第6章 位移及速度检测

1、第六章第六章 位移及速度检测位移及速度检测 o 位移及速度是描述物体运动的量，是许多物理位移及速度是描述物体运动的量，是许多物理 量，如力、压力、振动等测量的前提。量，如力、压力、振动等测量的前提。 n 直线位移是运动量中最基本的参数；直线位移是运动量中最基本的参数； n 速度是位移对时间的微分；速度是位移对时间的微分； n 力或力矩可以使弹性体变形而产生位移；力或力矩可以使弹性体变形而产生位移； n 由牛顿定律可知加速度与作用力有关。由牛顿定律可知加速度与作用力有关。 运动量检测的主要任务：检测位移和力的大小运动量检测的主要任务：检测位移和力的大小 o 位移的分类：线位移和角位移。 o 速度

2、的分类：线速度和角速度。 第六章第六章 位移及速度检测位移及速度检测 o 按测量结果分:将位移转化为模拟量； 将位移转化为数字量。 o 按测量对象分:微小位移检测； 小位移检测； 大位移检测。 6.1 电感式传感器电感式传感器 o 电感式传感器：将被测量转换成电感（或互感）变化电感式传感器：将被测量转换成电感（或互感）变化 的传感器。的传感器。 o 工作基础：工作基础：电磁感应电磁感应。即利用线圈电感或互感的改变。即利用线圈电感或互感的改变 来实现非电量测量。来实现非电量测量。 o 分类：分类：变磁阻式、变压器式变磁阻式、变压器式 组成：组成： 变磁阻式传感器由线圈、铁芯变磁阻式传感器由线圈、

3、铁芯 和衔铁三部分组成。铁芯和衔和衔铁三部分组成。铁芯和衔 铁由导磁材料制成。铁由导磁材料制成。 工作原理：工作原理：铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔 铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中发生改变，引起磁路中 磁阻变化，从而使电感线圈的电感值变化。磁阻变化，从而使电感线圈的电感值变化。只要能测出这种只要能测出这种 电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 一、工作原理一、工作原理 衔铁移动 改变 磁阻变化

4、电感值变化 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 一、工作原理一、工作原理 其中：其中：N：线圈匝数；：线圈匝数； Rm：磁路总磁阻：磁路总磁阻(铁芯磁阻铁芯磁阻+衔铁磁阻衔铁磁阻+空气隙磁阻空气隙磁阻) m R N L 2 合并两式可得合并两式可得线圈自感系数为线圈自感系数为 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 N L II 线圈中的电感为：线圈中的电感为： 根据磁路欧姆定律：根据磁路欧姆定律： m N I R 由于气隙式自感传感器的气隙较小由于气隙式自感传感器的气隙较小 (l为为0.11mm)，故认为气隙磁场，故认为气隙磁场 是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁是均匀的，若忽略磁路铁损

5、，则磁 路总磁阻为路总磁阻为: 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 12 112200 2 m ll R AAA l1：铁芯磁路总长；：铁芯磁路总长； A1：铁芯横截面积；：铁芯横截面积； 1：铁芯磁导率；：铁芯磁导率； l2：衔铁的磁路长；：衔铁的磁路长； A2：衔铁横截面积；：衔铁横截面积； 2：衔铁磁导率；：衔铁磁导率； ：气隙总长：气隙总长; A0：气隙导磁横截面积；：气隙导磁横截面积； 0：空气磁导率：空气磁导率; 0=410-7Hm 2 2 12 112200 2 m Nll LN AAAR 所以：所以： 由于自感传感器的铁芯、衔铁在非饱和状态下的磁导率由于自感传感器的铁芯、

6、衔铁在非饱和状态下的磁导率 远大于空气的磁导率，因此铁芯、衔铁的磁阻远远小于远大于空气的磁导率，因此铁芯、衔铁的磁阻远远小于 气隙磁阻，所以上式可简化为：气隙磁阻，所以上式可简化为： 2 00 2 NA L 结论结论: : 当铁芯、衔铁材料和线圈匝数确定后，自感当铁芯、衔铁材料和线圈匝数确定后，自感L L是气隙截面积是气隙截面积A A0 0 和气隙长度和气隙长度的函数。的函数。 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 二、变磁阻式电感传感器的分类二、变磁阻式电感传感器的分类 2 00 2 NA L 电感式传感器电感式传感器 变磁阻式变磁阻式 互感式互感式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式

7、变间隙式变间隙式 差动变压器差动变压器 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 1.1.变间隙式电感传感器：变间隙式电感传感器：A A0 0保持不变，则保持不变，则L L为为的单值函数；的单值函数； 2.2.变截面式电感传感器：变截面式电感传感器：保持保持不变，使不变，使A A0 0 随位移变化； 随位移变化； 3.3.螺管式电感传感器：螺管式电感传感器：A A0 0、同时改变构成。同时改变构成。 6.1.1 工作原理及分类工作原理及分类 o 当衔铁处于初始位置时，当衔铁处于初始位置时， 初始电感量为：初始电感量为： 2 00 0 0 2 NA L 1、变间隙式电感传感器、变间隙式电感传感器

8、 变间隙式电感传感器输出特性变间隙式电感传感器输出特性 6.1.2 输出特性输出特性 灵敏度为： 2 0 2 2 dLNAL K d 结论： o 变气隙型电感传感器的灵敏度较高； o 非线性严重，自由行程小，制造装配困难； o 适用于测量微小位移场合。 6.1.2 输出特性输出特性 2 2. .变截面积式电感传感器变截面积式电感传感器 2 00 0 0 2 NA L 6.1.2 输出特性输出特性 o 保持磁导率保持磁导率和气隙长度和气隙长度l l固定不变，只改变气隙有效固定不变，只改变气隙有效 截面积截面积A A，即以气隙长度，即以气隙长度A A作为传感器的输入量，常用作为传感器的输入量，常用

9、 于角位移的测量。其结构原理如图于角位移的测量。其结构原理如图: : 变截面积式电感传感器输出特性变截面积式电感传感器输出特性 o 变截面式电感传感器其转换关系是线性的，灵敏度变截面式电感传感器其转换关系是线性的，灵敏度 为：为： 2 0 2 N K 6.1.2 输出特性输出特性 结论：结论： 在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性，在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性， 因此可得到较大的线性范围。因此可得到较大的线性范围。 3.3.螺管式电感传感器螺管式电感传感器 o 磁场分布不均匀，理论上分析较困难；磁场分布不均匀，理论上分析较困难； o 由实验可知输出为非线性关系由实验

10、可知输出为非线性关系, ,且灵敏度较低；且灵敏度较低； o 测量范围广，结构简单，装配容易，且螺管可做得较测量范围广，结构简单，装配容易，且螺管可做得较 长，宜于测量较大的位移长，宜于测量较大的位移。 6.1.2 输出特性输出特性 o 为提高测量灵敏度，减小非线性误差，实际测量中广泛为提高测量灵敏度，减小非线性误差，实际测量中广泛 采用差动式电感传感器。采用差动式电感传感器。 o 结构：结构：将有公共衔铁的两个相同电感传感器结合在一起。将有公共衔铁的两个相同电感传感器结合在一起。 6.1.3 差动电感传感器原理差动电感传感器原理 o 当衔铁向上移动时： 23 10 000 1LL 35 120

11、 000 2LLLL 00 2 L L 23 20 000 1LL 6.1.3 差动电感传感器原理差动电感传感器原理 o 对上式进行线性处理，即忽略高次项得 o 线圈总的电感变化量L： 灵敏度灵敏度K为为： 0 0 2 LL K 比较单线圈式和差动式：比较单线圈式和差动式： 差动式变间隙电感传感器差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的的灵敏度是单线圈式的两倍两倍。 减小了非线性误差。减小了非线性误差。 6.1.3 差动电感传感器原理差动电感传感器原理 6.1.4 6.1.4 电感式位移计的应用电感式位移计的应用 差动变压器差动变压器: : 又称互感式电感传感器，是根据变压器的基本原理制又称

12、互感式电感传感器，是根据变压器的基本原理制 成，把被测位移转换为传感器线圈的成，把被测位移转换为传感器线圈的互感系数变化互感系数变化。由于。由于 次级绕组用差动形式连接次级绕组用差动形式连接，故又称差动变压器。，故又称差动变压器。 差动变压器差动变压器具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、 性能可靠等优点。性能可靠等优点。 6.2 差动变压器位移计差动变压器位移计 6.2.1 差动变压器工作原理及特性差动变压器工作原理及特性 一、差动变压器结构一、差动变压器结构 由一个线框和一个铁芯组成由一个线框和一个铁芯组成, ,线框上绕有线圈。线框上绕有线圈。 一次线圈：

13、输入线圈；一次线圈：输入线圈； 两个二次线圈两个二次线圈: :输出线圈，接成差动形式。输出线圈，接成差动形式。 二、工作原理二、工作原理 22221 0UUU 22221 0UUU 22221 0UUU 6.2.1 差动变压器工作原理及特性差动变压器工作原理及特性 o铁芯处于中间位置时，由于两个次级线圈相同铁芯处于中间位置时，由于两个次级线圈相同, ,两个次级线圈通过两个次级线圈通过 的磁力线相等的磁力线相等,U,U21 21=U =U22 22, ,输出电压为： 输出电压为： o同理同理, ,当铁芯向左移动时，则输出电压当铁芯向左移动时，则输出电压: : o铁芯向右移动时，右边线圈穿过的磁通

14、要比左边多些铁芯向右移动时，右边线圈穿过的磁通要比左边多些, U, U21 21 U U22 22， ， 则输出电压则输出电压: : 结论结论: : 输出电压的方向反映了铁芯运动方向，大小反映了铁芯位移大小输出电压的方向反映了铁芯运动方向，大小反映了铁芯位移大小。 + - 三、输出特性三、输出特性 o零位电压零位电压 ( (U U ): ): 衔铁位于中心位置（零位衔铁位于中心位置（零位 移）时，差动变压器输出移）时，差动变压器输出 电压。电压。 o零位电压的存在使传感器零位电压的存在使传感器 的输出特性不经过零点，的输出特性不经过零点， 造成实际特性与理论特性造成实际特性与理论特性 不完全一

15、致。不完全一致。 零位电压的危害：零位电压的危害： o给测试结果带来误差；给测试结果带来误差； o使零位附近变得不灵敏。使零位附近变得不灵敏。 6.2.1 差动变压器工作原理及特性差动变压器工作原理及特性 零位电压产生原因：零位电压产生原因： o结构和电气参数不对称结构和电气参数不对称; ; o导磁材料不均匀导磁材料不均匀. . 减小零点残余的方法：减小零点残余的方法： 6.2.1 差动变压器工作原理及特性差动变压器工作原理及特性 尽量保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。尽量保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁选用合适的

16、测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁 移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。 在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件， 当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。 1.1.大位移测量电路大位移测量电路 只测位移大小、不要求分辨位移的方向，通常采用只测位移大小、不要求分辨位移的方向，通常采用 整流电路整流后送入直流电压表显示位移的大小。整流电路整流后送入直流电压表显示位移的大小。 如图如图a a、b b所示；所示； 6.2.3 差动变压

17、器位移计的测量电路差动变压器位移计的测量电路 既要求测量位移大小、又要求分辨位移的方向，且希望既要求测量位移大小、又要求分辨位移的方向，且希望 消除零点电压的影响，通常采用消除零点电压的影响，通常采用相敏检波电路相敏检波电路。 如图如图c c、d d所示；所示； 6.2.3 差动变压器位移计的测量电路差动变压器位移计的测量电路 2.2.微小位移测量电路微小位移测量电路 DGSDGS20C/A20C/A型测微仪的框图如示。型测微仪的框图如示。 6.2.3 差动变压器位移计的测量电路差动变压器位移计的测量电路 电位器式传感器的外形及电压转换原理图电位器式传感器的外形及电压转换原理图 （a） 直线位

18、移传感器；直线位移传感器； (b) 角位移传感器；角位移传感器； (c) 电位器的位移电位器的位移电压转换原理图电压转换原理图 分为分为直线位移直线位移和和角位移角位移传感器两种，外形如下：传感器两种，外形如下： 6.3 电位器式传感器电位器式传感器 6.3 电位器式传感器电位器式传感器 特点：特点： 优点：优点：结构简单，结构简单， 价格低廉，价格低廉， 性能稳定，性能稳定， 对环境条件要求对环境条件要求 不高，不高， 输出信号大，输出信号大， 易于转换，易于转换， 便于维修。便于维修。 缺点：缺点：存在摩擦，存在摩擦， 分辨力有限，分辨力有限， 精度不够高，精度不够高， 动态响应差，动态响

19、应差， 仅适于测量变化较缓慢的量。仅适于测量变化较缓慢的量。 6.3.1 电位器传感器基本工作原理电位器传感器基本工作原理 l R A (a)可测线位移；可测线位移；(b)可测角位移。可测角位移。 工作原理：工作原理：将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为 电阻值的变化，电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。并容易转换成电压的变化。 6.3.2 电位器传感器输出特性电位器传感器输出特性 x R Rx l RL 实际使用时，其输出端是接负载的，如图所示：实际使用时，其输出端是接负载的，如图所示： 1 ()(1) xL xL xL x xLL RR

20、RR UxUU RRlRx RR RRxRl 输出电压为：输出电压为： Ux与x为非 线性关系 6.3.2 电位器传感器输出特性电位器传感器输出特性 实际使用时，应使实际使用时，应使RL20R，可保证非线性误差小于，可保证非线性误差小于1.5% x RU UxUx Rl 负载电阻负载电阻RL的的选择：选择： 只有当只有当RL时：输出电压才与位移时：输出电压才与位移 成正比，即成正比，即 6.3.3 电位器传感器结构电位器传感器结构 1.1.电阻丝：电阻丝： 要求：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用要求：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用 材料有：铜镍合金类、

21、铜锰合金类、镍铬丝等。材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2.2.骨架：骨架： 要求：形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶要求：形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶 瓷、酚醛树脂和工程塑料等。瓷、酚醛树脂和工程塑料等。 3.3.电刷：电刷： 电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。 这能使噪声降低。这能使噪声降低。 6.3.4 电位计式位移传感器电位计式位移传感器 o YHDYHD型电位计式位移传感器的结构如图。型电位计式位移传感器的结构如图。 n测量轴测量轴1 1与被测物体

22、接触，当有位移输入时，测量从轴与被测物体接触，当有位移输入时，测量从轴 便沿导轨便沿导轨5 5运动，同时带动电刷运动，同时带动电刷3 3移动。移动。 光栅位移传感器：光栅位移传感器： 又称计量光栅，利用又称计量光栅，利用光栅的衍射形成莫尔条纹光栅的衍射形成莫尔条纹把光栅作为测把光栅作为测 量长度的计量元件。量长度的计量元件。 可用于可用于长度长度和和角度角度精密测量。精密测量。 6.5 光栅位移测试光栅位移测试 应用范围：应用范围： 计量、光通信、信息处理、光应变传感器等方面。另外，计量、光通信、信息处理、光应变传感器等方面。另外， 松松 下电器产业、柯尼卡美能达、下电器产业、柯尼卡美能达、

23、JVC三公司均在像差修正中采三公司均在像差修正中采 用了衍射光栅。用了衍射光栅。 优点：优点： 精度高，抗干扰能力强，可实现动态测量。精度高，抗干扰能力强，可实现动态测量。 在透明玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等在透明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）。刻线间距分布的细小条纹（又称为刻线）。刻线 分为透明和不透明，或者对光反射的和不反分为透明和不透明，或者对光反射的和不反 射的。射的。 习惯上用习惯上用单位毫米单位毫米里的狭缝数目里的狭缝数目N来表示光栅特性，常用的光栅每来表示光栅特性，常用的光栅每 毫米刻成毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。条

24、线条。 1.光栅光栅 图中图中: a+b=W称光栅的栅距（也称光栅常数）。称光栅的栅距（也称光栅常数）。 通常通常a=b=W/2，也可刻成，也可刻成a b=1.1 0.9。 6.5.1 光栅的基本结构光栅的基本结构 目前使用的光栅主要通过以下方法获得：目前使用的光栅主要通过以下方法获得： 1 1）用精密的刻线机在玻璃或镀在玻璃上的铝膜上直接）用精密的刻线机在玻璃或镀在玻璃上的铝膜上直接 划刻得到；划刻得到； 2 2）用树脂在优质母光栅上复制；）用树脂在优质母光栅上复制； 3 3）采用全息照相的方法制作全息光栅。）采用全息照相的方法制作全息光栅。 6.5.1 光栅的基本结构光栅的基本结构 2.2

25、.光栅的分类光栅的分类 6.5.1 光栅的基本结构光栅的基本结构 按其用途分为：长光栅和圆光栅。计量光栅分类如下图所示：按其用途分为：长光栅和圆光栅。计量光栅分类如下图所示： 6.5.1 光栅的基本结构光栅的基本结构 由光栅、光路、光电元件和转换电路等构成。由光栅、光路、光电元件和转换电路等构成。 3 2 4 1 1.标 尺 光 栅 2.指 示 光 栅 3.光 电 元 件 4.光 源 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 1.光栅传感器的组成光栅传感器的组成 透透 射射 式式 光光 栅栅 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 反反 射射 式式 光光 栅栅 6.5

26、.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 透透 射射 式式 圆圆 光光 栅栅 固定固定 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 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 防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 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 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 两只光栅参数相同，主光栅用于满足测量范围和精度；指两只光栅参数相同，主

27、光栅用于满足测量范围和精度；指 示光栅（通常是从主尺上截取一段）用于拾取信号。示光栅（通常是从主尺上截取一段）用于拾取信号。 2.光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 1.d 1.d的选择。的选择。 指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，距离为：指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，距离为： 能够正常工作关键在于：能够正常工作关键在于： 2 W d 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 2.2.莫尔条纹的最终形成。莫尔条纹的最终形成。 3.3.莫尔条纹莫尔条纹 主光栅与指示光栅的线纹相交一个微小夹角主光栅与指示光栅的

28、线纹相交一个微小夹角， 中间留有很小间隙中间留有很小间隙d d， 由于挡光效应或光的衍射，这时在于光栅条纹在两由于挡光效应或光的衍射，这时在于光栅条纹在两光栅的刻线重合处，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。而形成暗带。亮带与暗带之间形成的明暗相间的条纹即莫尔条纹。亮带与暗带之间形成的明暗相间的条纹即莫尔条纹。 莫尔条纹间距莫尔条纹间距B B 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 B 11 11 44 22 tan 22 WW W B 即：即：B BW W/

29、 /，为主光栅和指示光栅刻线的夹角为主光栅和指示光栅刻线的夹角, ,用弧度表用弧度表 示示 B B 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 莫尔条纹间距莫尔条纹间距B B与与W,W,的关系的关系 莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点： 6.5.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 1 1）运动对应关系：）运动对应关系： 莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W W， 莫尔条纹就移动过一个条纹间距莫尔条纹就移动过一个条纹间距B B，光强变化一个周期。，光强变化一个周期。 2 2）位移放大：）位移放大： 莫尔条纹

30、具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B B与两光栅条纹夹角与两光栅条纹夹角 之间关系为之间关系为 B BW W/ /， 放大倍数放大倍数: :k=1/k=1/ 3 3）减小误差）减小误差: : 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 3.光栅信号的输出光栅信号的输出 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的 电信号，如图所示。电信号，如图所示。 U0 U W/2 o Um 2W 3W/2 W x W x UUUm 2 sin0 6.5.2 光栅传感器

31、的工作原理光栅传感器的工作原理 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经 辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量 等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。 优点：优点： 1.由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差 有均化作用，因此有均化作用，因此栅距误差对测量精度影响较小栅距误差对测量精度影响较小。 2.检测过程中，标

32、尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度精度 可以长期保持可以长期保持。 6.5.3 光栅传感器的特点光栅传感器的特点 缺点：缺点： 1.光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变，光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变， 制造调试比较困难制造调试比较困难。 2.灰尘、油、冷却液等污物的侵入易使光学系统变质灰尘、油、冷却液等污物的侵入易使光学系统变质产生误差产生误差。 6.6 码盘式传感器码盘式传感器 又称角数字编码器，是建立在又称角数字编码器，是建立在编码器编码器的基础上的测量轴角位置和的基础上

33、的测量轴角位置和 位移的方法之一。位移的方法之一。 编码器：编码器： 最简单的数字式传感器，分为磁电式、电容式、光电式等，包括最简单的数字式传感器，分为磁电式、电容式、光电式等，包括 码盘和码尺。码盘和码尺。 6.6 码盘式传感码盘式传感器器 编码器（编码器（盘式盘式） 脉冲盘式编码器脉冲盘式编码器(增量编码器增量编码器) 码盘式编码器码盘式编码器(绝对编码器绝对编码器) 接触式编码器接触式编码器 电磁式编码器电磁式编码器 光电式编码器光电式编码器 光电式码盘光电式码盘: 用光电方法将机械转动的用光电方法将机械转动的模拟量（角位移）模拟量（角位移） 转换成以转换成以数字代码形式表示的电信号数字

34、代码形式表示的电信号的传感器。的传感器。 优点：优点： 1.1.高精度、高分辨率和高可靠性。高精度、高分辨率和高可靠性。 2.2.抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为 误差，便于计算机处理。误差，便于计算机处理。 3.3.体积小，便于安装，适合于机床运行环境。体积小，便于安装，适合于机床运行环境。 缺点缺点: : 1. 1.结构复杂，价格高，光源寿命短；结构复杂，价格高，光源寿命短； 2.2.码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。 应用范围应用范围: : 空间技术空间技术, ,机器人机器人, ,数

35、控机械系统等方面数控机械系统等方面. . 6.6 码盘式传感器码盘式传感器 6.6.1 光电码盘式传感器的工作原理光电码盘式传感器的工作原理 o 主要由安装在旋转轴上的编码圆盘主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘码盘)、狭缝以及、狭缝以及 安装在圆盘两边的光源、柱面镜和光敏元件组成。安装在圆盘两边的光源、柱面镜和光敏元件组成。 1光源光源 2柱面镜柱面镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5光敏元件光敏元件 工作原理：工作原理： 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形 成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电

36、信号，通过信号处理成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理 装置的整形、放大等处理后输出。装置的整形、放大等处理后输出。 6.6.1 光电码盘式传感器的工作原理光电码盘式传感器的工作原理 码盘码盘: 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。列的透光和不透光部分。即亮区和暗区。 码盘按其所用码制可分为二进制码、码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、十进制码、 循环码等。循环码等。 6.6.2 光电码盘光电码盘 四位二进制码盘示意图四位二进制码

37、盘示意图四位二进制循环码盘示意图四位二进制循环码盘示意图 1.1.二进制码盘（四位）二进制码盘（四位） 四位二进制码盘示意图四位二进制码盘示意图 6.6.2 光电码盘光电码盘 1)1)结构结构: : 四位四位二进制二进制光电码盘有四圈光电码盘有四圈 同心数字码道，每一个码道同心数字码道，每一个码道 表示二进制的一位，表示二进制的一位，里侧是里侧是 高位，外侧是低位。高位，外侧是低位。 黑色不透光区和白色透光区黑色不透光区和白色透光区 分别代表二进制的分别代表二进制的“0”0”和和 “1”1”。在。在360360范围内可编范围内可编 数码数为数码数为2 24 4=16=16个。个。 6.6.2

38、光电码盘光电码盘 2 2）工作原理）工作原理 6.6.2 光电码盘光电码盘 o 码盘一侧放置光源，另一边码盘一侧放置光源，另一边 放光电接放光电接收收装置，每个码道装置，每个码道 都对应一个光电管及放大、都对应一个光电管及放大、 整形电路。码盘转到不同位整形电路。码盘转到不同位 置，光电元件接受光信号，置，光电元件接受光信号， 并转成相应的电信号，经放并转成相应的电信号，经放 大整形后，成为相应数码电大整形后，成为相应数码电 信号。信号。 o当码盘处于不同角度时就输出当码盘处于不同角度时就输出 对应不同的编码。根据码盘的对应不同的编码。根据码盘的 起始和终止位置就可确定转角，起始和终止位置就可

39、确定转角， 与转动的中间过程无关。与转动的中间过程无关。 6.6.2 光电码盘光电码盘 6位二进制码盘位二进制码盘4位二进制码盘位二进制码盘 4位、位、6位二进制码盘比较位二进制码盘比较 3 3）二进制码盘的特点：）二进制码盘的特点： 6.6.2 光电码盘光电码盘 n n位位(n(n个码道个码道) )的二进制码盘具有的二进制码盘具有2 2n n种不同编码，其容量为种不同编码，其容量为 2 2n n，其最小分辨角度，其最小分辨角度3603602 2n n，位数，位数n n越大，能分辨越大，能分辨 的角度越小的角度越小, ,测量精度越高；测量精度越高； 例如：编码例如：编码10101010对应于零

40、位算起的转角为：对应于零位算起的转角为： =(1=(12 23 3+0+02 22 2+1+12 21 1+0+02 20 0)=10=10=225=2250 0 1 1 2 n i i i C n 二进制二进制码为有权码，编码码为有权码，编码C Cn n,C,Cn-1 n-1， ，C C1 1对应于由零位对应于由零位 算起的转角为：算起的转角为： 其中：其中： 3602n 4)4)二进制光电码盘的误差及消除方法二进制光电码盘的误差及消除方法 6.6.2 光电码盘光电码盘 n误差产生的原因：误差产生的原因： 1.信息检测单元不同步；信息检测单元不同步； 2.码道制作不精确。码道制作不精确。 n

41、消除误差的方法：消除误差的方法： 1.双读数头法；双读数头法； 2.用循环码代替二进制码。用循环码代替二进制码。 6.6.2 光电码盘光电码盘 四位二进制码盘示意图四位二进制码盘示意图四位二进制循环码盘示意图四位二进制循环码盘示意图 2.2.循环码盘（四位）循环码盘（四位） o 循环码的特点循环码的特点 相邻两个数码之间只有相邻两个数码之间只有 一位变化。一位变化。 四位循环码盘示意图四位循环码盘示意图 6.6.2 光电码盘光电码盘 o 循环循环码的编码规则：码的编码规则： 将二进制码与其本身右将二进制码与其本身右 移一位后并舍去最末位移一位后并舍去最末位 的数码作不进位加法的数码作不进位加法

42、。 6.6.2 光电码盘光电码盘 o 二进制码变循环码的一般形式为：二进制码变循环码的一般形式为： 二进制码 右移一位并舍去末位数码 做不进位加法 循环码 由此可得：由此可得： 例如：例如： Rn=Cn Ri=Ci Ci+1 6.6.2 光电码盘光电码盘 二进制码转换为循环码的电路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 图图5 二进制码转换为循环码电路图二进制码转换为循环码电路图 6.6.2 光电码盘光电码盘 o 由于循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二由于循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二 进制码后再译码。进制码后再译

43、码。循环码转变为二进制码的电路为：循环码转变为二进制码的电路为： (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 图图6 循环码转换为二进制码电路图循环码转换为二进制码电路图 6.6.2 光电码盘光电码盘 6.6.3 光电码盘式传感器的应用光电码盘式传感器的应用 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 图图7 光学码盘测角仪的原理图光学码盘测角仪的原理图 6.9.1 6.9.1 激光的特性和稳频方法激光的特性和稳频方法 6.9 激光式传感器 一、激光的特性一、激光的特性 1.平行度非常好（即方向性好）。平行度非常好（即方向

44、性好）。 传很远的距离之后仍能保持一定的强度。传很远的距离之后仍能保持一定的强度。 应用：应用：A、进行精确的测距、测速度雷达、进行精确的测距、测速度雷达 B、激光可以会聚到很小的一点，如、激光可以会聚到很小的一点，如VCD光盘光盘 记录的息信密度很高。记录的息信密度很高。 2.2.相干性好（频率相同、步调协调）。相干性好（频率相同、步调协调）。 应用：它能象无线电波那样进行调制，用来传递应用：它能象无线电波那样进行调制，用来传递 信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结信息，光纤通信就是激光和光导纤维相结 合的产物。合的产物。 3.3.亮度高、能量集中。亮度高、能量集中。 它可在很小的空间和很短

45、的时间内集中很大的能它可在很小的空间和很短的时间内集中很大的能 量照射到物体上，可以使物体被照的部分在不到量照射到物体上，可以使物体被照的部分在不到 千分之一秒内产生几千万摄氏度的温度。千分之一秒内产生几千万摄氏度的温度。 应用：切割、打孔、光刀、应用：切割、打孔、光刀、“焊接焊接”剥落的视网剥落的视网 膜、引起聚变等。膜、引起聚变等。 4.4.单色性好。单色性好。 6.9 激光式传感器 二、激光器 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具 有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激 光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类： 6.9 激光式传感

46、器 激光器种类繁多，按工作物质分类：激光器种类繁多，按工作物质分类： u固体激光器（如红宝石激光器）固体激光器（如红宝石激光器） u气体激光器（如氦气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）氖气体激光器、二氧化碳激光器） u半导体激光器（如砷化镓激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器） u液体激光器。液体激光器。 （1）固体激光器）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。年人类发明的第一台激光器。 它的工作物质是固体。它的工作物质是固体。 种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光激光 器）和钕玻璃激光器等。器）和钕玻璃激光器等。 特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率 最高的器件，已达到几十万瓦。最高的器件，已达到几十万瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗 登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球 的距离测量。的距离测量。 （2）