数字式传感器-课件

前前几几章章都都介介绍绍的的是是模模拟拟式式传传感感器器，将将被被测测参参数数转转变变为为电电模模拟拟量量（如如电电压压、电电流流）显显示示出出来来。如如果果用用数数字字显显示示或或输输入入计计算算机机，就就需需要要A/D转转换换装装置置，将将模模拟拟量量变变成成数数字字量量。这这不不但但增增加加了了投投资资，而而且且增增加加了了系系统统的的复复杂杂性性，降降低低了了系系统统的的可可靠靠性性和和精精确确度度，若若直直接接采采用用数数字字式式传传感感器器直直接接将将被被测参数转换成数字信号输出。测参数转换成数字信号输出。数字式传感器具有以下优点：数字式传感器具有以下优点：*精确度和分辨力高；精确度和分辨力高；*抗干扰能力强，便于远距离传输；抗干扰能力强，便于远距离传输；*信号易于处理和存储；信号易于处理和存储；*可以减少读数误差。可以减少读数误差。第六章第六章 数字式传感器数字式传感器 数数字字式式传传感感器器按按工工作作原原理理不不同同，可可分分为为三大类：三大类：*脉脉冲冲输输出出式式：光光电电编编码码器器、光光栅栅传传感感器器、感感应同步器、磁栅传感器等应同步器、磁栅传感器等*频频率率输输出出式式：振振弦弦式式、振振筒筒式式和和振振膜膜式式传传感感器。器。*直接以数字量形式输出：直接以数字量形式输出：直接编码器直接编码器数字式位置传感器的分类数字式位置传感器的分类111 角编码器角编码器 将机械转动的模拟量（位移）转换成将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、器称为编码器。编码器以其高精度、高分高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。量。编码器的种类很多，按照测角度位移编码器的种类很多，按照测角度位移和直线位移分别有码盘和码尺，码盘即为和直线位移分别有码盘和码尺，码盘即为角编码器。角编码器。角编码器是一种旋转式位置传感器，它的角编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常随被测轴一起转动，能将被测轴的角转轴通常随被测轴一起转动，能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。位移转换成二进制编码或一串脉冲。角编码器角编码器绝对式编码器（直接式）绝对式编码器（直接式）增量式角编码器增量式角编码器一、绝对式角编码器一、绝对式角编码器 绝对式（直接）角编码器是直接将绝对式（直接）角编码器是直接将角位移转换为二元码（即角位移转换为二元码（即“0”或或“1”）。）。绝对式角编码器绝对式角编码器接触式接触式光电式光电式磁阻式磁阻式非接触式编码器非接触式编码器特点：非接触，体积小，寿命长，分辨率高 1.接触式编码器接触式编码器接触式编码器由接触式编码器由码盘码盘和和电刷电刷组成组成 码盘：是利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔码盘：是利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制图形（如板上制作某种码制图形（如8-4-2-1码等）的盘码等）的盘式印刷电路板。式印刷电路板。电刷：是一种活动触头结构，在外界力的作用电刷：是一种活动触头结构，在外界力的作用下旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种下旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的某一数字编码输出。码制的某一数字编码输出。码盘码盘接触式编码器工作原理接触式编码器工作原理（以四位二进制码盘为例）（以四位二进制码盘为例）（以四位二进制码盘为例）（以四位二进制码盘为例）8421码：码：是最基本、最简单是最基本、最简单的二进制码，是用的二进制码，是用四位四位 二进制来表示二进制来表示一位等值的十进制一位等值的十进制数，共十六种组合。数，共十六种组合。以以8421制作的码盘和旋转轴固定在一起。制作的码盘和旋转轴固定在一起。码盘上有四圈码道，相应地，对应码道上有一个电刷。码盘上有四圈码道，相应地，对应码道上有一个电刷。四个电刷沿着一个固定的径向四个电刷沿着一个固定的径向 安装。安装。涂黑处为导电区，电刷接触导电部分时，输出高电平（涂黑处为导电区，电刷接触导电部分时，输出高电平（“1”“1”）白处为绝缘区白处为绝缘区，电刷接触绝缘部分时，输出低电平（电刷接触绝缘部分时，输出低电平（“0”“0”）接触式编码器接触式编码器 无论码盘处在哪个角度，均有一个无论码盘处在哪个角度，均有一个4位二进位二进制编码与该角度对应。制编码与该角度对应。码道的圈数就是二进制的位数。若有码道的圈数就是二进制的位数。若有n圈码圈码道，就称为道，就称为n位码盘位码盘，圆周就被分为，圆周就被分为2的的n次方个次方个数据，能分辨的角度（即为分辨率）数据，能分辨的角度（即为分辨率）显然，编码器的分辨率与码道数显然，编码器的分辨率与码道数n有关，位有关，位数数n越大，分辨率越高，测量准确度就越高。若越大，分辨率越高，测量准确度就越高。若要提高分辨能力，就必须增加码道数。要提高分辨能力，就必须增加码道数。绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 4 4个电刷个电刷 存在问题：存在问题：由于四个电刷扫描的不同步容易引起错由于四个电刷扫描的不同步容易引起错码。另外，电刷安装不精确引起的机械偏差，码。另外，电刷安装不精确引起的机械偏差，码盘制作和安装不准码盘制作和安装不准 等。等。提高精度的途径（防止错码的出现）是提高精度的途径（防止错码的出现）是常采用循环码盘。循环码的特点是常采用循环码盘。循环码的特点是相邻两个相邻两个数码间只有一位变化数码间只有一位变化，即使制造或安装不精，即使制造或安装不精确，产生的误差最多也只是最低位，在一定确，产生的误差最多也只是最低位，在一定程度上可消除非单值误差。因此采用循环码程度上可消除非单值误差。因此采用循环码盘比盘比8-4-2-1码盘的精度更高。码盘的精度更高。角角 度度电电 刷刷 位位 置置二进制码二进制码（B）循环码循环码（R）十十 进进 制制 数数0a0000000001 b0001000112 c0010001123 d0011001034 e0100011045 f0101011156 g0110010167 h0111010078 i1000110089 j10011101910 k101011111011 l101111101112 m110010101213 n110110111314 o111010011415 p11111000152.绝对式光电编码器绝对式光电编码器 光光电电编编码码器器，是是一一种种通通过过光光电电转转换换将将输输出出轴轴上上的的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。构成：构成：由光学玻由光学玻璃制成的圆形码盘，璃制成的圆形码盘，码盘上刻有同心码道，码盘上刻有同心码道，码道上有亮区和暗区；码道上有亮区和暗区；光源经光学系统形成光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝一束平行光通过狭缝形成窄光束照射在光形成窄光束照射在光电元件上；电元件上；光电编码器的精度取决于码盘的精度光电编码器的精度取决于码盘的精度。l有多少条码道，就有多有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上长的二进制数，工业上常用的是常用的是21码道。码道。l从里向外读数从里向外读数l亮区：定义为高电平亮区：定义为高电平1l暗区：定义为低电平暗区：定义为低电平0l零位（全黑）：零位（全黑）：000000110000缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。码盘码盘（以（以6位二进制码盘为例）位二进制码盘为例）当狭缝对准当狭缝对准a,b,c,pa,b,c,p位置时，位置时，得到的数码将是得到的数码将是0000,0001,0010,11110000,0001,0010,1111 光电码盘的特点光电码盘的特点是除了转轴之外，不是除了转轴之外，不存在接触磨损，允许存在接触磨损，允许高速旋转。高速旋转。二进制码盘的粗误差（了解）二进制码盘的粗误差（了解）v上图是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。若码道C4黑区做得太短，就误读为1111，为十进制数15。反之，若黑区C4太长，当狭缝处于AA时，就会将1000读为0000。这两种情况下都将产生粗误差。数字式角编码器数字式角编码器 信号航空插头信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）（参考德国沃申道夫公司资料）其他角编码器外形其他角编码器外形 拉线式拉线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。其他角编码器外形其他角编码器外形其他角编码器外形其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）绝对式角编码器结论绝对式角编码器结论 三种编码器相比较，光电式编码三种编码器相比较，光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有广泛的应用。目前我国已有23位光电编位光电编码器，码器，为科学研究、军事、航天和工为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。手段。增增量量式式编编码码器器（即即脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器）是是直直接接利利用用光光电电转转换换原原理理输输出出三三组组方方波波脉脉冲冲 A、B 和和C 相相；A、B 两两组组脉脉冲冲相相位位差差 900，从从而而可可方方便便地地判判断断出出旋旋转转方方向向，而而 C 相相为为码码盘盘每每转转一一圈圈就就产产生生一一个个脉脉冲冲，用用于于基基准准点点定位。定位。二、增量式角编码器二、增量式角编码器有三个码道有三个码道：最外圈：最外圈零位码道零位码道 中间中间外圈外圈A码道码道 最内圈最内圈B码道码道增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC增量式增量式编码器增量式码盘增量式码盘10码码道道光电绝对式码盘光电绝对式码盘 它的优点是原理它的优点是原理构造简单，机械平均构造简单，机械平均寿命可在几万小时以寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长可靠性高，适合于长距离传输。其距离传输。其缺点是缺点是无法输出轴转动的绝无法输出轴转动的绝对位置信息。对位置信息。零位标志零位标志增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增增量量式式光光电电编编码码器器的的测测量量精精度度取取决决于于它它所所能能分分辨辨的的最最小小角角度度，而而这这与与码码盘盘圆圆周周上上的的狭狭缝缝条条纹纹数数n 有有关关，即即最最小小能能分分辨辨的的角角度度及及分辨率为：分辨率为：增量编码器原理演示增量编码器原理演示顺时针旋转式超前顺时针旋转式超前增量编码器原理演示增量编码器原理演示逆时针旋转时滞后逆时针旋转时滞后编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量三相电参数闭环控制编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用11绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 11-2 光栅传感器光栅传感器 1.光栅光栅一、光栅的基本知识一、光栅的基本知识 光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件。见排列的光器件。物理光栅：利用光的衍射现象物理光栅：利用光的衍射现象计量光栅：利用光栅的莫尔条纹计量光栅：利用光栅的莫尔条纹主要讨论：计量光栅主要讨论：计量光栅2.计量光栅计量光栅 光栅传感器由照明系统、光栅副、光敏元件三光栅传感器由照明系统、光栅副、光敏元件三大部分组成。大部分组成。光栅副光栅副是光栅传感器的主要部分。在是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅计量光栅。光栅副。光栅副主要由主要由主光栅主光栅（也称（也称标尺光栅标尺光栅）和）和指示光栅（读数指示光栅（读数头）头）组成。通常将指示光栅与主光栅叠合在一起，组成。通常将指示光栅与主光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（两者之间保持很小的间隙（0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm），），在近在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹，即莫乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹，即莫尔条纹尔条纹，起到，起到光学放大光学放大作用。作用。播放莫尔条纹动画播放莫尔条纹动画 当标尺光栅相对于指示光栅移动时，当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光敏元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，光敏元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而可以测量出标尺光栅的移动距离。可以测量出标尺光栅的移动距离。3.计量光栅的种类计量光栅的种类长光栅（直线光栅）：用于直线位移测量长光栅（直线光栅）：用于直线位移测量圆光栅：用于角位移测量圆光栅：用于角位移测量按形状分按形状分按原理分按原理分透射式透射式反射式反射式abW刻线密度刻线密度：（1010，2525，5050，100100线）线）/mm/mm10001000线线/mm/mm a：刻线宽度：刻线宽度b:刻线间的缝隙宽度刻线间的缝隙宽度W：栅距，光栅常数：栅距，光栅常数 透射光栅透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图图610中中a为刻线宽度，为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽为刻线间的缝隙宽度，度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的主光栅同样密度的线纹。线纹。光源一般用钨丝灯泡。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池光电元件包括光电池和光敏三极管等部分和光敏三极管等部分。尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）透射式直光栅透射式直光栅反射式光栅反射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定莫尔条纹莫尔条纹演示演示二、莫尔条纹形成的原理及特点二、莫尔条纹形成的原理及特点l两光栅平行两光栅平行-竖条纹竖条纹v标尺光栅移动一个标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次，光电管接受光线亮暗一次v 缺点：无法辨向缺点：无法辨向l两光栅成微小角度两光栅成微小角度-横条纹横条纹（莫尔条纹）（莫尔条纹）v形成黑白相间的条纹形成黑白相间的条纹v光栅左右移动，条纹上下移动光栅左右移动，条纹上下移动-可辨向可辨向v每移动一个栅距每移动一个栅距W，条纹移动一个间距，条纹移动一个间距BHl莫尔条纹的莫尔条纹的重要特性重要特性v运动对应关系运动对应关系l莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅固定后，两光栅相对左右移动一个栅距相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。v位移放大关系位移放大关系v误差平均效应误差平均效应l莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。线误差有平均作用。v光强近似于正弦变化光强近似于正弦变化莫尔条纹莫尔条纹的位移放大作用的位移放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度BH BHW/，（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度）夹角，弧度）BH莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用举例光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指，主光栅与指示光栅的夹角示光栅的夹角 =1.8，则：，则：分辨力分辨力 =栅距栅距W=1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍：BH W/=0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于较大，因此可以由于较大，因此可以“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变化。光强的变化。三三.光栅位移数字转换的基本原理光栅位移数字转换的基本原理1.光栅传感器输出信号波形光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：信号周期变化，其输出波形如图：输出表达式：输出表达式：0mCOS(2/w)X 式中，式中，2/W为空间角频率，为空间角频率，W为栅距（信号周期），为栅距（信号周期），X为位移。为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；精度低；分辨力只为一个栅距精度低；分辨力只为一个栅距W。怎么解决这两个问题呢？怎么解决这两个问题呢？四、辨向电路及波形四、辨向电路及波形 在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。致不能正确测量位移。辨向电路及波形辨向电路及波形 细细分分技技术术能能在在不不增增加加光光栅栅刻刻线线数数及及价价格格的的情情况况下下提提高高光光栅栅的的分分辨辨力力。细细分分前前，光光栅栅的的分分辨辨力力只只有有一一个个栅栅距距的的大大小小。采采用用4 4细细分分技技术术后后，计计数数脉脉冲冲的的频频率率提提高高了了4 4倍倍，相相当当于于原原光光栅栅的的分分辨辨力力提提高高了了3 3倍倍，测测量量步距是原来的步距是原来的1/41/4，较大地提高了测量精度。，较大地提高了测量精度。五、细分技术五、细分技术提高光栅的分辨力对栅线进行加密采用细分技术四细分四细分l l直接细分（放置4个光电元件）光栅细分光栅细分举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分细分，则：，则：分辨力分辨力 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，采用细分技术，在不增加光栅在不增加光栅刻线数刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。倍。l电阻电桥细分法（矢量和法）l电阻链细分法（电阻分割法）l锁向倍频法为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计为光栅设计的专用信号的专用信号 处理单元处理单元 （光栅插补器）（光栅插补器）功能同上页功能同上页光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表2 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表X位移位移显示显示Z（Y）位移）位移显示显示3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表光栅数显表（续）光栅数显表（续）三座标三座标数显表数显表SDS8-3E SDS8-3E 光栅数显箱功能光栅数显箱功能:公制公制/英制转换英制转换绝对绝对/相对转换相对转换线性误差补偿线性误差补偿正反方向计算正反方向计算归零归零插值补偿插值补偿到达目标值停机到达目标值停机PCD圆周分孔圆周分孔200组零位记忆组零位记忆电蚀深度目标值显示电蚀深度目标值显示实时工作位置显示实时工作位置显示掉电记忆掉电记忆 6-3 感应同步器感应同步器 感感应同步器也是一种用来同步器也是一种用来测量位移量的数字式量位移量的数字式传感器，它是利用感器，它是利用两个平面型两个平面型绕组的互感随位置不的互感随位置不同而同而变化的原理制成的，它的工作原理与化的原理制成的，它的工作原理与变压器的器的工作原理工作原理类似，又称似，又称平面平面变压器器。感应同步器由两个平面形印刷绕组组成，平面绕感应同步器由两个平面形印刷绕组组成，平面绕组是用铜箔加工而成，粘在钢板上或铸铁制成的基组是用铜箔加工而成，粘在钢板上或铸铁制成的基体上，两个绕组相当于变压器的两个线圈。体上，两个绕组相当于变压器的两个线圈。感应同步器有两种，一种是感应同步器有两种，一种是直线感应同步器直线感应同步器，用，用来测量线位移，两个绕组分为来测量线位移，两个绕组分为定尺绕组定尺绕组和和滑尺绕组滑尺绕组。另一种是另一种是圆感应同步器圆感应同步器，用来测量角位移。两个，用来测量角位移。两个绕组分为绕组分为定子绕组定子绕组和和转子绕组转子绕组。定尺和转子的绕组为连续绕组定尺和转子的绕组为连续绕组，相当于变压器的，相当于变压器的副边，用于输出与位移有关的信号。副边，用于输出与位移有关的信号。滑尺和定子的滑尺和定子的绕组为分段绕组绕组为分段绕组（又称为正、余弦绕组），工作时（又称为正、余弦绕组），工作时输入激磁电压，用以产生交变磁场。输入激磁电压，用以产生交变磁场。一一.感应同步器的种类及结构感应同步器的种类及结构l直线型感应同步器的基本结构：直线型感应同步器的基本结构：v由定尺和滑尺组成由定尺和滑尺组成定尺安装在固定部件定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。床刀架）一起沿定尺移动。v绕组分布不同绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺是定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差间相差90 相角，又称为正、余弦绕组。相角，又称为正、余弦绕组。图6-23结构组成节距：绕组节距：绕组在长度方向在长度方向的分布周期的分布周期滑尺与定尺相对移动时，滑尺与定尺相对移动时，定尺绕组上的感应电动定尺绕组上的感应电动势与两尺的相对位移成势与两尺的相对位移成正比正比正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组l 圆盘式感应同步器（旋转式）圆盘式感应同步器（旋转式）v圆盘式感应同步器圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。转子相当于定尺。l定尺或滑尺其中一种绕组上通以定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压交流激励电压，由于，由于电磁耦电磁耦合合，在另一种绕组上就产生，在另一种绕组上就产生感应电动势感应电动势，该电动势随定尺与，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出号的处理，便可测量出直线位移量直线位移量。定尺与滑尺间的定尺与滑尺间的气隙应保持在气隙应保持在0.250.05mm范围内。范围内。二二.工作原理工作原理以直以直线感感应同步器同步器为例例，当两当两绕组位置相位置相对固定固定时，滑尺，滑尺绕组中的激磁中的激磁电流使定尺流使定尺绕组中中产生一个感生一个感应电势，其大小，其大小为：M为互感系数互感系数 如果假如果假设绕组的自感系数很小，且激磁的自感系数很小，且激磁频率率较低，低，则滑尺激滑尺激磁磁绕组可可视为纯电阻，阻，则激磁激磁电流流为：,所以有所以有K称称为电磁耦合系数磁耦合系数随着两绕组间的位置关系不同，定尺中的感应电势大小是不同随着两绕组间的位置关系不同，定尺中的感应电势大小是不同的，我们可以具体分析如下：见的，我们可以具体分析如下：见P129 图图6-26当滑尺与定尺间的相对位置按下面规律变化，以正弦绕组为例：当滑尺与定尺间的相对位置按下面规律变化，以正弦绕组为例：1.x=o时：这时两绕组完全重合，通过定尺的耦合磁通最大，这时：这时两绕组完全重合，通过定尺的耦合磁通最大，这时定尺绕组中产生的感应电势最大。时定尺绕组中产生的感应电势最大。2.x=1/4W时时：滑尺跨在定尺的两侧，定尺中的感应电势相互抵消：滑尺跨在定尺的两侧，定尺中的感应电势相互抵消为零。为零。3.x=1/2W时时：滑尺与定尺重合，但感应电势方向与：滑尺与定尺重合，但感应电势方向与x=0时时相反，达相反，达到反方向最大。到反方向最大。4.x=3/4W时时：定尺中感应电势为零。：定尺中感应电势为零。因此，因此，对于正弦于正弦绕组激磁而激磁而产生的感生的感应电势的大小的大小为：cos为位置系数，位置系数，同理，若同理，若设，则可推出对于余弦绕组激磁而产生的则可推出对于余弦绕组激磁而产生的而而总电势为：这里讨论是在理想情况下近似的，实际的输出中还存在有其这里讨论是在理想情况下近似的，实际的输出中还存在有其它高次谐波及干扰。它高次谐波及干扰。一般情况下，激磁电压一般情况下，激磁电压，感应电势，感应电势；但激磁电压；但激磁电压太大（太大（i增大），引起发热，致使不能正常工作。增大），引起发热，致使不能正常工作。V=12V.【演示】【演示】感感应电势为：三三.感感应同步器的工作方式同步器的工作方式感应同步器工作方式通常分为：感应同步器工作方式通常分为：鉴相型鉴相型鉴幅型鉴幅型鉴相型工作方式鉴相型工作方式鉴相型工作方式是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一鉴相型工作方式是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式。种工作方式。激磁方式：对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同，但相位相激磁方式：对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同，但相位相差差90的交流方波。的交流方波。这时总电势为：这相当于一个相位调制波，当位移这相当于一个相位调制波，当位移X发生变化时，输出发生变化时，输出信号的相位发生变化。信号的相位发生变化。由上述讨论可知，输出信号的幅值与激磁电压（相当于由上述讨论可知，输出信号的幅值与激磁电压（相当于载波）的频率有关。激磁频率越高，输出幅值越大，且可使载波）的频率有关。激磁频率越高，输出幅值越大，且可使测量速度提高。但若激磁频率过高，则导致感抗增加，容抗测量速度提高。但若激磁频率过高，则导致感抗增加，容抗减小，使测量精度下降。减小，使测量精度下降。从上面讨论还可以看出，在一个节距从上面讨论还可以看出，在一个节距w内，感应输出电内，感应输出电压的相位压的相位与滑尺和定尺间位移与滑尺和定尺间位移x相对应，每当位移变化一个相对应，每当位移变化一个节距，节距，变化变化2角度，输出信号的相位变化一个周期，因此，角度，输出信号的相位变化一个周期，因此，必须采用累加计数的办法求总的位移量。必须采用累加计数的办法求总的位移量。鉴幅型工作方式鉴幅型工作方式通过输出电压幅值变化来测量位移。通过输出电压幅值变化来测量位移。激磁方式：滑尺的正、余弦绕组分别加以频率相同、相位相同、激磁方式：滑尺的正、余弦绕组分别加以频率相同、相位相同、但幅值不等（按正、余弦规律变化）的交流电压。但幅值不等（按正、余弦规律变化）的交流电压。可见，当激磁电压不变，可见，当激磁电压不变，固定，固定，则输出信号幅出信号幅值与相与相对位位移移x有关。有关。设初始初始=；如果；如果，说明由位移存在，若设法改变，说明由位移存在，若设法改变，使，使，则通过计算则通过计算的变化量便可求得的变化量便可求得x的大小。的大小。l感应同步器的优点：v具有较高的分辨力和精度。长感应同步器：精度1.5m，分辨力0.05 m，重复性0.2 m。v抗干扰能力强；v使用寿命长，维护简单；v可以做长距离位移测量；定尺拼接v工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。l应用：大位移静态与动态测量。v三坐标测量机v程控数控机床v高精度重型机床感应同步器感应同步器 定尺、滑尺定尺、滑尺 感应同步器感应同步器 数显表数显表 感应同步器 容栅传感器 l容栅传感器是一种可测量大位移的容栅传感器是一种可测量大位移的变面积电容式变面积电容式数字传感器。数字传感器。l容栅传感器分为容栅传感器分为直线型直线型、圆型圆型和和圆筒形圆筒形容栅传感容栅传感器，前两种用于直线位移测量，第三种用于角位器，前两种用于直线位移测量，第三种用于角位移测量。移测量。l容栅传感器由容栅传感器由动尺和定尺动尺和定尺组成，两者保持很小的组成，两者保持很小的间隙。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收间隙。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺包含多个相互绝缘的反射电极和一个电极；定尺包含多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极。屏蔽电极。发射电极分为发射电极分为6组，每组组，每组8个电极，编号相同的电极施加相同激个电极，编号相同的电极施加相同激励信号，相邻电极上激励信号相位差为励信号，相邻电极上激励信号相位差为45度。度。直线式容栅传感器结构 容栅传感器的应用 数显千分尺数显千分尺 64 振弦式传感器振弦式传感器l 管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理而可奏乐，这早已为人们所熟知。而把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用于传感器技术，这却是近几十年的事。弹弹性振体性振体频频率式率式传传感器感器就是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的固有振动频率（自振谐振频率）来测量有关参数的。l振弦式传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧力有关。l当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小。l其输入量为力，输出量为频率信号。工作原理：式中：l 振弦的有效长度；振弦的线密度(单位长度的质量)。振弦的固有频率f0：应用：l利用振弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成压力、力、力矩或加速度传感器；l利用振弦的固有频率与其长度l的函数关系，可以做成温度式、位移式传感器。