工学传感器原理及工程应用第三版数字式传感器

1、第13章 数字式传感器 13.1 光栅传感器 13.2 编码器 13.3 感应同步器 数字式传感器数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字是能够把被测模拟量直接转换为数字 量输出的装置，可直接与计算机系统相连。量输出的装置，可直接与计算机系统相连。 数字式传感器具有以下数字式传感器具有以下优点优点： w测量精度和分辨率高；测量精度和分辨率高； w抗干扰能力强，稳定性好；抗干扰能力强，稳定性好； w易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测 量；量； w适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。 数字式传感器 p 分类： 脉冲输出式：栅式数字传感器、感

2、应同步器、增量编码器； 编码输出式：绝对编码器； 频率输出式； 本章讲述常用的数字式传感器 v光栅传感器 v旋转式光电编码器 内容内容 1 光栅传感器的结构 2 莫尔条纹形成的原理 3 莫尔条纹技术的特点 4 光栅的光路 5 辨向原理 1 工作原理 2 码盘和码制 3 二进制码与循环码的转换 4 应 用 同步感应传感器 光栅式传感器 码盘式传感器 13.1 光 栅 传 感 器 13.1.1 光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、 等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这 就是光栅，图13-1为透射光栅的示意图。图 中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽 （透

3、光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称 光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成 a b=1.1 0.9。目前常用的光栅每毫米刻 成10、25、50、 100、250条线条。 图13 1 透射光栅示意图 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2） 面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙， 并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角， 如图13-2所示，这样就可以看到在近于垂 直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些 条纹叫莫尔条纹。由图13 - 2可见，在a - a 线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最 大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱 形图案构成的；在b- b线上，两块光栅的 栅线错开，形成条纹的暗

4、带，它是由一些 黑色叉线图案组成的。 2. 光栅测量原理 图13-2 光栅莫尔条纹的形式 w a b a b a a b a b a B w 2 1 莫尔条纹形成的原理 莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角时，由于挡光 效应(当线纹密度50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度100条/mm时)，则在 近似垂直于栅线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗 条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光 效应形成的。 2 tantan 横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率 莫尔条纹间距莫尔条纹间距 WWBC ABBH 2 sin2 2

5、sin 莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定由光栅常数与光栅夹角决定 由于由于值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称 为为横向莫尔条纹横向莫尔条纹。 (1) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个 条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两 光栅线纹夹角之间的关系为 WW BH 2 sin （13 - 1） 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。 w a b a b a a b a b a B w 2 1 /2 BH 越小，BH越大，这相 当于把栅距W放大了 1/倍。 （

6、2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿 着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将 沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光 栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅 线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方 向就可以对光栅1的运动进行辨向。 (3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平 均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。 13.1.2 光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。 光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成相应的电信号； 光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 1. 光栅读数头 光栅读数头主要由标

7、尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。 标尺光栅的有效长度即为测量范围。 指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠， 两者之间有微小的空隙。 标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移 动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。 光栅的光路 透射光路 反射光路 （1）透射式光路 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。 图13 3 光栅读数头结构示意图 光源 准直 透镜 主光栅 指示光栅 光电元件 固定不动 安

8、装在运 动部件上 （2）反射式光路 1反射主光栅反射主光栅 2-指示光栅指示光栅 3-场镜场镜 4-反射镜反射镜 5-聚光镜聚光镜 6-光源光源 7-物镜物镜 8-光电电池。光电电池。 该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。 前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的 带。从图13-2看出，两条暗带中心线之间的光 强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮， 又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过 程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个 周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强 的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正 弦周期函数. 通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹

9、就变化一个 周期2，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小 对应于莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分 量的叠加。 0 sin360 m x UUU W 式中W栅距； x主光栅与指示光栅间瞬时位移； U0直流电压分量； Um交流电压分量幅值； U输出电压。 光栅信号输出 将该电压信号将该电压信号放大、整形放大、整形使其变为方波，经使其变为方波，经微分电路微分电路转换转换 成脉冲信号，再经过成脉冲信号，再经过辨向电路辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示和可逆计数器计数，则可在显示 器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。器上以数字形式实时地显示出位移量

10、的大小。 位移量为位移量为脉冲数脉冲数与与栅距栅距的乘积：的乘积： xNW 光栅信号输出 图13 -4 式中： uo光电元件输出的电压信号； Uo输出信号中的平均直流分量； Um输出信号中正弦交流分量的幅值。 由式（13 - 2）可见，输出电压反映了位移量的大小。 电压输出 W x UUu moo 2 2 sin （13 - 2） 2. 光栅数显表 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量， 因而对位移量的 测量除了确定大小之外，还应确定其方向。 为了辨别位移的方向，进一步提高测量 的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一 步的处理。光栅数显表由整

11、形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。 光栅传感器 一一. .光栅及其测量系统光栅及其测量系统 1.1.光栅的结构类型光栅的结构类型 1 1）长光栅尺）长光栅尺 安装在运 动部件上 固定不动 国内常用规格（长光栅） 2.2.光栅测量系统（光栅读数头） 固定不动 安装在运 动部件上 光栅传感器的结构光栅传感器的结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅 和指示光栅）和光电接收元件组成。 光栅传感器光源光栅传感器光源 钨丝灯泡： 输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130） 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲 击条件下工作时，使用寿命将降低。 半导体发光器件: 转换效率

12、高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转 换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉 冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状 态，从而减小功耗和热耗散。 光电元件光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分。 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源 相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放 大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。 光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种，前者用于光 谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等。计量 光栅又分为长光栅和圆光栅。 计计 量量 光光 栅栅 圆圆 光光

13、 栅栅 长长 光光 栅栅 黑白光栅黑白光栅 切向光栅切向光栅 玻璃体玻璃体 金属体金属体 金属膜玻璃体金属膜玻璃体 玻璃体玻璃体透射光栅透射光栅 反射光栅反射光栅 透射光栅透射光栅 径向光栅径向光栅 闪耀光栅闪耀光栅 幅值光栅相位光栅 光栅的分类 根据栅线形式不同，分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是只对入射光波 的振幅或光强进行调制的光栅，亦称幅值光栅；闪耀光栅是对入射光波的相位进 行调制，亦称相位光栅。 根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将栅线 刻制在透明材料上，如光学玻璃和制版玻璃；反射光栅则将栅线刻制在具有强反 射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜。前者使光线通

14、过光栅后产生明暗条 纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。 光栅的分类 长光栅莫尔条纹 播放动画播放动画 在长光栅中标尺光栅固定不动，而指 示光栅安装在运动部件上，所以两者 之间可以形成相对运动。 当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫 尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH 光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时， 莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移 动；反之，向下移动。 播放动画播放动画 1)莫尔条纹的放大作莫尔条纹的放大作 用用 W W BC ABBH 2 4 2 2 sin 22 放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小, B, B越大。越大。 例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.1=0.1=0.

15、12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432rad W=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。 为什么要辨向为什么要辨向 当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只 能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲， 从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移

16、动时位移的大小。 因而必须在测量电路中加入辨向电路。因而必须在测量电路中加入辨向电路。 辨向原理 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。 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数 累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数 中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确 的测量结果。 辨向光路设置 在相距四分之一莫尔条纹间距在相距四分之一莫尔条纹间距BH的位置上设置光电元件的位置上设置光电元件2，两个，两个 光电元件光电元件1和和2相差相差1/4 的的BH以得到两个相位互差以得到两个相位互差

17、90的正弦信号的正弦信号 光栅移动方向 莫尔条纹移动方向 辨向电路原理 正向移动时脉冲正向移动时脉冲 数累加，反向移数累加，反向移 动时，便从累加动时，便从累加 的脉冲数中减去的脉冲数中减去 反向移动所得到反向移动所得到 的脉冲数，这样的脉冲数，这样 光栅传感器就可光栅传感器就可 辨向。辨向。 cp cp DCPQ 1 上升沿 1 0 上升沿 0 辨向电路 放大 整形 微 分 Y1 触 发 器 可逆计 数器 放大 整形 反 相 微 分 Y2 1 延 时 u1 u2 u1 u2 u1 u1W u1W 1 2 Q - + H Q u1u2 u1u2 x O x x x x x x x x O O

18、O O O O u2 u1 u1 u1W u1W Y1 Y2 H u1u2 u1u2 x O x x x x x x x x O O O O O O u2 u1 u1 u1W u1W Y1 Y2 H （a）（b） 莫尔条纹上移时 莫尔条纹下移时 细分技术 在前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量， 其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。 所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量， 如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距 的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了

19、n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机 械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法， 这种细分法 也是许多其它细分法的基础。 未细分(a)与细分(b)的波形比较 四倍频细分电路及波形 微分 反向微分 u1u2 u1u2 x O x x x x x x x x O O O O O O u2 u1 u1 u1W u1W Y1 Y2 H u1u2 u1u2 x O x x x x x x x x O O O O O O u2 u1 u1 u1W u1W Y1 Y2 H （a）（b） 莫尔条纹上移时 莫尔条纹下移时 在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个

20、相位相 差/2的电信号。 若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的信号，从而可以 在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH/4位 置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在 一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。它有一个优点，就是对莫尔条纹 产生的信号波形没有严格要求。 数控机床位置控制框图 由控制系统生成的指令Pc控制工作台移动，光栅传感器不断检测工作台的实际 位置Pf并进行反馈，形成位置偏差Pe，调整工作台的位置。当Pe=0时，表示工作台 已到达指令位置。 光栅数字传感器的应用 丝杆的作用就是把回转运动变为直 线

21、运动，一般是和螺母配合使用， 这是一种传动螺旋机构 光栅传感器的应用 13.2 编 码 器 编码器: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的这类传 感器。 编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。 编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝 对编码器），其关系如下所示： 编码器 脉冲盘式编码器(增量编码器) 码盘式编码器(绝对编码器) 接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向 或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测 量。

22、绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的 固定数字码输出， 能方便地与数字系统（如微机）连接。 编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等， 后两种为非接触式编码器。 非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。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23位光电编码器， 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手段。 13.2.1 光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆 盘两边的光源和光敏元件等组

23、成。基本结构如图13-6所示。码盘由光学玻璃制成，其 上刻有许多同心码道， 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮 区和暗区。码盘构造如图13-7所示，它是一个6位二进制码盘。当光源将光投射在码 盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列 与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为 “0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码 的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。 绝对式和增量式： 1. 1. 测量角位移 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表 示的 电信号的转换部件。 1光源

24、光源 2柱面镜柱面镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5元件元件 码盘式传感器 图13-6 光电式编码器示意图 码盘式传感器 一、工作原理 用光电方法测量被测件角位 移数字代码表示。 光源柱面镜（平行光或会聚光照射）码盘（亮、暗 区）狭缝（窄光束）光电元件。 二、码制与码盘（以6位二进制为例） 码盘 码道：共6圈，内圈为C6； 外圈为C1：26=64黑白间隔。 黑： 0 白： 1 特点： 容量：2n； 分辨力 i=360/2n 外圈角节距：2 i 有权码编码：Ci2i-1 i 大码变、小码同时变 二进制码盘主要特点： （1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码， 称其容量为2n， 其最小分辨

25、力136002n，它的 最外圈角节距为21； （2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于 由零位算起的转角为： （3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(jK)应同时变 化。 （4）码盘上的各道同时旋转，角速度相同。 1 1 1 2 i n i i C 根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。 标准二进制编码器(8421码盘) 红色不透光“0” 6位二进制码盘位二进制码盘 绝对编码器码盘和码制 图13-7 码盘构造 码制与码盘（以6位二 进制为例） 码盘 码道：共6圈，内 圈为C6； 外圈为C1： 26=

26、64黑白间隔。 黑： 0 白： 1 00000 01111 10000 11000 二进制 编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循环码等。 对于图13-7所示的6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外 圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于 000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时， 只要根据码盘的起始 和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的 最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n， 一个6位二进制码盘， 其最小分辨的角 度5.6。 采用二进制编码器时，任何微

27、小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。 这主 要是因为二进制码当某一较高的数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变 （01111000）。如果由于刻划误差等原因， 某一较高位提前或延后改变，就会造 成粗误差。 为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。表13-1 给出了四位二进制码与循 环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一 位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道 出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的 制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。 由于这一原因使得循环码码盘获得了广 泛的

28、应用。图13 - 8所示的是一个6位的循环码码盘。对于n位循环码码盘，与二进制 码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。 表13-1 四位二进制码与循环码对照表 iii iii nn CCR RCC RC 1 1 异或门，不同为1 相同为0 (1)n位循环码码盘具有位循环码码盘具有2n种不同编码；种不同编码； (2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同； (3)循环码为无权码；循环码为无权码； (4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化， 不会产生粗大误

29、差。不会产生粗大误差。 图13-8 6位循环码码盘 循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然 后再译码。 按表13 -1 所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为 1 1 iii iii nn CRC CCR CR 或 式中： R循环码； C二进制码。 (13-3) 二进制码转换为循环码的电路 (a) 并行变换电路并行变换电路 (b)串行变换电路串行变换电路 iii nn CCR CR 1 i C i R 时钟 信号 复位 信号 串行变换时，首先 Ci=Cn，D触发器复 位，Q=0, 从而 Rn=Cn + 0=Cn；然 后加Cp脉冲，Q=Cn 并在周期内保持；

30、在 保持期间，Ci端输入 Cn-1，因此D2的输 出为Rn-1=Cn-1 + Cn，重复上述步骤， 就可依次得到Rn， Rn-1R1 循环码转变为二进制码的电路 (a) 并行变换电路并行变换电路 (b)串行变换电路串行变换电路 循环码是无权码，直接译码有困难，循环码是无权码，直接译码有困难， 一般先转换为二进制码后再译码。一般先转换为二进制码后再译码。 iii nn RCC RC 1 JK触发器的特性，若 J=K=1，触发器翻转， Qn=Qn-1；若J=k=0，则 触发器保持，Qn=Qn-1 开始时，触发器复位， Q=0，Ri=Rn，再加入Cp 时钟，故Q=Cn=Rn 并在 周期内保持。 然后

31、Ri端加入Rn-1，再 加入Cp时钟脉冲，输出 iiiiiii RCCRCRCQ 111 如此重复，即可得到Cn， Cn-1，C1 根据上式用与非门构成循环码-二进制码转换器，这种转换器所用元件比较多。 如采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码或任意进制码。 大多数编码器都是单盘的，全部码道则在一个圆盘上。但如要求有很高的分辨 率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精度也难以达到。如要达到1左右的分 辨率，至少采用 20 位的码盘。对于一个刻划直径为 400mm的20位码盘，其外圈分 划间隔不到1.2m，可见码盘的制作不是一件易事，而且光线经过这么窄的狭缝会产 生光的衍射。这时可采用双盘编

32、码器， 它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合成 为高分辨率的编码器。 粗误差现象与消除 制作码道粗糟引起误读 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作 造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有个 码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。 消除误读方法 用双读数头法； 用循环码代替二进制码。 L双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编 码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。 (a) 四位二进制码盘展开图四位二进制码盘展开图 (b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图采用双读数头消除粗大误差的示意图 若正确结果为0111， 当C4黑区过长时， 测量结果为0000。 当C4黑区过短时

33、， 测量结果为1111。 采用双度数头法：C1码 道仍然只有一个读数狭缝， 其余码道各有两个，对称 分布在OO线的两侧，每 个码道读数狭缝间距不超 过该码道分度间隔的一半。 各码读数由三个与非门电路处理 若低一位读数为1，则高一位读数按ai值读出。 若低一位读数为0，则高一位读数按bi值读出。 只要刻度误差不超过相应码道两读数狭缝的间距，就不会产生粗误差 iiiii BCACC 11 2. 2. 测量线位移 在某些场合，用旋转式光电增量 编码器来测量线位是一种有效的方法。 这时，须利用一套机械装置把线位移 转换成角位移。测量系统的精度将主 要取决于机械装置的精度 图1027（a）表示通过丝杆将

34、直线运动转换成旋转 运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导 程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精 度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。 图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的 一种方法。一般说，这种系统的精度较低。 图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实 现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构 简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环 境条件恶劣的场所。 无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一 般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的 零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位， 可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来

35、实 现。 13.2.2 磁编码器 磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成， 它的 构成如图13-9所示。多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓， 在磁性材料中混入适 当的粘合剂，注塑成形； 另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。多极磁 鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工 技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关， 而与电流平行的磁场 无关。 图13 9 磁编码器的基本结构 电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化 区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧

36、靠码盘，但 又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励， 副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势 与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压 很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分状 态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较 高。 增量编码器 一般只有三个码道，不直接输出编码。 外码道产生计数脉冲的增量码 道； 内码道辨向码道，其辨向方法 与光栅的辨向原理相同。 中间码道开有一

37、个窄缝，用于 产生定位或零位信号。 光电脉冲信号通过整形、放大、细分、辨向后输出脉光电脉冲信号通过整形、放大、细分、辨向后输出脉 冲信号或显示角位移，分辨率以每转脉冲数表示。冲信号或显示角位移，分辨率以每转脉冲数表示。 旋转方向的判 别 编码器应用 光学码盘测角仪的原理图光学码盘测角仪的原理图 1光源光源 2大孔径非球面聚光镜大孔径非球面聚光镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5光电元件光电元件 在数控机床中的应用在数控机床中的应用 13.3 感 应 同 步 器 13.3.1 结构原理 感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原 理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成

38、，如图13-10所示。旋转式（圆） 感应同步器由转子和定子组成，如图13-11所示。在定尺和转子上的是连续绕组， 在 滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组， 在空间相差90相角，故又称为 正弦、余弦绕组。工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合， 在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对 位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理， 便可测量出直线 或转角的位移量。 图13-10 长感应同步器示意图 (a) 定尺； (b) 滑尺 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压， 由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电 动势，该

39、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。再通过对此信号的处 理，便可测量出直线位移量。 感应同步器的工作原理 定尺与滑尺间的气隙 应保持在 0.250.05mm范围内。 3直线式感应同步器的工作原理 定尺及滑尺中的电流关系 模型如图示 滑尺线圈中流过电流 x = 0的位置如图（a）。 W cosMx W cosM)x(MC 00 2 M0为x = 0时的互感量。 另一个与此相差90的滑尺线圈 （正弦）与定尺定尺与滑尺间的互感 MS sinMx W cosM)x(M S00 2 2 定尺与滑尺间的互感 余弦绕组与定尺间的互感MC， x W 2 图 11- 22 感应同步器的工作原

40、理 图13-11 圆感应同步器示意图 (a) 定子； (b) 转子 13.3.2 信号处理方式 按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电 动势的相位或幅值来进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。 1. 鉴相方式 滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开1/4定尺的节距， 激励时加上等幅等频， 相位差为90的交流电压，即分别以sint和cost来激励，这样，就可以根据感应 电势的相位来鉴别位移量， 故叫鉴相型。 当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为 sincos o tUke ms 式中，k为耦合系数。 当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc

41、=-Umcost）, 感应电势为 cossintUke mco 按叠加原理求得定尺上总感应电动势为 )sin( sincoscossin tUk tUktUkeee m mmcosoo 式中的=2x/称为感应电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对 位移有一一对应的关系，每经过一个节距， 变化一个周期（2）。 R M MM tUu tUu dt du R M R u i dt di M mci msi i 0 0 k cos cos sin e e 2. 鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、 同相但幅值 不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量， 称为鉴幅型。

42、加到滑尺两绕组的交流励磁电压为 tUu tUu cic sis cos cos (13-7) (13-8) 式中 Us=Um cos ； Uc=Um sin ； Um激励电压幅值； 给定的电相角。 它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为 eos=-kUs sint cos sin eoc=kUc sint sincos 定尺的总感应电势为 e=eoc+eos=kUs sint sin cos -kUc sint cos sin =kUm sint(cos cos+sinsin) =kUm sint cos(-) 式中把感应同步器两尺的相对位移x=2/和感应电势的幅值kUm cos(-)联系了 起

43、来。 13.3.3 感应同步器位移测量系统 图13 -12为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。 脉冲发生器输 出频率一定的脉冲序列，经过脉冲相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波0 和指令信号方波1。 参考信号方波0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相 位差为90的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。感应同步 器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波2。指令信号1和 反馈信号2同时送给鉴相器，鉴相器既判断2和1相位差的大小，又判断指令信号1 的相位超前还是滞后于反馈信号2的相位。 图13 12 鉴相测量方式数字位移测量装置方框图 假定开始时1=2，当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的 感应电压的相位2（即反馈信号的相位）发生变化。此时12，由鉴相器判别之后， 将有相位差=2-1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。此误差信号控制门电 路