1、機電一體化第三章教案（講稿）章節名稱 第3章 檢測環節教學名稱第1節 位置檢測環節的構成和接口教學時數 學時 2教學目標1掌握光柵的結構，工作原理，摩爾條紋計數概念2掌握脈沖編碼器的結構和工作原理，分類，應用特點3理解感應同步器，旋轉變壓器，磁柵的工作原理，應用特點課程重點難點1. 柵的結構，工作原理，摩爾條紋計數概念2. 脈沖編碼器的結構和工作原理，分類，應用特點3.光電信號的檢測、整形、辨向、計數電路的原理分析教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學概 述在機電一體化產品中，無論是機械電子化產品（如數控機床），還是機電相互融合的高級產品（如機器人），都離不開檢測與傳感器這

2、個重要環節。若沒有傳感器對原始的各種參數進行精確而可靠的自動檢測，那么信號轉換、信息處理、正確顯示、控制器的最佳控制等，都是無法進行和實現的。檢測系統是機電一體化產品中的一個重要組成部分，用于實現計測功能。在機電一體化產品中，傳感器的作用就相當于人的感官，用于檢測有關外界環境及自身狀態的各種物理量（如力、位移、速度、位置等）及其變化，并將這些信號轉換成電信號，然后再通過相應的變換、放大、調制與解調、濾波、運算等電路將有用的信號檢測出來，反饋給控制裝置或送去顯示。實現上述功能的傳感器及相應的信號檢測與處理電路，就構成了機電一體化產品中的檢測系統。隨著現代測量、控制及自動化技術的發展，傳感器技術越

3、來越受到人們的重視，應用越來越普遍。凡是應用到傳感器的地方，必然伴隨著相應的檢測系統。傳感器與檢測系統可對各種材料、機件、現場等進行無損探傷、測量和計量；對自動化系統中各種參數進行自動檢測和控制。尤其是在機電一體化產品中，傳感器及其檢測系統不僅是一個必不可少的組成部分，而且已成為機與電有機結合的一個重要紐帶。一、傳感器的分類傳感器種類繁多，分類方法也有多種，可以按被測物理量分類，這種分法明確表達了傳感器的用途，便于根據不同用途選擇傳感器。還可按工作原理分類，這種分法便于學習、理解和區分各種傳感器。機電一體化產品主要以微型計算機作信息處理機和控制器，傳感器獲取的有關外界環境及自身狀態變化的信息，

4、一般反饋給計算機進行處理或傳感器開關型（二值型）接觸型（如微動開關、行程開關、接觸開關）非接觸型（如光電開關、接近開關）模擬型電阻型（如電位器、電阻應變片等）電壓、電流型（如熱電偶、光電池等）電感、電容型（如電感、電容式位移傳感器）數字型計數型（二值計數器）代碼型（如旋轉編碼器、磁尺等）圖21 傳感器按輸出信號性質分類實施控制。因此，這里將傳感器按輸出信號的性質分類，分為開關型、模擬型和數字型，如圖21所示。開關型傳感器只輸出“1”和“0”或開（ON）和關（OFF）兩個值。如果傳感器的輸入物理量達到某個值以上時，其輸出為“1”（ON狀態），在該值以下時輸出為“0”（OFF狀態），其臨界值就是開

5、、關的設定值。這種“1”和“0”數字信號可直接送入微型計算機進行處理。數字型傳感器有計數型和代碼型兩大類。計數型又稱脈沖計數型，它可以是任何一種脈沖發生器，所發出的脈沖數與輸入量成正比，加上計數器就可以對輸入量進行計數。計數型傳感器可用來檢測通過輸送帶上的產品個數，也可用來檢測執行機構的位移量，這時執行機構每移動一定距離或轉動一定角度就會發出一個脈沖信號，例如光柵檢測器和增量式光電編碼器就是如此。代碼型傳感器即絕對值式編碼器，它輸出的信號是二進制數字代碼，每一代碼相當于一個一定的輸入量之值。代碼的“1”為高電平，“0”為低電平，高低電平可用光電元件或機械式接觸元件輸出。通常被用來檢測執行元件的

6、位置或速度，例如絕對值型光電編碼器、接觸型編碼器等。模擬型傳感器輸出是與輸入物理量變化相對應的連續變化的電量。傳感器的輸入/輸出關系可能是線性的，也可能是非線性的。線性輸出信號可直接采用，而非線性輸出信號則需進行線性化處理。這些線性信號一般需進行模擬/數字轉換（A/D），將其轉換成數字信號后再送給微型計算機處理。傳感器的發展方向由于傳感器位于檢測系統的入口，是獲取信息的第一個環節，因此它的精度、可靠性、穩定性、抗干擾性等直接關系到機電一體化產品的整機性能指標。因此，傳感器的研究與開發一直受到人們的重視，傳感器的性能不斷提高，主要表現在以下幾個方面：（一）新型傳感器的開發鑒于傳感器的工作機理是基

7、于各種效應和定律，由此啟發人們進一步發現新現象、采用新原理、開發新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。總之，傳感器正經歷著從以結構型為主轉向以物性型為主的過程。（二）傳感器的集成化和多功能化隨著微電子學、微細加工技術和集成化工藝等方面的發展，出現了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時進行多種參數測量的傳感器；或是傳感器與放大、運算、溫度補償等電路集成一體具有多種功能實現了橫向和縱向的多功能。（三）傳感器的智能化“電五官

8、”與“電腦”的相結合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統計處理及自診斷、自校準、自適應等功能。如進一步將傳感器與計算機的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。3.1 位置檢測環節的構成和接口感應同步器1。概述及應用特點感應同步器是利用電磁感應原理把兩個平面繞組間的位移量轉換成電信號的一種位移傳感器。按測量機械位移的對象不同可分為直線型和圓盤型兩類，分別用來檢測直線位移和角位移。由于它成本低，受環境溫度影響小，測量精度高，且為非接觸測量，所以在位移檢測中得到廣泛應用，特別是在各種機床的位移數字顯示、自動定位和數控系統中。2。感應同步器

9、的結構直線型感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，如圖25所示。圖26為直線型感應同步器定尺和滑尺的結構。其制造工藝是先在基板（玻璃或金屬）上涂上一層絕緣粘合材料，將銅箔粘牢，用制造印刷線路板的腐蝕方法制成節距T一般為2mm的方齒形線圈。定尺繞組是連續的。滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節距。滑尺和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。3。感應同步器的工作原理在滑尺的正弦繞組中，施加頻率為f（一般為210kHz）的交變電流時，定尺繞組感應出頻率為f的感應電勢。感應電勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有

10、關。當兩繞組同向對齊時，滑尺繞組磁通全部交鏈于定尺繞組，所以其感應電勢為正向最大。移動1/4節距后，兩繞組磁通不交鏈，即交鏈磁通量為零；再移動1/4節距后，兩繞組反向時，感應電勢負向最大。依次類推，每移動一節距，周期性的重復變化一次，其感應電勢隨位置按余弦規律變化，見圖27a。圖25 直線型感應同步器的組成1定尺 2滑尺圖26 直線型感應同步器定尺、滑尺的結構圖27 定尺感應電勢波形圖a）僅對A繞組激磁 b）僅對B繞組激磁同樣，若在滑尺的余弦繞組中，施加頻率為f的交變電流時，定尺繞組上也感應出頻率為f的感應電勢。其感應電勢隨位置按正弦規律變化。見圖27b。設正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電

11、電壓為Uc，移動距離為x，節距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應電勢為(29)余弦繞組單獨供電所產生的感應電勢為(210)由于感應同步器的磁路系統可視為線性，可進行線性疊加，所以定尺上總的感應電勢為(211)式中 K定尺與滑尺之間的耦合系數；定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角度）；T節距，表示直線感應同步器的周期，標準式直線感應同步器的節距為2mm。感應同步器是利用感應電壓的變化來進行位置檢測的。根據對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應同步器的測量方式有相位和幅值兩種工作法，前者是通過檢測感應電壓的相位來測量位移，后者是通過檢測感應電壓的幅值來測量位移。4。測量

12、方法1.相位工作法當滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓時，定尺感應電勢相應隨滑尺位置而變。設(212)(213)則=(214)= 從上式可以看出，感應同步器把滑尺相對定尺的位移x的變化轉成感應電勢相角的變化。因此，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：(215)2.幅值工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓(216)(217)根據線性疊加原理，定尺上總的感應電勢U2為兩個繞組單獨作用時所產生的感應電勢U2和U2之和。即(218)式中 K Umsin（）感應電勢的幅值；Um滑尺勵磁電壓最大的幅值；滑尺交流勵磁電壓

13、的角頻率，=2f；指令位移角。由上式知，感應電勢U2的幅值隨（）作正弦變化，當=時，U2=0。隨著滑尺的移動，逐漸變化。因此，可以通過測量U2的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。 旋轉變壓器旋轉變壓器概述旋轉變壓器是一種利用電磁感應原理將轉角變換為電壓信號的傳感器。由于它結構簡單，動作靈敏，對環境無特殊要求，輸出信號大，抗干擾好，因此被廣泛應用于機電一體化產品中。（一）旋轉變壓器的構造和工作原理旋轉變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉子組成。當從一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉子繞組的電壓幅值與轉子轉角成

14、正弦、余弦函數關系，或在一定轉角范圍內與轉角成正比關系。前一種旋轉變壓器稱為正余弦旋轉變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉變壓器，適用于小角位移的相對測量。圖210 正余弦變壓器原理圖D1D2激磁繞組 D3D4輔助繞組 Z1Z2余弦輸出繞組 Z3Z4正弦輸出繞組如圖210所示，旋轉變壓器一般做成兩極電機的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90°。在轉子上有兩個輸出繞組正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90°，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。（二）旋轉變壓器的測量方式當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90&

15、#176;的交變激磁電壓時，便可在轉子繞組中得到感應電勢U3，根據線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應電勢之和，即(227)(228)(229)式中 k =w1/w2旋轉變壓器的變壓比；w1、w2轉子、定子繞組的匝數。可見，測得轉子繞組感應電壓的幅值和相位，可間接測得轉子轉角的變化。線性旋轉變壓器實際上也是正余弦旋轉變壓器，不同的是線性旋轉變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如圖211。這樣使得在一定轉角范圍內（一般為±60°），其輸出電壓和轉子轉角成線性關系。此時輸出電壓為(230)根據此式，選定變壓比k及允許的非線性度，則可推算出滿足線性關系的轉角范圍（圖2

16、12）。如取k =0.54，非線性度不超過±0.1%，則轉子轉角范圍可以達到±60°。圖211 線性旋轉變壓器原理圖圖212 轉子轉角與輸出電壓的關系曲線 光柵光柵位置檢測裝置1.光柵的種類(1)直線光柵1）玻璃透射光柵是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝制成的。玻璃透射光柵的特點是：光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數頭結構比較簡單；每毫米上的線紋數多，一般為每毫米100、125、250條，再經過電路細分，可做到微米級的分辨率。2

17、）金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；金屬反射光柵常用的線紋數為每毫米4、10、25、40、50條，因此，其分辨率比玻璃透射光柵低。此外，也可以把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵。金屬反射光柵的特點是：標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致；標尺光柵的安裝和調整比較方便；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。（2）圓光柵在玻璃圓盤的外環端面上，做成黑白相間條紋，條紋呈輻射狀，相互間夾角（稱為柵距角）相等。根據不同的使用要求在圓周內的線紋數也不相同。圓光柵一般有3種形式：1）六十進制，如圓周內的線紋數為：10800，2160

18、0，32400，64800等；2）十進制，如圓周內的線紋數為：1000，2500，5000等；3）二進制，如圓周內的線紋數為：512，1024，2048等。2.直線透射光柵的組成及工作原理（1）直線透射光柵的組成原理光柵由標尺光柵（又稱長光柵）和光柵讀數頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上（如工作臺上或絲杠上），光柵讀數頭安裝在機床固定部件上（如機床底座上）。指示光柵（又稱短光柵）裝在光柵讀數頭中。當光柵讀數頭相對于標尺光柵移動時，指示光柵便在標尺光柵上相對移動。標尺光柵和指示光柵構成了光柵尺。圖6-9所示為一光柵尺的簡單示意圖，標尺光柵和指示光柵上均勻刻有很多條紋，從局部放大部分看

19、，黑的部分為不透光寬度（縫隙寬度）a，白的部分為透光寬度（刻線寬度）b，設柵距為d，則da+b。通常情況下，光柵尺刻線的不透光和透光寬度是一樣的，即：a=b。在安裝光柵尺時，標尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙（一般取0.05或0.1）要嚴格保證。光柵圖6-9 光柵尺光柵讀數頭又稱光電轉換器，它由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅動線路組成。光柵讀數頭的結構形式很多，按光路分，常見的有分光讀數頭、垂直入射讀數頭、反射讀數頭和鏡像讀數頭，光路圖如圖6-10所示，圖中Q表示光源，L表示透鏡，G表示光柵，P表示光電元件。（a）分光讀數頭（b）垂直入射讀數頭（c）反射讀數頭圖6-10 光柵讀數

20、頭光路圖上述光柵只能用于增量式測量方式，有的光柵讀數頭沒有個絕對零點，當停電或其他原因記錯數字時，可以重新對零。它是在兩光柵上分別有小段光柵，當這兩小段光柵重合時發出零位信號，并在數字顯示器中顯示。玻璃透射式直線光柵用玻璃制成，容易受外界氣溫的影響而產生誤差，而且灰塵、切屑、油污、水汽等容易侵入，使光學系統受到雜質的污染，影響光柵信號的幅值和精度，甚至因光柵的相對運動而損壞刻線。因此，光柵必須采用與機床材料膨脹系數接近的K8等玻璃材料，并且要加強對光柵系統的維護和保養。測量精度較高的光柵都使用在環境條件較好的恒溫場所或進行密封。用直線光柵測量時要求標尺光柵與行程等長，通常情況下光柵的長度為1m

21、，如果在大型機床中行程大于1m時，需要將光柵接長，此時要注意保證接口處的精度。（2）摩爾條紋的產生和特點對于柵距d相等的指示光柵和標尺光柵，當兩光柵尺沿線紋方向保持一個很小的夾角、刻劃面相對平行且有一個很小的間隙（一般取0.05mm，0.1mm放置時，在光源的照射下，由于光的衍射或遮光效應，在與兩光柵線紋角的平分線相垂直的方向上，形成明暗相間的條紋，這種條紋稱“莫爾條紋”。由于角很小，所以莫爾條紋近似垂直于光柵的線紋，故有時稱莫爾條紋為橫向莫爾條紋。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以w表示。（a）莫爾條紋形成原理（b）莫爾條紋放大原理圖6-11光柵工作原理莫爾條紋具有

22、如下特性：（1）起放大作用不難證明，在傾斜角很小時，莫爾條紋寬度w與柵距d之間有如下關系：（6-12）放大比k為：（6-13）若取d=0.01mm，0.02rad，則w5mm，k500。可見，無需復雜的光學系統和電子放大線路，利用光的干涉現象，就能把光柵的柵距d轉換成放大500倍的莫爾條紋寬度w。（2）實現平均誤差作用莫爾條紋是由大量光柵線紋干涉共同形成的，使得柵距之間的相鄰誤差被平均化了，消除了由光柵線紋的制造誤差導致的柵距不均勻而造成的測量誤差。（3）莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例當光柵移動一個柵距時，莫爾條紋也相應移動一個莫爾條紋寬度；若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。

23、莫爾條紋移動方向與兩光柵夾角移動方向垂直。這樣，測量光柵水平方向移動的微小距離就可用檢測莫爾條紋的變化代替。3.直線光柵檢測裝置的方向辨別光源通過標尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上，光電元件把兩塊光柵相對移動時產生的莫爾條紋明暗的變化轉變為電流變化。當標尺光柵沿與其線紋垂直方向相對指示光柵移動時，若指示光柵的線紋與標尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接收到的光通量最小。若指示光柵的線紋與標尺光柵的線紋完全重合，光電元件接收到的光通量最大。因此，標尺光柵移動過程中，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗帶到亮帶，相互交替出現，透過的光強度分布近似于余弦曲線，光電元件接收到的光通量也忽大忽小，產生了

24、近似正弦曲線的電壓信號。這樣的信號，只能用于計數，而不能辨別方向。實際應用中，即要求有較高的檢測精度，又能辨別方向。為了達到這種要求，通常使用分頻電路實現。圖6-12 光柵測量系統（a）電路圖（b）波形圖圖6-13 光柵測量系統四倍頻鑒向電路介紹一種廣泛使用的四倍頻鑒向電路工作原理。所謂四倍頻，就是采用四個光電元件和四個狹縫，使其與莫爾條紋相重合的位置相差14柵距。這樣，四個光電元件輸出的正弦信號彼此之間相差90°，經過整形和邏輯處理后即可得到能夠辨別方向的四倍頻脈沖信號。圖6-13（a）、（b）分別為四倍頻電路的邏輯圖和波形圖。當指示光柵和標尺光柵相對移動時，四個硅光電池Pl、P2

25、、P3、P4產生四路相差90°相位的正弦信號。將兩組相差180°的兩個正余弦信號1、3和2、4分別送入兩個差動放大器，輸出經放大整形后，得兩路相差90°的方波信號A和B。A和B兩路方波一方面直接進微分電路微分后，得到前沿的兩路尖脈沖A和B；另一方面經反向器，得到分別與A和B相差180°的兩路等寬脈沖C和D；C和D再經微分電路微分后，得兩路尖脈沖C和D。四路尖脈沖按相位關系經與門和A、B、C、D信號相與，再輸出給或門，輸出正反向信號，其中AB、AD、CD、BC分別通過Yl、Y2、Y3、Y4輸出給或門Hl，得正向脈沖，而B C、A B、AD、CD通過Y5、Y

26、6、Y7、Y8輸出給或門H2，得反向脈沖。當正向運動時，H1有脈沖信號輸出，H2則保持低電平；而反向運動時，H2有脈沖信號輸出，H1則保持低電平。4.提高光柵分辨精度的措施鑒向倍頻電路不僅可以起到辨別方向的作用，它還可以起到細分的作用，以提高光柵的分辨率。從上面的分析可知，從莫爾條紋原來的一個脈沖信號變為在0°、90°、180°、270°都有脈沖輸出，即在一個周期內送出了4個脈沖。這樣，分辨率提高了4倍。例如光柵線紋密度為50條/mm，即柵距為150mm（20m），經4倍頻處理后，相當于將線紋密度提高到200條/mm，工作臺每移動5m就會送出一個脈沖，即

27、分辨率為5m，分辨率提高了4倍。光柵測量系統的分辨率取決于光柵柵距2和鑒向倍頻的倍數n，即：分辨率2/n。光柵輸出信號有兩種，正弦波信號和方波信號。正弦波信號有電流型和電壓型。對連續變化的正弦波信號，需經過如上所述的差動放大、整形及倍頻處理后得到脈沖信號。也可采用相位跟蹤細分，進一步提高分辨率，其原理是將輸出信號與相對相位基準信號比較，當相位差超過一定門檻時，移相脈沖門輸出移相脈沖，同時使相對相位基準信號跟蹤測量信號變化。這樣每一移相脈沖使相對相位基準移相360n度，即可實現n倍細分，有八倍頻、十倍頻、二十倍頻或更高。對方波信號，可進行二倍頻和四倍頻處理以提高分辨精度。5.光柵檢測裝置的特點1

28、）精度高 由于激光技術的發展，光柵的制作精度得到很大提高，目前光柵精度可達到微米級，再通過細分電路可以達到0.1m、甚至更高的分辨率，如：0.025m。2）無接觸檢測，精度可長期保持3）制造成本高，技術難度大，維護難度大6.光柵檢測裝置的選用1）技術優勢明顯 精度最高 檢測數據直接微機接口傳送，抗干擾性能好 動態性能好，直接數顯應用可靠2）不足：成本高，接長難度大，維護難度大3）精度選擇 各種光柵中以玻璃衍射光柵的精度為最高。7.光柵檢測裝置的安裝及注意事項 1）安裝（1）安裝方式 標尺固定，讀數頭運動 （簡潔，因電纜線運動可靠性下降） 讀數頭固定，標尺運動 （簡潔性差，因電纜線固定，可靠性較

29、理想）（2）必須有防護措施（3）按裝基面精度高，（小于0.1mm）(4) 標尺平行于運動方向（全長小于0.1mm）（5）用千分尺等檢測歸零和運動精度2）應用注意事項 讀數頭和數顯表數據線插拔應切斷電源 認真防護 定期檢查安裝緊定螺釘 遠離熱源 可靠的限位措施 脈沖編碼器1. 增量式編碼盤常用的光電式編碼器為增量式光電編碼器，亦稱光電碼盤、光電脈沖發生器、光電脈沖編碼器等，是一種旋轉式脈沖發生器，它把機械轉角變成電脈沖，是數控機床上常用的一種角位移檢測元件，也可用于角速度檢測。增量式光電編碼器按每轉發出的脈沖數的多少來分有多種型號，但數控機床最常用的如表6-3所列，根據數控機床絲杠螺距來選用。表

30、6-3 光電脈沖編碼器脈沖編碼器每轉脈沖移動量（mm）2000脈沖r2，3，4，6，82500脈沖r5，103000脈沖r3，6，12為了適應高速、高精度數字伺服系統的需要，先后又發展了高分辨率的脈沖編碼器，見表6-4。現在已有使用每轉發出10萬乃至幾百萬個脈沖的編碼器，該類脈沖編碼器裝置內部應用了微處理器。表6-4 高分辨率脈沖編碼器脈沖編碼器每轉脈沖移動量（mm）20000脈沖r2，3，4，6，825000脈沖r5，1030000脈沖r3，6，12如圖6-21所示，光電編碼器由光源、聚光鏡、光欄板、光電碼盤、光電元件及信號處理電路組成。其中，光電碼盤是在一塊玻璃圓盤上用真空鍍膜的方法鍍上一

31、層不透光的金屬薄膜，再涂上一層均勻的感光材料，然后用精密照相腐蝕工藝，制成沿圓周等距的透光和不透光部分相間的輻射狀線紋，一個相鄰的透光或不透光線紋構成一個節距P。在光電碼盤里圈的不透光圓環上還刻有一條透光條紋Z作為參考標記，用來產生“一轉脈沖”信號，即碼盤轉一周時發出一個脈沖，通常稱其為“零點脈沖”，該脈沖以差動形式Z、輸出，用作測量標準。光欄板固定在底座上，與光電碼盤保持一個小的間距，其上制有兩段線紋組A、（A的反相）和B、（B的反相），每一組的線紋間的節距與光電碼盤相同，而A組與B組的線紋彼此錯開14節距。兩組條紋相對應的光電元件所產生的信號彼此相差90°相位，用于辨向。當光電碼

32、盤與工作軸一起旋轉時，光線通過光欄板和光電碼盤產生明暗相間的變化，由光電元件接受。通過信號處理電路將光信號轉換成電脈沖信號，通過計量脈沖的數目，即可測出轉軸的轉角；通過計量脈沖的頻率，即可測出轉軸的速度；通過測量A組與B組信號相位的超前或滯后的關系確定被測軸的旋轉方向。圖6-21 增量式光電脈沖編碼器結構示意圖1光源；2透鏡；3光欄板；4光電碼盤；5光電元件；6參考標記光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周的條紋數有關，即分辨角360°/狹縫數。如條紋數為1024，則分辨角360°/10240.352°。光電編碼器的輸出信號A、和B、為差動

33、信號。差動信號大大提高了傳輸的抗干擾能力。在數控系統中，常對上述信號進行倍頻處理，以進一步提高分辨力。例如，配置2000脈沖r光電編碼器的伺服電動機直接驅動8mm螺距的滾珠絲杠，經數控系統4倍頻處理后，相當于8000脈沖r的角度分辨力，對應工作臺的直線分辨力由倍頻前的0.004mm提高到0.001mrn。光電式編碼器的優點是沒有接觸磨損，碼盤壽命長，允許轉速高，而且最外圈每片寬度可做得很小，因而精度高。缺點是結構復雜，價格高，光源壽命短。除了上述介紹的增量式光電編碼器，目前，還有一種混合式絕對值脈沖編碼器，它是將增量制碼與絕對制碼同做在一塊碼盤上。在碼盤的最外圈是高密度的增量制條紋，中間有四個

34、碼道組成絕對值式的四位循環碼，以二進制碼為例，每14同心圓被循環碼分割為16個等分段。圓盤最里面有發一轉信號的狹縫。該碼盤的工作原理是粗、中、精三級計數，碼盤轉的轉數由對“一轉脈沖”的計數表示，在一轉以內的角度位置由循環碼的4×16個不同數值表示，每14圓循環碼的細分由最外圈增量制碼完成。 信號處理原理產生方向控制信號和計數脈沖的電路框圖和波形圖如下所示。光電脈沖編碼器的輸出信號A、B、經差分驅動傳輸進入數控裝置，為A相信號和B相信號，該兩相信號為本電路的輸入脈沖。經整形和單穩后變成A1、B1窄脈沖。正向時，A脈沖超前B脈沖，B方波和A1窄脈沖進入C“與非門”，A方波和B1窄脈沖進入

35、D“與非門”，則C門和D門分別輸出高電平和負脈沖。這兩個信號使由1、2兩個“與非門”組成的“RS”觸發器置“0”，（此時，Q端輸出“0”，代表正方向），使3“與非門”輸出正走向計數脈沖。反向時，B脈沖超前A脈沖，B、A1和A、B1信號同樣進入C、D門，但由于其信號相位不同，使C、D門分別輸出負脈沖和高電平，從而將“RS”觸發器置“1”（Q端輸出“1”，代表負方向）、3門輸出反走計數脈沖。不論正走、反走，與非門3都是計數脈沖輸出門，“RS”觸發器的Q端輸出方向控制信號。由于增量式光電編碼器每轉過一個分辨角就發出一個脈沖信號，因此，根據脈沖的數量、傳動比及滾珠絲杠螺距即可得出移動部件的直線位移量。

36、如某帶光電編碼器的伺服電動機與滾珠絲杠直聯（傳動比1：1），光電編碼器1024脈沖r，絲杠螺距8mm，在數控系統伺服中斷時間內計脈沖數1024脈沖，則在該時間段里，工作臺移動的距離為。在數控回轉工作臺中，通過在回轉軸末端安裝編碼器，可直接測量回轉工作臺的角位移。數控回轉工作臺與直線軸聯動時，可加工空間曲線。在交流電動機變頻控制中，與電動機同軸聯接的編碼器可檢測電動機轉子磁極相對定子繞組的角度位置，用于變頻控制。2. 絕對值式編碼器接觸式碼盤是一種絕對值式的檢測裝置，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來，且每一個角度位置均有表示該位置的唯一對應的代碼，因此這種測量方式即使斷電或切斷電源，也能讀出轉

37、動角度。如圖6-20（a）所示為4位二進制碼盤。它在一個不導電基體上做成許多同心圓形碼道和周向等分扇區，其中涂黑部分為導電區，用“1”表示；其它部分為絕緣區，用“0”表示。這樣，在每一個扇區，都有由“1"“0”組成的二進制代碼，即每個扇區都可由4位二進制碼表示。最里一圈是公共圈，它和各碼道所有導電部分連在一起，經電刷和電阻接電源正極。除公用圈以外，4位二進制碼盤的四圈碼道上也都裝有電刷，電刷經電阻接地。由于碼盤是與被測轉軸連在一起的，而電刷位置是固定的，則當碼盤隨被測軸一起轉動時，電刷和碼盤的位置發生相對變化，若電刷接觸的是導電區域，則經電刷、碼盤、電阻和電源形成回路，該回路中的電阻

38、上有電流流過，為“1”；反之，若電刷接觸的是絕緣區域，則不能形成回路，電阻上無電流流過，為“0”，由此可根據電刷的位置得到由“1”“0”組成的4位二進制碼。通過圖6-20可看出電刷位置與輸出二進制代碼的對應關系。（a）4位二進制碼盤（b）4位格雷碼盤圖6-20 接觸式碼盤不難看出，碼道的圈數就是二進制的位數，且高位在內，低位在外。由此可以推斷出，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，且圓周均分2n等分，即共有2n個數據來分別表示其不同位置，所能分辨的最小角度為：360°/2n。顯然，位數n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。所以，若要提高分辨力，就必須提高碼道數，即二進制位數。目前

39、接觸式碼盤一般可以做到814位二進制。若要求位數更多，則采用組合碼盤，一個粗計碼盤，一個作為精計碼盤。精計碼盤轉一圈，粗計碼盤依次轉一格。如果一個組合碼盤是由兩個8位二進制碼盤組合而成的，那么便可得到相當于16位的二進制碼盤，這樣就使測量精度大大提高。但結構卻相當復雜。另外，在實際應用中對碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴格，否則就會產生非單值性誤差。若電刷恰好位于兩位碼的中間或電刷接觸不良，則電刷的檢測讀數可能會是任意的數字，例如，當電刷由位置（0111）向位置（1000）過渡時，可能會出現8到15之間的任一十進制數。這種誤差稱為非單值誤差。為了消除這種誤差一般采用循環碼，即雷格碼。圖6-20（b

40、）為一個4位格雷碼盤。比較一下，它與圖6-20（a）所示碼盤的不同之處在于，它的各碼道的數碼并不同時改變，任何兩個相鄰數碼間只有一位是變化的，所以每次只切換一位數，把誤差控制在最小單位內。接觸式絕對值編碼器優點是簡單、體積小、輸出信號強。缺點是電刷磨損造成壽命降低，轉速不能太高（每分鐘幾十轉），精度受外圈（最低位）碼道寬度限制。因此使用范圍有限。 磁柵磁柵是利用電磁特性來進行機械位移的檢測。主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其他類型的位移傳感器相比，具有結構簡單、使用方便、動態范圍大（120m）和磁信號可以重新錄制等特點。其缺點是需要屏蔽和防塵。（一）磁柵式位移傳感器

41、的結構和工作原理磁柵式位移傳感器的結構原理如圖28所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路等部分組成。磁尺是采用錄磁的方法，在一根基體表面涂有磁性膜的尺子上，記錄下一定波長的磁化信號，以此作為基準刻度標尺。磁頭把磁柵上的磁信號檢測出來并轉換成電信號。檢測電路主要用來供給磁頭激勵電壓和磁頭檢測到的信號轉換為脈沖信號輸出。磁尺是在非導磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其它合金材料的基體上，涂敷、化學沉積或電鍍上一層1020m厚的硬磁性材料（如NiCoP或FeCo合金），并在它的表面上錄制相等節距周期變化的磁信號。磁信號的節距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂

42、一層12m的耐磨塑料保護層。圖28 磁柵工作原理1磁性膜 2基體 3磁尺 4磁頭 5鐵芯 6勵磁繞組 7拾磁繞組磁柵按用途分為長磁柵與圓磁柵兩種。長磁柵用于直線位移測量，圓磁柵用于角位移測量。磁頭是進行磁電轉換的變換器，它把反映空間位置的磁信號轉換為電信號輸送到檢測電路中去。普通錄音機、磁帶機的磁頭是速度響應型磁頭，其輸出電壓幅值與磁通變化率成正比，只有當磁頭與磁帶之間有一定相對速度時才能讀取磁化信號，所以這種磁頭只能用于動態測量，而不用于位置檢測。為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用磁通響應型磁頭。磁通響應型磁頭是利用帶可飽和鐵芯的磁性調制器原理制成的，其結構如圖28所示。在用軟

43、磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，這兩個繞組均由兩段繞向相反并繞在不同的鐵芯臂上的繞組串聯而成。將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，在磁頭上產生磁通1，當磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁信號產生的磁通o進入磁頭鐵芯，并被高頻勵磁電流所產生的磁通1所調制。于是在拾磁線圈中感應電壓為(219式中 U0輸出電壓系數；磁尺上磁化信號的節距；磁頭相對磁尺的位移；勵磁電壓的角頻率。這種調制輸出信號跟磁頭與磁尺的相對速度無關。為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向，通常采用了間距為（m±1/4）的兩組磁頭（其中m為任意正整數）。如圖29所示，i1、i2為勵磁電流，其輸出電壓分別為(22

44、0)(221)圖29 辨向磁頭配置U1和U2是相位相差90°的兩列脈沖。至于哪個導前，則取決于磁尺的移動方向。根據兩個磁頭輸出信號的超前或滯后，可確定其移動方向。（二）測量方式磁柵的測量方式有鑒幅測量方式和鑒相測量方式。1.鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為/2的兩組信號 (222)(223)兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節距發出一個正（余）弦信號，經信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復雜的信頻電路，所以不常采用。2.鑒相測量方式采用相位檢測的精度可以大大高于錄磁節距，并可以

45、通過提高內插脈沖頻率以提高系統的分辨率。將圖中一組磁頭的勵磁信號移相90°，則得到輸出電壓為(224)(225)在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為(226)由上式可知，合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。作業：1簡述脈沖編碼盤的屬類，功能，應用特點，適合構成何類位置控制系統2簡述直線光柵的基本工作原理，應用特點，適合構成何類位置控制系統3. 簡述下圖所示的光電計數辨向電路的工作原理章節名稱 第3章 檢測環節教學名稱第2節 速度檢測環節的構成和接口教學時數 學時 2教學目標1了解測速發電機的結構和工作原理2了解測

46、速發電機的應用特點3理解測霍爾測速傳感器件的組成結構和工作原理4理解測霍爾測速傳感器件的接口電路和應用特點課程重點難點1. 霍爾測速傳感器件的組成結構和工作原理2. 霍爾測速傳感器件的控制接口電路的原理教學方法及手段1課堂理論課講授2多媒體教學課件播放輔助教學直流測速發電機1。測速發電機應用的意義 機電一體化系統的速度檢測，完成速度的閉環調解控制2. 支流 / 交流伺服電機的速度檢測種類： （1）測速發電機角速度檢測（角速度-電壓的轉換） （2）位移傳感器脈沖頻率檢測（角速度-單位時間脈沖個數-計數器） （3）代碼型傳感器代碼變換周期檢測（角速度-代碼變換周期） （4）頻壓傳感器檢測（角速度-

47、脈沖頻率-電壓信號）測速發電機的基本種類直流測速發電機 交流測速發電機 霍耳效應測速發電機直流測速發電機的基本種類 按照定子磁極的勵磁方式可分為： 電磁式測速發電機 永磁式測速發電機 基本技術要求 要求測速發電機的輸出電壓與轉速嚴格成正比基本原理直流測速發電機是一種測速元件，實際上它就是一臺微型的直流發電機。根據定子磁極激磁方式的不同，直流測速發電機可分為電磁式和永磁式兩種。如以電樞的結構不同來分，有無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。測速發電機的結構有多種，但原理基本相同。圖217所示為永磁式測速發電機原理電路圖。恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋轉時，電樞繞組中即產生交變的電勢，

48、經換向器和電刷轉換成正比的直流電勢。圖217 永磁式測速發電機原理圖輸出信號和負載的關系直流測速發電機的輸出特性曲線如圖218所示。從圖中可以看出，當負載電阻RL時，其輸出電壓V0與轉速n成正比。隨著負載電阻RL變小，其輸出電壓下降，而且輸出電壓與轉速之間并不能嚴格保持線性關系。由此可見，對于要求精度比較高的直流測速發電機，除采取其它措施外，負載電阻RL應盡量大。圖218 直流測速發電機輸出特性直流測速發電機的特點是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器、構造和維護比較復雜，摩擦轉矩較大。應用直流測速發電機在機電控制系統中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接

49、連接到電機軸上。有的電機本身就已安裝了測速發電機。霍爾轉速傳感器霍爾轉速傳感器 -概述1.霍爾轉速傳感器的基本工作原理 （1）利用霍爾基層開關元件檢測運動轉速 （2）備測件固定1至若干磁鋼，轉動時每一磁鋼經過霍爾元件時， 均產生一個脈沖，經計數獲得轉速數字信號2.霍爾轉速傳感器的應用特點（1）結構簡單，系統成本低（2）直接產生數字脈沖信號易于和CPU系統接口霍爾轉速傳感器 -應用電路霍爾轉速傳感器 -應用電路的MCS-51控制程序ZSJC：MOV TH0, #00H; MOV TL0 , #00H;MOV TMOD ,#00000101B;WAIT： JB P1.6 , WAITSETB TR

50、0MOV R6, #10DLOOP3: MOV R5, #200D; LOOP2: MOV R4, #250DLOOP1;DJNZ R4 LOOP21DJNZ R5 LOOP2;DJNZ R6 LOOP3;CLR TR0 MOV R1,TH0; MOV R0,TL0;RET；其他轉速檢測元件光電式速度傳感器光電脈沖測速原理如圖219所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔t，則可測得速度為(231)式中 光電池擋板上兩孔間距（m）。圖219 光電式速度傳感器工作原理圖光電式轉速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如圖220所示。光源發出的光通過縫隙圓盤和圖