数字式传感器课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0755-83376489,*,可编辑,第,10,章 数字式传感器,10.1,光栅传感器,10.2,磁栅传感器,10.3,感应同步器,10.4,角数字编码器,10.5,频率式数字传感器,1,可编辑,第,10,章 数字式传感器,模拟式传感器,模拟量,传感器,数字式传感器,数字量,数字式传感器的优点：,测量精度与分辨率高，无读数误差；,抗干扰能力强，稳定性好，易于远距离传输；,易于与微机接口，便于信号处理和实现自动化测控。,数字式传感器分类：,脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编,码器；,数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。,2,可编辑,10.1,光栅传感器,物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等,光栅,线位移长光栅,长度测量,计量光栅：莫尔条纹现象,（透射式和反射式）角位移圆光栅,角度测量,3,可编辑,10.1,光栅传感器,10.1.1,光栅传感器的结构和原理,10.1.1.1,结构：,图,10-1,黑白透射,式光栅示意图,4,可编辑,10.1,光栅传感器,结构,:,照明系统：普通白光源，,GaAs,固态光源,等；,光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅；,光电接收元件：光电池或光敏三极管。,光栅：,刻线宽度,a,，刻线间距,b,，通常,a,=,b,=,W,/2,；或,a,:,b,=1.1:0.9,；,光栅栅距（或光栅常数）,W,=,a,+,b,；,光栅规格：,10,、,25,、,50,、,100,线,/mm,。,5,可编辑,10.1,光栅传感器,10.1.1.2,工作原理,1,莫尔（,Moire,）条纹的形成,光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻,线之间保持很小的夹角,，由于遮光效应，在近于垂直栅线,方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（,Moire,）条纹。如,图,10-2,所示。,Moire,条纹的间距,B,为,图,10-2,光栅和横向,莫尔条纹,（,10-1,）,6,可编辑,10.1,光栅传感器,2.,莫尔（,Moire,）条纹的基本特性,（,1,）两光栅作相对位移时，其横向,Moire,条纹也产生相应,移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对,应关系；,（,2,）光栅副相对移动一个栅距,W,，,Moire,条纹移动一个间,距,B,，由,B,=,W,/,知，,B,对光栅副的位移有放大作用，鉴于,此，计量光栅利用,Moire,条纹可以测微小位移；,（,3,）,Moire,条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合,效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果；,（,4,）,Moire,条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分,技术，提高测量分辨率。,7,可编辑,10.1,光栅传感器,10.1.2,光栅传感器的测量电路,10.1.2.1,光栅的输出信号,主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在,固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电,信号输出。光电元件输出电压,u,o,与位移量,x,成近似正弦关,系。,光电元件输出电压,u,o,可表示为,式中，,U,av,输出信号的平均直流分量；,U,m,输出信号的,幅值，,U,m,=,U,av,。,(10-2),8,可编辑,10.1,光栅传感器,光栅输出信号的光电转换电路及其输出信号波形如图,10-3,所示。,图,10-3,光栅输出信号,（,a,）光电转换系统示意图（,b,）输出信号波形,9,可编辑,10.1,光栅传感器,光栅传感器测位移,x,的原理：,当位移量,x,变化一个栅距,W,时，其输出信号,u,o,变化一个周,期，若对输出正弦信号,u,o,整形成变化一个周期输出一个脉,冲，则位移量,x,为,x,=,NW,(10-3),式中，,N,脉冲数；,W,光栅栅距。,输出信号灵敏度：,输出电压信号的斜率为,(10-4),由上式可见，当,2,x,/,W,=,n,，即,x,=,W,/2,、,W,、,3,W,/2,、,时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度,K,u,为,K,u,=2,U,m,/,W,(10-5),10,可编辑,10.1,光栅传感器,10.1.2.2,辨向原理,计量光栅辨向原理电路如图,10-4,所示。,图,10-4,光栅辨向原理图,11,可编辑,10.1,光栅传感器,辨向原理：,在相距,B,/4,位置设置两个光电元件,1,和,2,，得到两个相位差,/2,的,Moire,条纹正弦电压信号,u,1,和,u,2,，然后送到辨向电路中,去处理。正向移动（,A,）时，,Y,1,输出脉冲，计数器作加法计,数；反向移动（）时，,Y,2,输出脉冲，计数器作减法计,数。由此辨向，进行位移的正确测量。,12,可编辑,10.1,光栅传感器,10.1.2.3,细分技术,细分技术就是当,Moire,条纹变化一个周期时，输出若干个,计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。,1.,机械细分,(,位置细分或直接细分,),在一个,Moire,条纹间距上相距,B,/4,依此设置四个光电元件。,当,Moire,条纹变化一个周期时，可以获得依此相差,/2,的四个,正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图,10-5,），实现,四细分。,图,10-5,四倍频机械细分法,13,可编辑,10.1,光栅传感器,2.,电子细分（正、余弦组合技术）,电子细分只需在一个,Moire,条纹间距上相距,B,/4,的位置,设置两个光电元件，获得相差,/2,的两个正弦信号,u,1,=,U,m,sin(2,x,/,W,),；,u,2,=,U,m,cos(2,x,/,W,),（,10-6,）,（,1,）四倍频细分,由,u,1,、,u,2,及其各自的反相信号,u,3,、,u,4,，可以获得依此相,差,/2,的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四,细分。,14,可编辑,10.1,光栅传感器,（,2,）电阻电桥细分,图,10-6,为电阻电桥细分电路，,u,1,、,u,2,分别为式（,10-6,）所,示两光电元件输出的两个,Moire,条纹电压信号，设电桥负载,电阻无穷大，则电桥输出电压,u,o,为,(10-7),电桥平衡条件,R,2,u,1,+,R,1,u,2,=0,令,2,x,/,W,=,，则式（,10-6,）改写为,u,1,=,U,m,sin,和,u,2,=,U,m,cos,，代入上式，得,tan,=,R,1,/,R,2,（,10-8,）,R,1,/,R,2,x,=,W,/2=,W,tan,-1,(-,R,1,/,R,2,)/2,图,10-6,电阻电桥细分原理,15,可编辑,10.1,光栅传感器,由于,R,1,/,R,2,与位移,x,有严格的对应关系，用电桥平衡信号,（,u,o,=0,）去触发施密特电路，便发出脉冲计数信号。从式,（,10-8,）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是，,如果同时用,u,1,、,u,2,的反向信号，便可在四个象限中得到任意,的细分组合。图,10-7,就是这种电阻电桥,10,细分电路的例子。,图,10-7,电阻电桥,10,细分电路,16,可编辑,10.1,光栅传感器,（,3,）电阻链细分法,电阻链细分实质上也是电桥,细分，只是结构形式不同而已。,如图,10-8,所示，对任一输出电,压为零时，有如下关系,10-8,电阻链细分电路,（,10-9,）,17,可编辑,10.2,磁栅传感器,10.1.3,零位光栅和绝对零位,光栅测量系统是一个增量式测量系统，在测量过程中，它,只有相对零位。实际测量过程中需确定一个基准点，即绝对,零位。,零位光栅确定系统的绝对零位。零位光栅是在标尺光栅和,指示光栅的原有刻线之外另行刻制的，最简单的零位光栅刻,线是一条单独刻制的透光亮线。,圆光栅,传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测,量。,18,可编辑,10.2,磁栅传感器,10.1.4,光栅传感器的应用,光栅传感器因其测量精度高、量程大、易于实现系统的自动化和数字,化，广泛应用于机械工业中数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标,测量、机床运动链的比较和反馈校正以及工件和工模具形状的二维和三,维坐标精密检测等方面。图,10-13,是透射长光栅传感器结构示意图。,图,10-13,透射长光栅传感器,19,可编辑,10.2,磁栅传感器,10.2.1,磁栅传感器的结构和工作原理,结构：,磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电路等组成，如图,10-14,所示。,图,10-14,磁栅传感器,示意图,20,可编辑,10.2,磁栅传感器,磁信号节距,：,长磁栅，,=0.05mm,，,0.02mm,两种；磁栅条数在,10030000,之间。,磁头：,动态磁头，非调制性磁头或速度响应式磁头；,静态磁头，磁通响应式磁头或调制式磁头。,21,可编辑,10.2,磁栅传感器,原理：,动态磁头,与磁栅间以一定速度相对移动时，磁头线圈输,出正弦感应信号，信号的大小与移动速度有关。结构原理如,图,10-16,所示。,图,10-16,动态磁头结构与读出信号,22,可编辑,10.2,磁栅传感器,静态磁头,为多间隙磁头，磁芯上具有两个绕组（激磁绕组,N,2,和输出绕,组,N,1,），它根据激磁绕组所产生的磁感应强度和磁尺上的磁化强度的变,化情况，输出一个与磁尺位置相对应的电信号。静态磁头结构如图,10-17,所示。,图,10-17,静态磁头结构,23,可编辑,10.2,磁栅传感器,24,可编辑,10.2,磁栅传感器,静态磁头,的工作原理如图,10-18,所示。激磁绕组相当于,一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的,和,R,m,随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻,R,m,在磁芯中的作用相当于一个“磁开关”，对磁尺产生的,磁通起“导通”和“阻断”作用，从而引起输出绕组的磁芯回,路中的磁通变化，产生感应电动势。每一激磁电压周期内,有两次磁通变化，感应电动势频率是激磁电压频率的,2,倍，幅值与磁尺所产生的磁通量大小成比例。,25,可编辑,10.2,磁栅传感器,图,10-18,静态磁头磁栅传感器工作原理图,26,2024/10/8,27,可编辑,10.2,磁栅传感器,10.2.2,磁栅传感器测量系统,磁栅传感器测量系统都采用两个多间隙磁头来读出磁尺上,的磁信号，如图,10-14,所示。双磁头间隔,/4,安置，则两磁头,的磁信号相位差,/4,，输出绕组输出相位差,/2,的两正弦信号,(10-14),式中，,磁尺磁信号的空间波长；,x,磁头在一个波长,内,的位置状态；,输出信号的频率，,=2,f,（激励信号频率,为,f,/2,）；,E,O1,、,E,O2,两输出信号的幅值，通过调整，可使,E,O1,=,E,O2,=,E,O,。,28,可编辑,10.2,磁栅传感器,若采用鉴幅方式，则先经检波去掉高频载波，得,(10-15),再送相关电路进行细分、辨向后输出。,29,可编辑,10.2,磁栅传感器,若采用鉴相方式，用两个相差,/4,的激磁信号激励，则输,出信号为,(10-16),将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为,(10-17),这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置,x,而变化,的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定,x,。,30,可编辑,10.2,磁栅传感器,10.2.3,磁栅传感器的特点和误差分析,磁栅传感器录制的磁信号的空间波长,稍大于计量光栅,的栅距,W,；,零磁栅录制比零位光栅刻线简单；,存在零位误差和细分误差；,系统总误差在,0.01,m,以内；,分辨力为,15,m.,。,31,可编辑,10.3,感应同步器,感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随,位置不同而变化的原理而制成的测位移的传感,器，其输出是数字量，测量精度高，并且能测,1,m,以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。,32,可编辑,10.3,感应同步器,10.3.1,感应同步器的结构和工作原理,结构：,直线式,:,滑尺,（平面分段绕组，正、余弦绕,组）和,定尺,（平面连续绕组）,感应同步器,旋转式,(,圆盘式,),：