǎn)換電路把它轉(zhuǎn)換成二進制編碼。接觸式碼盤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是有接觸磨損而會影響使用壽命，且不能高速旋轉(zhuǎn)．否則電刷的跳動會產(chǎn)生誤差。

2、光電式編碼器光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。1）光電式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕工藝，在一塊圓形光學玻璃上刻有透光和不透光的碼形。在幾個碼道上，裝有相同個數(shù)的光電轉(zhuǎn)換元件代替接觸式編碼器的電刷，并將接觸式碼盤上的高、低電位用光源代替。當光源經(jīng)光學系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上時，光經(jīng)過碼盤的透光和不透光區(qū)，脈沖光照射在碼盤的另一側(cè)的光電元件上，這些光電元件就輸出與碼盤上的碼形（碼盤的絕對位置）相對應的（開關(guān)/高低電平）電信號。2.增量式角編碼器

增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。增量式編碼器分光電式、接觸式和電磁感應式三種。就精度和可靠性來講光電式編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來區(qū)分，通常有2000、2500、3000p/r等。

增量式測量（INC）

信號性質(zhì)編碼器

輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應一個分辨角

，對脈沖進行計數(shù)N，就是對

的累加，即，角位移

＝

N。如：

＝0.352

，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352

圖8-2增量式光電碼盤結(jié)構(gòu)示意圖1-發(fā)光二極管2－光欄板3－零標志位光槽4－光電盤5－光敏元件

＝360°／條紋數(shù)

＝360°／1024＝0.352°1）增量編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理

增量編碼器的圓盤上等角距地開有兩道縫隙，內(nèi)外圈(A、B)的相鄰兩縫錯開半條縫寬；另外在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外），開有一狹縫，表示碼盤的零位。在它們相對的兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件，如上圖所示。當轉(zhuǎn)動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙每轉(zhuǎn)過一周就將有多少個相差90°的兩相（A、、B兩路）脈沖脈沖和一個零位(C相)脈沖輸出。增量編碼器的精度和分辨率與絕對編碼器一樣，主要取決于碼盤本身的精度。圖8-3增量式光電編碼器的輸出波形

2）旋轉(zhuǎn)方向的判別（3）辨向編碼器90

ABAB

光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90

相位，用于辨向。當碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90

；當碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90

。（4）辨向信號編碼器ABABA超前于B90°，正向A滯后于B90°，反向

為了辨別碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可以采用下圖所示的電路利用A、B兩相脈沖來實現(xiàn)。光電元件A、B輸出情號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生P1和P2脈沖。將它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，由于A、B兩相脈沖(P1和P2)脈沖相差90°，D觸發(fā)器FF在CP脈沖(P2)的上升沿觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時P1脈沖超前P2脈沖，F(xiàn)F的Q＝“1”表示正轉(zhuǎn)；當反轉(zhuǎn)時，P2超前P1脈沖，F(xiàn)F的Q＝“0”表示反轉(zhuǎn)?？梢杂肣作為控制可逆計數(shù)器是正向還是反問計數(shù)，即可將光電脈沖變成編碼輸出。C相脈沖接至計數(shù)器的復值端，實現(xiàn)每碼盤轉(zhuǎn)動一圈復位一次計數(shù)器的目的。碼盤無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的增量，故這種測量稱為增量法。除了光電式的增量編碼器外，目前相繼開發(fā)了光纖增量傳感器和霍爾效應式增量傳感器等，它們部得到廣泛的應用。

光電式碼盤由于沒有電刷，因而也就沒有接觸磨損，壽命較接觸式碼盤長，且允許工作轉(zhuǎn)速高，碼道縫隙寬度可做得很小，因而分辨率也極高，能達到1／219。其缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，光源壽命不長。編碼器在數(shù)字測速中的應用

（1）模擬測速和數(shù)字測速的比較編碼器MTGU測速發(fā)電機nU∝nMPCn光電編碼器ff∝n（2）M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）編碼器

m1T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時間內(nèi)測得65536個脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60×65536/（1024×5）=768r/min

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T

時間段內(nèi)有m1

個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為:n=60m1/（NT）（3）T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）編碼器

編碼器輸出脈沖時鐘脈沖fc

m2

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N

個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2，則轉(zhuǎn)速(r/min)為：

n=60fc/（Nm2）

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時鐘頻率fc為1MHz

，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60fc/（Nm2）=60×106/（1024×3000）=19.53r/min編碼器在主軸控制中的應用

(1)主軸編碼器編碼器（2）主軸編碼器用于C軸控制編碼器主軸編碼器回轉(zhuǎn)刀盤自驅(qū)刀頭CZn工件卡盤主軸（3）主軸編碼器用于螺紋車削編碼器

車削螺紋時，為保證每次切削的起刀點不變，防止“亂牙”，主軸編碼器通過對起刀點到退刀點之間的脈沖進行計數(shù)來達到車削螺紋的目的。播放起刀點退刀點任務二光柵傳感器

光柵傳感器是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移，它把光柵作為測量長度的計量元件，也稱為計量光柵。由于光柵傳感器的原理簡單、測量精度高、響應速度快、量程范圍大、可實現(xiàn)動態(tài)測量，所以被廣泛應用于長度和角度的精密測量。知識準備1.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)1-光源2-透鏡3-指示光柵4-標尺光柵5-光電元件圖8-4光柵傳感器的結(jié)構(gòu)1）光柵的的分類和結(jié)構(gòu)分類：（1）按其用途分：圓光柵和長光柵圓光柵：用于角位移的檢測；長光柵：用于直線位移的檢測。（2）按柵線型式的不同分：黑白光柵和相位光柵，黑白光柵：是指只對入射光波的振幅或光強進行調(diào)制的光柵；

相位光柵：是指對入射光波的相位進行調(diào)制。（3）按光線的走向分：透射光柵和反射光柵。透射光柵：是將柵線刻制在透明材料上，常用光學玻璃和制版玻璃；反射光柵：柵條刻制在具有強反射能力的金屬板上，一般用不銹鋼。下面主要討論用于長度測量的黑白透射光柵。

透射光柵優(yōu)點：光源垂直入射，信號幅值較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡單；光柵每毫米的線紋數(shù)多，減輕了電子線路的負擔。缺點：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與機床金屬部件不一致，影響測量精度。透射光柵尺的長度一般都在1～2m，常見的線紋密度為每毫米

4、10、25、50、100、200、250線。反射光柵優(yōu)點：光柵和機床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，可用鋼帶做成長達數(shù)米的長光柵。安裝面積小，調(diào)整方便，適應于大位移測量場所。缺點：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜過多，常用線紋數(shù)為4、10、25、40、50。光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1—光源2—透鏡3—指示光柵6—標尺光柵4—光電元件5—驅(qū)動電路透射式光柵透射式圓光柵固定反射式光柵尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜防塵保護罩的內(nèi)部為長柵光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜

光柵包括標尺光柵和指示光柵，它們是用真空鍍膜的方法在透明玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距刻線，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)，標尺光柵和指示光柵的光刻密度相同，但長度相差很多。圖8-5所示的是一塊黑白型長光柵，平行等距的刻線稱為柵線，圖中a為透光區(qū)的寬度，b為不透光區(qū)的寬度，一般情況下，光柵的透光部分寬度等于不透光部分的寬度，

即a＝b。a+b=W稱為光柵柵距(也稱光柵節(jié)距或稱光柵常數(shù))，它是光柵的一個重要參數(shù)。常見的長光柵的線紋密度為25,50,100,125,250條／mm。對于圓光柵，這些刻線是等柵距角的向心條紋，若直徑為70mm,一周內(nèi)刻線100-768條；若直徑為110mm，一周內(nèi)刻線達600-1024條，甚至更高。圖8-5黑白型長光柵光柵光柵傳感器組成由三大部分組成：光源和透鏡光柵副(主光柵和指示光柵)光電接收元件1）光源和透鏡光源和聚光鏡組成照明系統(tǒng)，光源放在聚光鏡的焦平面上，光線經(jīng)聚光鏡成平行光投向光柵。光源主要有白熾燈的普通光源和半導體發(fā)光器件的固態(tài)光源。白熾燈的普通光源有較大的輸出功率，較高的工作范圍，而且價格便宜，但存在著輻射熱量大、體積大和不易小型化、與光電

元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低等弱點，故而應用越來越少。半導體發(fā)光器件轉(zhuǎn)換效率高，響應特征快速，如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達30%左右，脈沖響應速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散，近年來應用較為普遍。

2）光電元件和轉(zhuǎn)換電路光電元件是一種將光強信號轉(zhuǎn)換為電信號的轉(zhuǎn)換元件，它接收透過光柵的光強信號，并將其轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號。光電元件主要有光電池和光電管。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光電元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光電元件的輸出端，常接有放大器，

通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。由于光電元件產(chǎn)生的電壓信號一般比較微弱，在長距離傳遞時很容易被各種干擾信號所淹沒、覆蓋，造成傳送失真。為了保證光電元件輸出的信號在傳送中不失真，應通過轉(zhuǎn)換電路將該電壓信號進行功率和電壓放大，然后再進行傳送。2.光柵傳感器的工作原理光柵的工作原理：根據(jù)莫爾條紋的形成原理進行工作的。把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度θ，在兩光柵刻線的重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶，這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、

暗帶就是莫爾條紋。這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋，如圖8-6所示。

圖8-6莫爾條紋的形成光柵與莫爾條紋示意圖主光柵指示光柵指示光柵移動方向莫爾條紋莫爾條紋演示主光柵指示光柵莫爾條紋移動均勻刻線夾角明暗相間條紋莫爾條紋具有以下性質(zhì)：(1)由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對光柵個別柵線之間的柵距誤差具有平均效應，從而在很大程度上能消除光柵刻線不均勻所引起的誤差。(2)若用B表示莫爾條紋的寬度，W表示光柵的柵距，θ表示兩光柵的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為：若取W=0.01mm,θ=0.01rad，則由上式可得B=1mm。這說明，無需復雜的光學系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象就能把光柵的柵距放大100倍。這種放大作用是光柵的一個重要特點。(3)莫爾條紋的移動與兩光柵之間的相對移動相對應。兩光柵相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應移動一個莫爾條紋寬度B，其方向與兩光柵尺相對移動的方向垂直，且當兩光柵相對移動的方向改變時，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。兩光柵相對移動時，光電元件從固定位置觀察到的莫爾條紋的光強的變化近似于正弦波變化。光柵相對移動一個柵距W，光強也變化一個周期。

莫爾條紋移動方向指示光柵沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著主光柵柵線向下移動；指示光柵向左移動時，莫爾條紋沿著主光柵的柵線向上移動。根據(jù)莫爾條紋移動方向可以對指示光柵的運動進行辨向主光柵相對指示光柵的轉(zhuǎn)角方向為順時針方向圖8-7光柵位移與光強及輸出電壓的關(guān)系

3.光柵測量系統(tǒng)組成：光柵光學系統(tǒng)電子系統(tǒng)（細分、辯向、顯示）機械部分

1）光柵光學系統(tǒng)（簡稱光柵系統(tǒng)）（1）組成與功能a照明系統(tǒng)；光源、聚光系統(tǒng)b光柵副：標尺光柵與指示光柵，在平行光照射下形成莫爾條紋。測量裝置的精度主要由標尺光柵決定。c光電接收系統(tǒng)：光電接收元件，把由光柵副形成的莫爾條紋的明暗強弱轉(zhuǎn)換為電量輸出。2）辨向原理光柵傳感器的輸出信號與相對位移量之間的關(guān)系近似于正弦波，在實際應用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，都產(chǎn)生相同的正弦信號，是無法分辨移動方向的。為了辨向，需要兩個有一定相位差的莫爾條紋信號，通常在相距（m1/4）L

（相當于電相角1/4周期）的距離上安裝兩套光電元件，又稱sin和cos元件。這樣就可以得到兩個相位相差π/2的電信號uos和uoc，如圖8-8所示，經(jīng)放大、整形后得到u‘os和u’oc兩個方波信號，判斷兩路信號的相位差即可判斷出指示光柵的移動方向。當指示光柵向右移動時，uos滯后于uoc；當指示光柵向左移動時，uos超前于uoc。據(jù)此判斷指示光柵的移動方向。

圖8-8辨向電路輸出波形3）細分技術(shù)細分技術(shù)又稱倍頻技術(shù)。如將光敏元件的輸出電信號直接計數(shù)，則光柵的分辨力只有一個W的大小。由于光柵刻線數(shù)越多，成本越昂貴，為了能夠分辨比W更小的位移量，在不增加光柵刻線數(shù)的情況下只能采用細分電路。細分電路就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出等間隔地給出n個計數(shù)脈沖。細分方法：機械細分和電子細分兩類。

細分前細分后脈沖細分4倍頻法

(直接細分或位置細分)

用4個依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內(nèi)將產(chǎn)生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分。優(yōu)點：對莫爾條紋信號波型要求不嚴格，電路簡單，可用于動態(tài)和靜態(tài)測量系統(tǒng)。缺點：光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。

在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如上圖(a)所示，得到相位分別相差π/2四個正弦周期信號。用適當電路處理這些信號，使其合并得到如上圖(b)所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了1/4個莫爾條紋寬度。用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細分法。圖8-9四倍頻線路邏輯圖

圖8-10四倍頻線路波形圖（a）正向移動（b）反向移動任務三感應同步器

感應同步器是能測量位移，并可轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示的傳感器，它利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨其位置變化的原理制成的。按其用途可分為直線式感應同步器和旋轉(zhuǎn)式感應同步器兩大類，前者用于直線位移的測量，后者用于轉(zhuǎn)角位移的測量。感應同步器具有精度和分辨力高、抗干擾能力強、使用壽命長、具有一定的精度，維護簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于大位移靜態(tài)與動態(tài)測量。知識準備1.感應同步器的結(jié)構(gòu)1）直線式感應同步器的結(jié)構(gòu)和材料定尺和滑尺的基板材料常采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，一般基板厚度為10mm

；定尺與滑尺上的平面繞組用電解銅箔構(gòu)成導片，要求厚薄均勻、無缺陷，一般厚度選用0.1mm以下，允許通過的電流密度為5A／mm2；定尺與滑尺上繞組導片和基板的

絕緣膜的厚度一般小于0.1mm，絕緣材料一般選用酚醛玻璃環(huán)氧絲布和聚乙烯醇縮本丁醛膠或用聚酰胺做固化劑的環(huán)氧樹脂，這些材料粘著力強、絕緣性好?；呃@組表面上貼上帶絕緣層的鋁箔，起靜電屏蔽作用，將滑尺用螺釘安裝在機械設備上時，鋁箔還起著自然接地的作用。它應該足夠薄，以免產(chǎn)生較大的渦流。為了防止環(huán)境對繞組導片的腐蝕，—般要在導片上涂一層防腐絕緣漆。

圖8-11直線式感應同步器的外形

定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應繞組滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。11’為正弦繞組，22’為余弦繞組，定尺與滑尺之間的間隙為0.3mm左右。直線式感應同步器的種類根據(jù)不同的運行方式、精度要求、測量范圍、安裝條件等，直線式感應同步器可設計成各種不同的尺寸、形狀和種類。（1）標準型：標準型直線感應同步器精度高，應用最普遍，每根定尺長250mm。如果測量長度

超過175mm時，可將幾根定尺接起來使用，甚至可連接長達十幾米，但必須保持安裝平整，否則極易損壞。（2）窄型：窄型直線同步感應器中定尺、滑尺長度與標準型相同，僅是定尺寬度為標準型的一半。用于安裝尺寸受限制的設備，精度稍低于標準型。（3）帶型：定尺的基板改用鋼帶，滑尺做成滑標式，直接套在定尺上。安裝表面不用加工。使用時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)成絕對坐標系統(tǒng)。

2）旋轉(zhuǎn)式感應同步器的結(jié)構(gòu)（a）定子（b）轉(zhuǎn)子圖8-13旋轉(zhuǎn)式感應同步器的結(jié)構(gòu)

2.感應同步器的工作原理

工作時，定尺和滑尺繞組平面平行相對，它們之間有一氣隙，可以做相對移動。當滑尺的兩相繞組以一定的正弦電壓激磁時，由于電磁感應，在定尺的繞組中將產(chǎn)生同頻率的交變感應電動勢，感應電動勢的大小取決于定尺和滑尺兩繞組的相對位置，以進行位移量的檢測。感應電動勢移動距離U0USUC定尺滑尺2ττ/2正弦繞組A余弦繞組B在勵磁繞組上加上一定的交變勵磁電壓，定尺繞組中就產(chǎn)生相同頻率的感應電動勢，其幅值大小隨滑尺移動呈余弦規(guī)律變化?；咭苿右粋€節(jié)距，感應電動勢變化一個周期。圖8-14感應電勢和定、滑尺相對位置的關(guān)系只加正弦繞組在滑尺移動一個節(jié)距的過程中，感應電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個周期，如圖中abcde。感應同步器就是利用感應電壓的變化進行位置檢測的感應電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應電壓的某一幅值對應兩個位移點，如圖中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。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(圖中OP)。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應電壓值所對應的唯一確定的位移。感應同步器的工作原理：電磁耦合原理工作時，在滑尺上的繞組上通勵磁電壓由于電磁耦合作用，在定尺繞組上產(chǎn)生感應電壓當滑尺和定尺之間發(fā)生相對位移時由于電磁耦合的變化，定尺上感應繞組中的感應電壓也發(fā)生變化感應電壓的變化與相對位移之間有一定的關(guān)系通過測量定尺繞組中的感應電壓，借以進行位移量的檢測3.感應同步器的信號處理方式對感應同步器的信號處理，根據(jù)工作要求和精度的不同有鑒相式、鑒幅式、幅相式等，下面介紹鑒相式和鑒幅式。(1)鑒相式

鑒相式是根據(jù)感應電勢的相位來鑒別位移量。如果將滑尺上余弦和正弦繞組不僅在繞組的配置上錯開1／4節(jié)距的距離，而且還使供給兩繞組的激磁

電壓幅值、頻率均相等，但相位相差90°，即余弦繞組激磁電壓正弦繞組激磁電壓當僅對余弦繞組施加交流激磁電壓Uc時，定尺繞組感應電勢為當僅對正弦繞組施加交流激磁電壓Us時，定尺繞組感應電勢為對滑尺上兩個繞組同時加激磁電壓，則定尺繞組上所感應的總電勢為滑尺與定尺相對位移量x的求取：結(jié)論：相對位移量x與相位角θ呈線性關(guān)系，只要能測出相位角θ，就可求得位移量x。節(jié)距例：定尺感應電動勢與滑尺勵磁電動勢之間的相位角θ＝180０，在節(jié)距２τ=２mm的情況下，滑尺移動？滑尺移動了１mm。（2）鑒幅式在滑尺的兩個繞組上施加頻率和相位均相同，但幅值不同的交流激磁電壓uc和us

設此時滑尺繞組與定尺繞組的相對位移角為，則定尺繞組上的感應電勢為

上式表明，激勵電壓的φ值與感應同步器的定滑尺繞組的相對位移θ有對應關(guān)系，通過檢測感應電動勢的幅值來測量位移，這就是鑒幅測量方式的基本原理。

（x1是指令位移值）任務實施1.編碼式測速傳感器a）測速傳感器結(jié)構(gòu)

b）A、B和Z輸出信號波形圖8-15編碼式測速傳感器2.軸環(huán)式光柵數(shù)顯表a）軸環(huán)式光柵數(shù)顯表結(jié)構(gòu)b）測量電路框圖圖8-16軸環(huán)式光柵數(shù)顯表

如圖所示，用不銹鋼制成圓光柵，定片（指示光柵）固定，動片（主光柵）與機床的進給刻度輪聯(lián)動。動片的表面均勻的刻有500對透光和不透光的條紋，稱500線/對。定片為圓弧形薄片，在其表面刻有兩條亮條紋，與主光柵之間形成一定的角度θ，其亮條紋間距使形成的莫爾條紋的亮暗信號的相位相差2/π，即第一個管子接收正弦信號，第二個管子接收余弦信號。通過細分及辨向電路，根據(jù)運動的方向來控制可逆計數(shù)器做加法或減法計數(shù)。3.感應同步器數(shù)顯表圖8-17感應同步器數(shù)顯表4、鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計

鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計是目前油田浮頂式儲油罐液位測量普遍應用的一種測量設備。在量程超過20m的應用環(huán)境中，液位測量