第五章数字传感器

《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS

普通高等教育“十一五”国家级规划教材

《自动检测技术》

第五章数字传感器

本章学习的主要内容：

1 、光栅式传感器

2 、光电编码器

3 、磁栅式传感器

4 、感应同步器




数字传感器在数控机床中的应用

防护罩内为直线光栅光栅扫描头

被加工工件

切削刀具

角编码器安装在夹具的端部




§ 5－ 1 光栅式传感器

光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。其优点为：结构简单测量精度高易于实现自动化和数字化等




一、光栅的结构和类型 • 光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分构成。• 光栅读数头包括：光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。




1 ．分类

• 按运动形式分：

直线型：主光栅为直尺形→直线移动

旋转型：主光栅为圆盘形→旋转运动

• 按光学形式分：

透射式：光源与光电元件在两侧→透射光

反射式：光源与光电元件同一侧→反射光




2 ．光栅尺（标尺光栅和指示光栅）

a+b=W 称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下， a=b=W/2

指示光栅

标尺光栅




1 －反射主光栅2 －指示光栅3 －场镜4 －反射镜5 －聚光镜6 －光源7 －物镜8 －光电电池。

该光路适用于黑白反射光栅。

3 ．光栅读数头

（ 1 ）反射式光栅



《自动检测技术》反射式光栅结构图




此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。

1 －光源2 －准直透镜3 －主光栅4 －指示光栅5 －光电元件

（ 2 ）透射式光栅



《自动检测技术》透射式光栅结构图




旋转式光栅示意图



《自动检测技术》光栅传感器实物图

扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆




二、光栅的基本工作原理

1 ．莫尔条纹

直线型莫尔条纹动画演示

旋转型莫尔条纹动画演示



《自动检测技术》2

tantan

横向莫尔条纹的斜率

莫尔条纹间距

2sin 2sin2 2

H

BC W WB AB

莫尔条纹的宽度 BH 由光栅常数与光栅夹角决定




莫尔条纹的主要特性：（ 1 ）消除光栅刻线不均匀误差光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。即准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别 / 局部误差 → 提高精度

（ 2 ）位移的放大特性放大性：夹角 θ 很小 → B ＝ W / θ >>W → 光学放大 → 提高灵敏度可调性：夹角 θ↓→ 条纹间距 B↑ → 灵活




同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距一方向对应

方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移动方向垂直

（ 3 ）移动特性

2coso av mu U U x

W

－输出信号中直

流分量

avU

（ 4 ）光强与位置关系对应性：莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。




注意事项：

光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。




两光电元件相对位置

1、 2 －光电元件

2 ．辨向原理




去加法计数器

去减法计数器

辨向电路及输出脉冲图




UZ1

UZ2UZ3

去加法计数器




去减法计数器UZ1

UZ2UZ3




脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。

被测物体位移

莫尔条纹移动

正弦波电压方波

脉冲输出

通过光栅转换

通过光电元件转换

整形转换

辨向识别

得出：

被测物体位移＝栅距 × 脉冲数

【例】先正向移动 11 个脉冲，而后反向移动 5 个脉冲，再正向移动 2 个脉冲，可算出位移 8 个栅距。




三、细分技术

问题的提出： • 如何在现有仪器条件下提高分辨力？

在选择合适的光栅栅距的前提下，对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需最小读数值。

• 细分：在莫尔条纹变化一周期时，等间距输出若干个脉冲，提高了分辨力。




电桥细分法（矢量和法）1 1 2 2

1 2z

L

e g e gU

g g g

1 1 2 2 0e g e g 若电桥平衡， UZ=0 ，有

e1、 e2 相位差 90 度，光栅位置 x

2 x

W

1 2sin cose U e U 有和

令 1

2

sin

cos

R

R

则

过零触发器




uo1

uo2



《自动检测技术》三自由度光栅数显表

四、光栅数显装置




1 －读数头； 2 －壳体； 3 －发光接受线路板； 4 －指示光栅座；5 －指示光栅； 6 －光栅刻线；7 －光栅尺； 8 －主光栅

结构示意图

光栅数显装置结构示意图及电路原理框图




国产光栅数显装置的 LSI芯片组成：

1 、光栅信号处理芯片（ HKF 710502 ）

主要功能：完成输入信号的同步；整形；四细分；辨向；加减控制；参考零位信号的处理；记忆功能的实现和分辨力的选择等。

2 ．逻辑控制芯片（ HKE 701314 ）

主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成 BCD

译码； XJ校验以及超速报警。




3 ．可逆计数与零位记忆芯片（ HKE 701201 ）

主要功能：接受计数脉冲，完成可逆计数；接受参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。




1 ．位置测量

五、光栅式传感器的应用



《自动检测技术》机床导轨位置检测动画演示




2 ．测长仪

光栅式万能测长仪工作原理图




§ 5 － 2 光电编码器

编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。




1 ．构造类型

转动方式直线 — 线性编码器

转动 — 转轴编码器

光束形式

透射式

反射式

光电编码器的分类




2 ．信号性质

增量式

辨别方向

零位信号

绝对式 — 绝对式编码器

可辨向的增量式编码器不可辨向的脉冲发生器有零位信号

无零位信号




信号航空插头

光电编码器外形图




拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。



《自动检测技术》（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）



《自动检测技术》其他光电编码器外形图




转轴

盘码及狭缝

光敏元件

光栏板及辨向用的 A、 B狭缝LED

AB

C

零位标志

A B

C

一、增量式光电编码器




结构示意图

l －均匀分布透光槽的编码盘2－ LED 光源3 －光栏板上狭缝4－ sin 信号接收器5－ cos 信号接收器6 －零位读出光电元件7 －转轴8 －零位标记槽




增量式编码器原理动画演示




1 ．辨向信号和零标志

在前图的码盘里圈，还有一个狭缝 C ，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。

光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（ m +1/4 ）倍， m 为正整数，并设置了两组光敏元件A、 B ，又称为sin、 cos 元件。




测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数 n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

360

n

1 n

2 ．增量式光电编码器的分辨力及分辨率

分辨力为

分辨率为




二、绝对式光电编码器

绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。

根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。

绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。




绝对式光电编码器原理动画演示




绝对式光电编码器的结构示意图1 －光源； 2 －透镜； 3 －编码盘； 4 －狭缝； 5 －光电元

件




a ）光电码盘的平面结构（ 8 码道） b ）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（ 4 码道）




绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘上的码道数 n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

分辨力

分辨率

• 为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用格雷码（ Groy code ）图案的编码盘。

360

2n

1

2n




格雷码和自然二进制码的比较表

DD

十进制十进制BB

二进制二进制RR

格雷码格雷码DD

十进制十进制BB

二进制二进制RR

格雷码格雷码01234567

00000001001000110100010101100111

00000001001100100110011101010100

89101112131415

10001001101010111100110111101111

11001101111111101010101110011000




绝对式光电编码器测角仪原理图1 －光源； 2 －聚光镜； 3 －编码盘； 4 －狭缝光阑




透光区

不透光区

零位标志

增量式

绝对式增量式、绝对式有何区别？




1 ．位置测量三、光电编码器的应用

光电编码器位置测量动画演示




轴环式数显表外形图1 －数显面板 2 －轴环 3 －穿轴孔 4 －电源线 5 －复位

机构




工位定位示意图

1 －绝对式编码器

2 －电动机

3 －转轴

4 －转盘

5 －工件

6 －刀具




数控加工中心




在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用

旋转刀库

被加工工件

刀具

角编码器的输出为当前刀具号




用不同的刀具加工复杂的工件




2 ．转速测量

光电编码器转速测量动画演示




在伺服电机中的应用

应用方面：

•转速测量

•转子磁极位置测量

•角位移测量




§ 5 － 3 磁栅式传感器

磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。



《自动检测技术》大尺寸磁栅尺外形图




一、磁栅的组成及类型

1 ．磁栅的组成

磁栅传感器是由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。

l －磁尺；

2 －尺基；

3 －磁性薄膜；

4 －铁心；

5 －磁头




磁栅的外形及结构图

磁尺静态磁头

去信号处理电路

固定孔




2 ．磁栅的类型

长磁栅

圆磁栅

（测量直线位移）

（测量角位移）

尺形

带形

同轴形




1 －磁头 2 －磁栅 3 －屏蔽罩 4 －基座 5 －软垫




磁尺

磁栅外观图

磁头




德国 SIKO 磁栅尺




磁头与磁尺相对运动时的输出波形

二、磁栅传感器的工作原理 1 ．基本工作原理

磁栅传感器工作原理动画演示




式中： Em －感应电势的幅值 W －磁栅信号的节距 x －机械位移量

tW

xEE m

sin2

cos

磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：




2 ．信号处理方式

当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：

tW

xEE m

sin2

cos1

tW

xEE m

sin2

sin2

W

x2xW

x

2式中：－机械位移相角，




将第二个磁头的电压读出信号移相 900 ，两磁头的输出信号则变为：

将两路输出相加，则获得总输出：

tW

xEE m

sin2

cos'1 ＝

tW

xEE m

cos2

sin'2

)2

sin(W

xtEE m

＝

（ 1 ）鉴相方式




磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。

设置两个磁头的意义何在？




利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。

经检波器去掉高频载波后可得：

（ 2 ）鉴幅方式

W

xEE m

2cos1＝

W

xEE m

2sin2

与光栅的信号辨向、细分一致。




鉴幅型磁栅传感器的原理框图




磁栅数显装置的结构示意图1 －磁性标尺 2 －磁头 3 －固定块 4 －尺体安装孔 5 －泡沫垫 6 －滑板安装孔 7 －磁头连接板 8 －滑板

三、磁栅数显装置




国产磁栅数显装置的 LSI芯片组成： 1 ．磁头放大器（ SF023 ）

2 ．磁尺检测专用集成芯片（ SF6114 ）

主要功能：两输入信号的放大；通道 B 信号移相 900；通道 A 和通道 B 信号求和放大；补偿两只磁头特性所需的调整和来自数显表供给两只磁头的励磁信号。主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相位微调。




4 ．可逆计数芯片（ WK50395 ）。

3 ．磁尺细分专用集成芯片（ SIM－ 011 ）；

主要功能：对磁尺的节距 W＝ 200μm 实现 200或40 或 20 等分的电气细分，从而获得 1、 5 、 10μm 的分辨力（最小显示值）。

该芯片带有比较寄存器和锁存器的 P沟道MOS六位十进制同步可逆计数 /显示驱动器。可以逐位用 BCD 码置数，及有异步清零功能。




1 ．磁栅测量系统

压板

磁头

磁尺

四、磁栅式传感器的应用

数显



《自动检测技术》磁栅在磨床测长系统中的应用

磁尺

2 ．应用实例




§ 5－ 4 感应同步器

圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）




优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。

用途：可用来测量直线或转角位移。

分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。




一、感应同步器的结构和类型

圆盘式感应同步器示意图

直线式感应同步器示意图

1 ．结构




定尺与滑尺绕组关系图




感应同步器的解剖图




2 ．类型

直线式

旋转式（圆盘式）

带型

标准型

窄型




直线式感应同步器的尺寸和精度一览表

种类定尺尺寸（mm）

滑尺尺寸（mm）

测量周期（mm ）

精度(μm)

标准型 250×58×9.5 100×73×9.5 2 1.5～ 2.5

窄型 250×30×9.5 74×35×9.52

2.5～ 5

带型 (200～2000)×19

－ 2 10



《自动检测技术》带型感应同步器外形图（参考东方仿真）




二、感应同步器的工作原理

感应同步器原理动画演示




在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为

tKUdt

diKE m cos

设感应线圈 A 的中心从励磁线圈中心右移的距离为 x ，则感应电动势为

2sin cosm

xE E t

W

上式中： Em=K0Umω

K －主要与两绕组的相对位置等因素有关




如图滑尺绕组有两组，相差 1/4 个周期，则有

tW

xEE mS

cos2

sin

tW

xEE mC

cos2

cos




从励磁形式来说一般可分为二大类：

一类是以滑尺 ( 或转子 )励磁，由定尺 ( 或定子 )

取感应电动势，

另一类则相反。

依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。




1 ．鉴相方式

在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差 900 的励磁电压 us和 uc ，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：

tW

xEE mS

cos2

sin

tW

xEE mC

sin2

cos

定尺上的总感应电势为：2

sin( )S c m

xE E E E t

W




2 ．鉴幅方式

在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压 us和 uc ，即：

tUuS coscos

tUuC cossin两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：

tW

xUKES sin

2sincos0 －

tW

xUKEC sin

2cossin0




定尺上的总感应电势为：

tEtUKEEE mxcS sinsin)sin(0 ＝－

式中： )sin(2

0 xmx UKEW

x ，

感应同步器数显表



《自动检测技术》鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图

三、感应同步器的应用

1 ．定位控制系统




鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图

2 ．随动控制系统




轮廓仪外形图

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第五章 数字传感器

第五章数字传感器