1、第13章 數字式傳感器 第13章 數字式傳感器 13.1 光柵傳感器光柵傳感器13.2 編碼器編碼器13.3 感應同步器感應同步器第13章 數字式傳感器 13.1 光光 柵柵 傳傳 感感 器器 13.1.1 光柵的結構及工作原理光柵的結構及工作原理 1. 光柵結構光柵結構圖13 1 透射光柵示意圖 光柵光柵：在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋，又稱為刻線a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光）， a+b=W稱為光柵柵距（光柵常數）。通常a=b=W/2，也可刻成a b=1.1 0.9。第13章 數字式傳感器 莫爾條紋莫爾條紋：把兩塊柵距相等的光柵1、光柵2面向對疊合在

2、一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現明暗相間的條紋 在d - d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶， 它是由一系列四棱形圖案構成的； 在f - f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。2. 光柵測量光柵測量圖13-2 光柵莫爾條紋的形式第13章 數字式傳感器 莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點。 (1) 位移的放大作用 莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角之間的關系為 WWBH2sin（13 - 1） 越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/倍。例如=0.1，則1/573

3、，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍， 這相當于把柵距放大了573倍. (2) 莫爾條紋移動方向 如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之，當光柵1向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。 (3) 誤差的平均效應 莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 第13章 數字式傳感器 13.1.2 光柵傳感器的組成光柵傳感器的組成光柵讀數頭光柵讀數頭: 利用光柵原理把輸入量（位移量）轉換成響應的電信號；光柵數顯表光柵數顯表: 實現細分、辨向和顯示功能的電子系統。 圖13 3 光柵讀數頭結構示意圖 1

4、. 光柵讀數頭光柵讀數頭 標尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。 標尺光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。第13章 數字式傳感器 前面分析的莫爾條紋是一個明暗相間的帶。從圖13-2看出，兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程。 主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉換為電信號，接近于正弦周期函數(如圖13 -4所示)， 如

5、以電壓輸出，即 WxUUumoo22sin（13 - 2） 式中： uo光電元件輸出的電壓信號； Uo輸出信號中的平均直流分量； Um輸出信號中正弦交流分量的幅值。輸出電壓反映了位移量的大小。 第13章 數字式傳感器 輸出電壓uoUmUoabcdefg位移 x正最大負最大正最大圖13-4 光柵位移與光強、輸出電壓的關系第13章 數字式傳感器 2. 光柵數顯表光柵數顯表 光柵讀數頭實現了位移量由非電量轉換為電量，位移是向量， 因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應確定其方向。 為了辨別位移的方向， 進一步提高測量的精度，以及實現數字顯示的目的，必須把光柵讀數頭的輸出信號送入數顯表作進一步的處理

6、。光柵數顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數字顯示電路等組成。 采用圖13-3中一個光電元件的光柵讀數頭， 無論主光柵作正向還是反向移動，莫爾條紋都作明暗交替變化， 光電元件總是輸出同一規律變化的電信號，此信號不能辨別運動方向。為了能夠辨向，需要有相位差為/2的兩個電信號。 圖13 - 5為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差/2的電信號u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經過整形后得兩個方波信號u1和u2。 第13章 數字式傳感器 圖13 5 辨向邏輯工作原理 Y1Y2AA1u2uAABB3124uu1u20 x

7、W1u2u4HB4W2W43W1、2光電元件；3、4光柵；A( )光柵移動方向；B( ) 與 A( )對應的莫爾條紋移動方向ABA（1） 辨向原理第13章 數字式傳感器 (2) 細分技術所謂細分細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內，發出若干個脈沖，以減小脈沖當量，如一個周期內發出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。四倍頻細分四倍頻細分第13章 數字式傳感器 13.2 編編 碼碼 器器 將機械轉動的模擬量（位移）轉換成以數字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼

8、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。 編碼器的種類很多， 主要分為脈沖盤式（增量編碼器）和碼盤式編碼器（絕對編碼器），其關系如下所示： 編碼器 脈沖盤式編碼器(增量編碼器) 碼盤式編碼器(絕對編碼器) 接觸式編碼器 電磁式編碼器 光電式編碼器 第13章 數字式傳感器 13.2.1 光電式編碼器光電式編碼器124531光源；2透鏡；3碼盤；4窄縫；5光電元件組圖13-6 光電式編碼器示意圖圖13-7 碼盤構造第13章 數字式傳感器 圖13-8 6位循環碼碼盤 表13-1 四位二進制碼與循環碼對照表 二進制碼當某一較高的數碼改變時， 所有比它低的各位數碼均需同時改變。如果由

9、于刻劃誤差等原因， 某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差粗誤差。 可用循環碼代替二進制碼,是一種無權碼。對于n位循環碼碼盤，最小分辨率=360/2n。 第13章 數字式傳感器 循環碼是一種無權碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉換成二進制碼然后再譯碼。 按表13 -1 所列，可以找到循環碼和二進制碼之間的轉換關系為 11iiiiiinnCRCCCRCR或 式中： R循環碼； C二進制碼。 (13-3) 用與非門構成循環碼-二進制碼轉換器，所用元件比較多。采用存貯器芯片可直接把循環碼轉換成二進制碼或任意進制碼。 如要求有很高的分辨率時，碼盤制作困難，圓盤直徑增大，而且精度也難以達到。這時可

10、采用雙盤編碼器， 它的特點是由兩個分辨率較低的碼盤組合成為高分辨率的編碼器。 第13章 數字式傳感器 13.2.2 磁編碼器磁編碼器由磁鼓與磁阻探頭組成多極磁鼓有兩種：一種是塑磁磁鼓， 在磁性材料中混入適當的粘合劑，注塑成形； 另一種是在鋁鼓外面覆蓋一層粘結磁性材料而制成。多極磁鼓產生的空間磁場由磁鼓的大小和磁層厚度決定，磁阻探頭由磁阻元件通過微細加工技術而制成，磁阻元件電阻值僅和電流方向成直角的磁場有關， 而與電流平行的磁場無關。 圖13 9 磁編碼器的基本結構1432NNSSNNSSNNSS1磁鼓；2氣隙；3磁敏傳感部件；4磁敏電阻元件第13章 數字式傳感器 電磁式編碼器的碼盤上按照一定的

11、編碼圖形，做成磁化區（導磁率高）和非磁化區（導磁率低），采用小型磁環或微型馬蹄形磁芯作磁頭， 磁環或磁頭緊靠碼盤，但又不與碼盤表面接觸。每個磁頭上繞兩組繞組，原邊繞組用恒幅恒頻的正弦信號激勵，副邊繞組用作輸出信號，副邊繞組感應碼盤上的磁化信號轉化為電信號，其感應電勢與兩繞組匝數比和整個磁路的磁導有關。 當磁頭對準磁化區時，磁路飽和，輸出電壓很低，如磁頭對準非磁化區，它就類似于變壓器， 輸出電壓會很高，因此可以區分狀態“1”和“0”。幾個磁頭同時輸出，就形成了數碼。 電磁式編碼器由于精度高，壽命長，工作可靠，對環境條件要求較低，但成本較高。 第13章 數字式傳感器 13.3 感感 應應 同同 步

12、步 器器 13.3.1 結構原理結構原理 感應同步器有直線式和旋轉式兩種，分別用于直線位移和角位移測量，兩者原理相同。圖13-10 長感應同步器示意圖(a) 定尺； (b) 滑尺 exUsUc正弦繞組余弦繞組W41(a)(b)第13章 數字式傳感器 圖13-11 圓感應同步器示意圖(a) 定子； (b) 轉子 第13章 數字式傳感器 13.3.2 信號處理方式信號處理方式 按信號處理方式來分，可分為鑒相和鑒幅方式兩種。它們的特征是用輸出感應電動勢的相位或幅值來進行處理。下面以長感應同步器為例進行敘述。 1. 鑒相方式鑒相方式 滑尺的正弦、余弦繞組在空間位置上錯開1/4定尺的節距， 激勵時加上等

13、幅等頻，相位差為90的交流電壓，即分別以sint和cost來激勵，這樣，就可以根據感應電勢的相位來鑒別位移量， 故叫鑒相型。 第13章 數字式傳感器 當正弦繞組單獨激勵時勵磁電壓為us=Um sint，感應電勢為 sincos tUkems式中，k為耦合系數。 當余弦繞組單獨激勵時（勵磁電壓為uc=Umcost）, 感應電勢為 sincos tUkemc按疊加原理求得定尺上總感應電動勢為 )sin(cossinsincostUktUktUkeeemmmcs式中的=2x/稱為感應電動勢的相位角，它在一個節距W之內與定尺和滑尺的相對位移有一一對應的關系，每經過一個節距， 變化一個周期（2）。 第13章 數字式傳感器 2. 鑒幅方式鑒幅方式 如在滑尺的正弦、余弦繞組加以同頻、 同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據感應電勢振幅來鑒別位移量， 稱為鑒幅型。 加到滑尺兩繞組的交流勵磁電壓為 tUutUuccsscoscos(13-7)(13-8)式中 Us=Um sin； Uc=Um cos；Um激勵電壓幅值；給定的電相角。 第13章 數字式傳感器 它們分別在定尺繞組上感應出的電動勢為 es=kUs sint sinec=kUc sint cos定尺的總感應電勢為 e=es+ec=kUs sint sin+kUc sint co