1、西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院l 柵式柵式( (光柵、磁柵光柵、磁柵) )傳感器傳感器l 編碼式編碼式( (接觸式、光電式、電磁式接觸式、光電式、電磁式) )傳感器傳感器l 頻率輸出式傳感器頻率輸出式傳感器l 感應同步器式傳感器感應同步器式傳感器數字傳感器的分類數字傳感器的分類5 5 數字量傳感器數字量傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5 5 數字量傳感器數字量傳感器機電工程測試技術機電工程測試技術西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5 5 數字量傳感器數字量傳感器 光電編碼器可把角位移直接轉換成脈沖或二進制編光電編碼器可把角位

2、移直接轉換成脈沖或二進制編碼的檢測器件（增量編碼器、絕對編碼器）。碼的檢測器件（增量編碼器、絕對編碼器）。西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.1 5.1 光電編碼器光電編碼器問題：存在讀數誤差問題：存在讀數誤差 非單值誤差非單值誤差2 2、增量編碼器、增量編碼器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.1 5.1 光電編碼器光電編碼器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.1 5.1 光電編碼器光電編碼器2 2、增量編碼器、增量編碼器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院3 3、光電編碼器的應用、光電編碼器的應用數字測速數字測速5.1 5.1 光電編碼器光電編碼器西安工業大學機

3、電學院西安工業大學機電學院1) 光柵光柵：基體（光學玻璃或金屬）上刻有均勻分布條紋的基體（光學玻璃或金屬）上刻有均勻分布條紋的光學元件。分光學元件。分透射光柵透射光柵和和反射光柵反射光柵。2）柵距）柵距： Wa+b 。通常。通常 a=b 或或 a:b=1.1:0.9。 光柵常數通常用刻線密度來表示光柵常數通常用刻線密度來表示2525，5050，100100，250250條條/mm/mm。5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器4 4、直線位移測量、直線位移測量-光柵尺光柵尺西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.1 5.1 光電編碼器光電編碼器反射式反射式西安工業大學機電學院西安工業大學機電學

4、院5.1 5.1 光電編碼器光電編碼器透射式透射式問題：問題：1）受光電元件尺寸限制，刻線不可能過密，分辨力低）受光電元件尺寸限制，刻線不可能過密，分辨力低 2）受加工精度等限制，刻線的不均勻導致精度差）受加工精度等限制，刻線的不均勻導致精度差西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5 5 數字量傳感器數字量傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院1 1、光柵傳感器結構與測量原理、光柵傳感器結構與測量原理u光源光源u標尺光柵標尺光柵u指示光柵指示光柵u光電元件光電元件測量范圍測量范圍標尺標尺光柵的有效長度光柵的有效長度1 1）結構）結構5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電

5、學院西安工業大學機電學院播放動畫播放動畫長光柵莫爾條紋演示7.2 7.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院2 2）莫爾條紋的形成）莫爾條紋的形成均勻刻線均勻刻線主光柵主光柵指示光柵指示光柵夾角夾角明暗相間條紋明暗相間條紋莫爾條紋莫爾條紋移動移動5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院圓光柵莫爾條紋7.2 7.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院播放動畫播放動畫播放中播放中單擊準備演示單擊準備演示 0環形莫爾條紋演示7.2 7.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院WWB)2/s

6、in(2特例：當特例：當 =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當當 =0, w1w2 縱縱向莫爾條紋向莫爾條紋Babcd22w3 3）莫爾條紋的寬度）莫爾條紋的寬度5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院播放動畫播放動畫長光柵光閘莫爾條紋演示5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院4) 4) 莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點對應關系對應關系 莫爾條紋近似與刻線垂直，當夾角莫爾條紋近似與刻線垂直，當夾角固定后，兩光柵相固定后，兩光柵相對左右移動一個柵距對左右移動一個柵距W W時，莫爾條紋上下或下上移動一個節距時，

7、莫爾條紋上下或下上移動一個節距B B。因此，可以通過檢測莫爾條紋的移動條數和方向來判斷兩。因此，可以通過檢測莫爾條紋的移動條數和方向來判斷兩光柵相對位移的大小和方向。光柵相對位移的大小和方向。放大作用放大作用 由公式由公式B=W/B=W/可知，當可知，當W W一定，一定，越小時，莫爾條紋間距越小時，莫爾條紋間距B B越大。越大。平均效應平均效應 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。誤差有平均作用。5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5 5）光柵位移與輸出關系）光柵位移與輸出關系光

8、柵的光學放大作用與安裝角度有關，而與兩光柵的安裝光柵的光學放大作用與安裝角度有關，而與兩光柵的安裝間隙無關。間隙無關。 B=W/莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強的變化。無法分辨光強的變化。注意事項：注意事項：5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院2 2、辨向原理、辨向原理兩個感光兩個感光元件相差元件相差1/4周期周期5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院辨向電路辨向電路條紋下移：條紋下移：5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電

9、學院西安工業大學機電學院條紋下移：條紋下移：5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院條紋上移：條紋上移：5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院 脈沖數等于正、反向移動后累加所得的脈沖脈沖數等于正、反向移動后累加所得的脈沖數，根據正負可以辨向。數，根據正負可以辨向。得出：得出：被測物體位移柵距被測物體位移柵距脈沖數脈沖數【例】先正向移動【例】先正向移動11個脈沖，而后反向移動個脈沖，而后反向移動5個脈個脈沖，再正向移動沖，再正向移動2個脈沖，可算出位移個脈沖，可算出位移8個柵距。個柵距。5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器

10、西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院3 3、細分技術、細分技術細分方法：細分方法： 機械細分機械細分：增加刻線密度。：增加刻線密度。 電子細分電子細分：在一個莫爾條紋的間隔內，增加計數：在一個莫爾條紋的間隔內，增加計數脈沖數。脈沖數。問題的提出：如何提高分辨力？問題的提出：如何提高分辨力？5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院辨向原理：辨向原理： 在相差在相差B/4B/4位置上安裝兩個光電元件，位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差得到兩個相位相差/2/2的電信號。的電信號。5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院

11、四倍頻細分法四倍頻細分法 2)2)仍為仍為2 2個光敏元件，若將這個光敏元件，若將這兩個信號兩個信號反相反相就可以得到就可以得到四個依次相差四個依次相差/2/2的信號，的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內得到四個從而可以在移動一個柵距的周期內得到四個計數脈沖，實現四倍頻細分。計數脈沖，實現四倍頻細分。 1)1)采用采用4 4個光敏元件個光敏元件就可以得到就可以得到四個依四個依次相差次相差/2/2的的信號，從而可以在移動一個柵信號，從而可以在移動一個柵距的周期內得到四個計數脈沖，實現四倍頻距的周期內得到四個計數脈沖，實現四倍頻細分。細分。5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院

12、西安工業大學機電學院5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院HeiDenHain的細分設備的細分設備 對正弦輸出信號進行細分，細分倍數可達對正弦輸出信號進行細分，細分倍數可達100100倍，倍，并轉換為并轉換為TTLTTL方波脈沖信號；方波脈沖信號；IBV60005.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院敞開式直敞開式直線光柵尺線光柵尺5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院直線光柵尺直線光柵尺西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5 5、光柵傳感器的特點、光柵傳感器的特點優點優點：分辨

13、力高分辨力高( (可達可達1m1m或更小）或更小）測量范圍大（幾乎不受限制）測量范圍大（幾乎不受限制）動態范圍寬動態范圍寬易于實現數字化測量和自動控制易于實現數字化測量和自動控制缺點缺點：對使用環境要求較高，在現場使用時要求密封，以防止對使用環境要求較高，在現場使用時要求密封，以防止油污、灰塵、鐵屑等的污染。油污、灰塵、鐵屑等的污染。 5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院6 6、光柵傳感器的應用、光柵傳感器的應用1位置測量位置測量西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院2測長儀測

14、長儀5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院7 7、其它柵類傳感器、其它柵類傳感器1 1）容柵：）容柵： 由兩個電容標尺和檢測電路組成由兩個電容標尺和檢測電路組成全重疊時，全重疊時，C = CmaxC = Cmax不重疊時，不重疊時，C = 0C = 0數顯游標卡數顯游標卡尺尺誤差平誤差平均效應均效應5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院7 7、其它柵類傳感器、其它柵類傳感器2 2）磁柵：）磁柵： 由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成由磁性標尺、磁頭和

15、檢測電路組成5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院7 7、其它柵類傳感器、其它柵類傳感器3 3）球柵：）球柵： 由線圈、鋼球、不導磁管和檢測電路組成由線圈、鋼球、不導磁管和檢測電路組成繞組：自感繞組：自感式傳感器式傳感器鋁、陶瓷、不銹鋼鋁、陶瓷、不銹鋼5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院光柵光柵：光刻光刻umum級，莫爾條紋，靈敏度高；級，莫爾條紋，靈敏度高；抗污、抗

16、震性能差。抗污、抗震性能差。磁柵磁柵：磁帶便宜，但使用壽命不如光柵，容易退磁；磁帶便宜，但使用壽命不如光柵，容易退磁；精度差一般為精度差一般為1 15um5um。 特點對比特點對比：容柵容柵：間距大，精度不高；間距大，精度不高；但電容為儲能元件，電荷工作方式，電流小，消耗能量但電容為儲能元件，電荷工作方式，電流小，消耗能量小，體積也可以很小。小，體積也可以很小。球柵球柵：鋼球鋼球mmmm級別，但是外有不導磁管，封閉性好，抗污性強。級別，但是外有不導磁管，封閉性好，抗污性強。 5.2 5.2 光柵傳感器光柵傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院數字量傳感器數字量傳感器作業作業8 8 光柵

17、作業光柵作業1 1、光柵傳感器是依靠莫爾條紋哪三大特性來進行位移測量的？光柵傳感器是依靠莫爾條紋哪三大特性來進行位移測量的？ 西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5 5 數字量傳感器數字量傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院 感應同步器是利用感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理同而變化的原理組成的。分為直線型感應同步器和圓組成的。分為直線型感應同步器和圓盤型感應同步器兩大類。盤型感應同步器兩大類。感應同步器的優點是：感應同步器的優點是：具有較高的精度與分辨力；具有較高的精度與分辨力；抗干擾能力強；抗干擾能力強；使用壽命長，維護簡單

18、；使用壽命長，維護簡單；可以作長距離位移測量；可以作長距離位移測量；工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產。工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產。 廣泛用于三坐標測量機、程控數控機床及高精度廣泛用于三坐標測量機、程控數控機床及高精度重型機床及加工中測量裝置等。重型機床及加工中測量裝置等。5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院1 1、感應同步器的基本結構、感應同步器的基本結構 由定尺和滑尺組成，其繞組分布不同由定尺和滑尺組成，其繞組分布不同定尺是定尺是連續繞組，滑尺則是分段繞組。分段繞組分為兩組，連續繞組，滑尺則是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相

19、差布置成在空間相差9090相角，又稱為正、余弦繞組。相角，又稱為正、余弦繞組。5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院感應同步器的分段繞組和連續繞組相當于變壓器的一次感應同步器的分段繞組和連續繞組相當于變壓器的一次和二次線圈，利用和二次線圈，利用交變電磁場和互感原理交變電磁場和互感原理工作。工作。圓盤式感應同步器圓盤式感應同步器由定子和轉子組成，形狀呈圓片形，由定子和轉子組成，形狀呈圓片形，定子相當于直線式感應同步器的滑尺，轉子相當于定尺。定子相當于直線式感應同步器的滑尺，轉子相當于定尺。5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機

20、電學院2 2、感應同步器的工作原理、感應同步器的工作原理 當定尺和滑尺產當定尺和滑尺產生相對線位移時，或生相對線位移時，或定子與轉子產生相對定子與轉子產生相對角位移時，兩繞組間角位移時，兩繞組間的耦合狀態發生變化，的耦合狀態發生變化，這時，在這時，在定尺和轉子定尺和轉子繞組繞組上感應出一個與上感應出一個與位移有關的電壓信號，位移有關的電壓信號，由此可以測定位移量由此可以測定位移量的大小。的大小。5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機

21、電學院西安工業大學機電學院5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院數顯表是一種數顯表是一種高精度位移測量儀高精度位移測量儀、廣泛應用于航空、廣泛應用于航空、航海及數控機床等的精度測量和定位跟蹤方面。航海及數控機床等的精度測量和定位跟蹤方面。特點特點：1)1)準確測量靜態位移量，又能在運動中輸出動準確測量靜態位移量，又能在運動中輸出動態移量。態移量。2)2)精度高、速度快、體積小、重量輕。精度高、速度快、體積小、重量輕。3)3)抗抗干擾能力強。干擾能力強。4)4)數碼顯示，操作簡單。數

22、碼顯示，操作簡單。主要技術指標：主要技術指標：1)1)顯示范圍顯示范圍：角度測量：角度測量0 0359.999359.999，直線測量直線測量0 09999.999mm9999.999mm。2)2)分辨率分辨率：角度：角度0.0010.001（3.63.6）或）或0.000280.00028(1(1），直線），直線0.001mm0.001mm。3)3)動態動態精度精度：7.27.2。4) 4) 靜態精度靜態精度：角度：角度3.63.6或或11，直線：直線：1m1m。3 3、感應同步器的應用、感應同步器的應用數顯表數顯表5.3 5.3 感應同步器感應同步器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院

23、常用位移傳感器一覽表（數字量）常用位移傳感器一覽表（數字量）型式型式測量范圍測量范圍精確度精確度直線性直線性特點特點感應感應同步同步器器直線式直線式1010-3-310104 4mmmm2.5m2.5m 250mm250mm模擬和數字混合測模擬和數字混合測量系統，數字顯示量系統，數字顯示( (直線式感應同步直線式感應同步器的分辨力可達器的分辨力可達1m)1m)旋轉式旋轉式0 0o o3603600.50.5計量計量光柵光柵長光柵長光柵1010-3-310103 3mmmm3m3m 1m1m同上同上( (長光柵分辨長光柵分辨力可達力可達1m)1m)圓光柵圓光柵0 0o o3603600.50.5

24、”磁尺磁尺長磁尺長磁尺1010-3-310104 4mmmm5m5m 1m1m測量時工作速度可測量時工作速度可達達12m/min12m/min圓磁尺圓磁尺0 0o o3603601 1”角度角度編碼編碼器器接觸式接觸式0 0o o3603601010-6-6radrad分辨力好，可靠性分辨力好，可靠性高高光電式光電式0 0o o3603601010-6-6radrad西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院型式型式測量范圍測量范圍精確度精確度直線性直線性特點特點電電阻阻式式滑線式滑線式線位線位移移1300mm1300mm0.1%0.1%0.1%0.1%分辨力較好，可靜態分辨力較好，可靜態或動態

25、測量。機械結或動態測量。機械結構不牢固構不牢固角位角位移移036003600.1%0.1%0.1%0.1%變阻器式變阻器式線位線位移移11000mm11000mm0.5%0.5%0.5%0.5%結構牢固，壽命長，結構牢固，壽命長，但分辨力差，電噪聲但分辨力差，電噪聲大大角位角位移移060r060r0.5%0.5%0.5%0.5%應應變變式式非粘貼的非粘貼的0.15%0.15%應變應變0.1%0.1%1%1%不牢固不牢固粘貼的粘貼的0.3%0.3%應變應變2%3%2%3%使用方便，需溫度補使用方便，需溫度補償償半導體的半導體的0.25%0.25%應變應變2%3%2%3%滿刻滿刻度度 20%20%

26、輸出幅值大，溫度靈輸出幅值大，溫度靈敏性高敏性高西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院電電感感式式自感式自感式變氣隙型變氣隙型0.2mm0.2mm1%1%3%3%只宜用于微小位移只宜用于微小位移測量測量螺管型螺管型1.52mm1.52mm測量范圍較前者寬，測量范圍較前者寬，使用方便可靠，動使用方便可靠，動態性能較差態性能較差特大型特大型3002000mm3002000mm0.150.15% % 1%1%差動變壓器差動變壓器0.0875mm0.0875mm0.50.50.5%0.5%分辨力好，受到磁分辨力好，受到磁場干擾時需屏蔽場干擾時需屏蔽渦電流式渦電流式2.52.5250mm250mm1

27、1% % 3%3%3%3%分辨力好，受被測分辨力好，受被測物體材料、形狀、物體材料、形狀、加工質量影響加工質量影響同步機同步機3603600.10.1 7 70.5%0.5%可在可在1200r/min1200r/min轉速轉速工作，堅固，對溫工作，堅固，對溫度和濕度不敏感度和濕度不敏感微動同步器微動同步器10101%1%0.05%0.05%非線性誤差與變壓非線性誤差與變壓比和測量范圍有關比和測量范圍有關旋轉變壓器旋轉變壓器60600.1%0.1%西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院電電容容式式變面積變面積1010-3-310103 3mmmm0.005%0.005%1%1%受介電常數因環境

28、受介電常數因環境溫度、濕度而變化溫度、濕度而變化的影響的影響變間距變間距1010-3-310mm10mm0.1%0.1%分辨力很好，但測分辨力很好，但測量范圍很小，只能量范圍很小，只能在小范圍內近似地在小范圍內近似地保存線性保存線性霍爾元件霍爾元件1.5mm1.5mm0.5%0.5%結構簡單，動態特結構簡單，動態特性好性好西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院仿生傳感器西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院仿生傳感器的背景與現狀仿生傳感器的背景與現狀 仿生傳感器是目前熱門的研究領域。人們仿生傳感器是目前熱門的研究領域。人們對人或其他動物的各種感覺如視覺，聽覺，對人或其他動物的各種感覺如視覺

29、，聽覺，感覺，嗅覺和思維等行為進行模擬，研制感覺，嗅覺和思維等行為進行模擬，研制出了自動捕獲和處理信息，模仿人或動物出了自動捕獲和處理信息，模仿人或動物行為的裝置，這就是仿生傳感器。機器人行為的裝置，這就是仿生傳感器。機器人使用的傳感器就是仿生傳感器的典型應用使用的傳感器就是仿生傳感器的典型應用,目前各國對此類傳感器的研制和開發都非目前各國對此類傳感器的研制和開發都非常重視。常重視。西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院西安工業大學機電學院電子皮膚 日本東京大學染谷隆夫和日本東京大學染谷隆夫和櫻井貴康教授的聯合研究櫻井貴康教授的聯合研究小組開發出可測試自由曲小組開發出可測試自由曲面壓力和溫度分布的人工面壓力和溫度分布的人工電子皮膚。電子皮膚由塑電子皮膚。電子皮膚由塑料網狀薄布制造，有機材料網狀