现代检测技术导论-5数字检测装置

1、现代检测技术导论现代检测技术导论第五章数字检测装置5.1角度数字编码器5.2光栅传感器5.3感应同步器l将被测量直接或间接地转换成数字量的将被测量直接或间接地转换成数字量的传感器叫数字检测装置或数字传感器传感器叫数字检测装置或数字传感器l体积小、重量轻、结构紧凑、抗干扰能体积小、重量轻、结构紧凑、抗干扰能力强、工作可靠、分辨率高力强、工作可靠、分辨率高l适用于要求高稳定性、高精确度的检测适用于要求高稳定性、高精确度的检测系统系统l角度数字编码器是测量角位移的最直接角度数字编码器是测量角位移的最直接有效的方法有效的方法l主要分为：码盘式（绝对编码器）和脉主要分为：码盘式（绝对编码器）和脉冲盘式（

2、相对编码器）两大类冲盘式（相对编码器）两大类l脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才能得到数字，需要增加有关数字电路才能得到数字编码编码l码盘式编码器能直接输出某种码制的数码盘式编码器能直接输出某种码制的数码码l增量式角度数字编码器结构最为简单，广泛应增量式角度数字编码器结构最为简单，广泛应用于机器人、数控机床等系统中用于机器人、数控机床等系统中l结构：在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝结构：在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙隙 (分为透明部分和不透明部分分为透明部分和不透明部分)，在开缝码盘，在开缝码盘两边分别安装光源及光敏元件两边分别

3、安装光源及光敏元件l工作原理：当码盘随工工作原理：当码盘随工作轴一起转动时，每转作轴一起转动时，每转过一个缝隙产生一次光过一个缝隙产生一次光线的明暗变化，经光敏线的明暗变化，经光敏元件得到电信号输出，元件得到电信号输出，输出的脉冲数即等于转输出的脉冲数即等于转过的缝隙数过的缝隙数l辨向电路：为了判断旋转方向，通常采用两套辨向电路：为了判断旋转方向，通常采用两套光电转换装置光电转换装置令两套光电转换装置在空间产生的信号在相位令两套光电转换装置在空间产生的信号在相位上相差上相差1/4周期周期u1、u2 是是u1、u2的整形输出，的整形输出， u1”是是u1的反向的反向输出，输出， u1w和和u1w

4、”是是u1 u1”的微分输出的微分输出当工作轴正转时，当工作轴正转时，u1比比u2超前超前1/4周期周期u1w为高时，为高时，u2 总为低，总为低，所以与门所以与门Y1输出为低输出为低u1w”为高时，为高时，u2 总为高，总为高，因此与门因此与门Y2输出为高输出为高Y2输出为高使触发器置输出为高使触发器置1，可逆计数器做加法计数，可逆计数器做加法计数当工作轴反转时，当工作轴反转时，u1比比u2超超前前3/4周期，即周期，即u2比比u1超前超前1/4周期周期u1w为高时，为高时，u2 总为高，所总为高，所以与门以与门Y1输出为高输出为高u1w”为高时，为高时，u2 总为低，总为低，因此与门因此与

5、门Y2输出为低输出为低Y1输出为高，使触发器置输出为高，使触发器置0，可逆计数器做减法计数，可逆计数器做减法计数从而实现辨向的目的从而实现辨向的目的l绝对式角度数字编码器是将被测角度转换成相绝对式角度数字编码器是将被测角度转换成相应代码，代码是通过码盘上的图案来表示数值应代码，代码是通过码盘上的图案来表示数值的的l可分为：接触式、光电式和电磁式可分为：接触式、光电式和电磁式l接触式角度数字编码器接触式角度数字编码器(四位二进制四位二进制)结构：涂黑部分为导电区，结构：涂黑部分为导电区，所有导电区连在一起接高电所有导电区连在一起接高电平平空白部分为绝缘区空白部分为绝缘区在每个码道上有一个电刷，在

6、每个码道上有一个电刷，电刷经限流电阻接地电刷经限流电阻接地实际应用中对二进制码盘的制作和电刷的安装要实际应用中对二进制码盘的制作和电刷的安装要求十分严格，任何微小的制作和安装误差，都可求十分严格，任何微小的制作和安装误差，都可能带来粗大误差能带来粗大误差最内圈为最高位码道，一半导电，一半不导电最内圈为最高位码道，一半导电，一半不导电最外圈为最低位码道，均匀地分为最外圈为最低位码道，均匀地分为24=16个黑白个黑白间隔间隔这是因为当二进制编码的相邻数字之间变换时往这是因为当二进制编码的相邻数字之间变换时往往会有多个二进制位同时发生变化往会有多个二进制位同时发生变化如当电刷从如当电刷从0111向向

7、1000过渡时，制作和安装误差过渡时，制作和安装误差会在过渡期间出现任何可能的数会在过渡期间出现任何可能的数解决方法：采用循环码，相邻数字之间只有一位代码改变解决方法：采用循环码，相邻数字之间只有一位代码改变，不会产生粗大误差，不会产生粗大误差循环码和二进制码的转换循环码和二进制码的转换接触式数字编码器的缺点：分辨率低、易磨损、寿命短接触式数字编码器的缺点：分辨率低、易磨损、寿命短l光电式角度数字编码器光电式角度数字编码器结构：结构：由安装在旋转轴上的码盘、窄缝以及安装在码由安装在旋转轴上的码盘、窄缝以及安装在码盘两边的光源和光敏元件等组成盘两边的光源和光敏元件等组成码盘由玻璃制成，刻有很多同

8、心圆码道码盘由玻璃制成，刻有很多同心圆码道码盘上有代表数码的按一定规律排列的透光和码盘上有代表数码的按一定规律排列的透光和不透光部分（亮区和暗区），相当于接触式角不透光部分（亮区和暗区），相当于接触式角度数字编码器上的导电区和绝缘区度数字编码器上的导电区和绝缘区原理：原理：光源通过大孔径透镜形成均匀狭长的光束照到光源通过大孔径透镜形成均匀狭长的光束照到码盘上码盘上位于狭缝后的一排光电元件输出与码盘所处角位于狭缝后的一排光电元件输出与码盘所处角度位置对应的编码信息度位置对应的编码信息l光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅一种计量光栅l优点：精度高、量程

9、大、分辨率高、抗优点：精度高、量程大、分辨率高、抗干扰能力强，可实现动态测量干扰能力强，可实现动态测量l主要用于长度和角度的精密测量，在数主要用于长度和角度的精密测量，在数控机床的伺服系统中有着广泛的应用控机床的伺服系统中有着广泛的应用l光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行、等宽、光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行、等宽、等间距的刻线等间距的刻线l刻线有透明和不透明的或反光和不反光的刻线有透明和不透明的或反光和不反光的l光栅参数：光栅参数：栅距栅距(光栅常数光栅常数)=栅线宽度栅线宽度a+缝隙宽度缝隙宽度b通常通常ab栅距越小，精度越高栅距越小，精度越高刻线密度通常有刻线密度通常有25、50、 10

10、0、250条条/mm栅距栅距=1/刻线密度刻线密度l光栅的种类光栅的种类l根据工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅根据工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅物理光栅刻线细密，工作原理是基于光的衍射现象，物理光栅刻线细密，工作原理是基于光的衍射现象，用于光谱分析和光波长的测定用于光谱分析和光波长的测定计量光栅刻线比物理光栅粗，主要利用光栅的莫尔条计量光栅刻线比物理光栅粗，主要利用光栅的莫尔条纹现象进行位移的精密测量纹现象进行位移的精密测量l根据光线的走向，光栅可分为透射光栅和反射光栅根据光线的走向，光栅可分为透射光栅和反射光栅在透明的玻璃上均匀刻画间距、宽度相等的条纹形成在透明的玻璃上均匀刻画

11、间距、宽度相等的条纹形成的光栅叫做透射光栅的光栅叫做透射光栅光源光源1发出的光线经透镜发出的光线经透镜2形成平行光垂直投射到光栅形成平行光垂直投射到光栅付上，形成莫尔条纹，由光电元件付上，形成莫尔条纹，由光电元件5转换成电信号输出转换成电信号输出在具有强反射能力的基体上（通常是不锈钢或玻璃镀在具有强反射能力的基体上（通常是不锈钢或玻璃镀金属膜）均匀的刻画间距、宽度相等的条纹形成的光金属膜）均匀的刻画间距、宽度相等的条纹形成的光栅叫做反射光栅栅叫做反射光栅光源光源6发出的光经聚光镜发出的光经聚光镜5和场镜和场镜3形成平行光，以一定形成平行光，以一定角度射向指示光栅角度射向指示光栅2，经主光栅，经

12、主光栅1反射形成莫尔条纹，反射形成莫尔条纹，再经反射镜再经反射镜4和物镜和物镜7在光敏元件上成像，形成电信号在光敏元件上成像，形成电信号输出输出l按结构，光栅可分为长光栅按结构，光栅可分为长光栅和圆光栅和圆光栅l光栅传感器测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹光栅传感器测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹现象，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫现象，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从而尔条纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从而实现对几何量的精密测量实现对几何量的精密测量l莫尔条纹的形成原理莫尔条纹的形成原理形成莫尔条纹必须有两块光栅形成

13、莫尔条纹必须有两块光栅：主光栅（作标准器）和指示：主光栅（作标准器）和指示光栅（取信号用）光栅（取信号用）将两块光栅相叠合，并使两者将两块光栅相叠合，并使两者之间保持一个很小的夹角之间保持一个很小的夹角这样就可以在看到在近似垂直这样就可以在看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条栅线方向上出现明暗相间的条纹纹莫尔条纹莫尔条纹l莫尔条纹的特性莫尔条纹的特性运动对应关系运动对应关系当夹角很小时，光栅付中当夹角很小时，光栅付中任一光栅沿垂直于刻线方任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的沿近似垂直于光栅移动的方向运动方向运动位移放大作用位移放大作用因因

14、B=W/，光栅每移动一个栅距莫尔条纹移动，光栅每移动一个栅距莫尔条纹移动1/个栅距。而个栅距。而很小，所以移动被放大，提高很小，所以移动被放大，提高了测量灵敏度了测量灵敏度减小误差减小误差莫尔条纹由大量栅线（常为数百条）共同形成莫尔条纹由大量栅线（常为数百条）共同形成，对光栅刻线，对光栅刻线 误差有平均作误差有平均作 用，个别栅线用，个别栅线 瑕疵和栅距误瑕疵和栅距误 差对莫尔条纹差对莫尔条纹 影响很微小影响很微小l光栅传感器的组成和工作原理光栅传感器的组成和工作原理组成：主要由光源、透镜、节距相等的光栅付及光电组成：主要由光源、透镜、节距相等的光栅付及光电元件组成元件组成工作原理：工作原理：

15、当主光栅相对于指示光栅移动时，透过光栅付的光产当主光栅相对于指示光栅移动时，透过光栅付的光产生明暗相间的变化，光电元件输出相应的电脉冲信号生明暗相间的变化，光电元件输出相应的电脉冲信号每一个明暗明或暗每一个明暗明或暗 明暗的变化，对应于光明暗的变化，对应于光 栅移动了一个栅距栅移动了一个栅距只要记录移动过的莫尔条只要记录移动过的莫尔条 纹数，就可得到光栅的位纹数，就可得到光栅的位 移量移量l辨向原理辨向原理使用单个光电元件接收一个固定点的莫尔条纹信号，使用单个光电元件接收一个固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗变化，不能辨别莫尔条纹的移动方向只能判别明暗变化，不能辨别莫尔条纹的移动方向为了解决这

16、个问题，需要有两个具有相差的莫尔条纹为了解决这个问题，需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入才能辨别移动方向信号同时输入才能辨别移动方向通常在通常在1/4条纹间距（条纹间距（ B=W/）处放置两个光电元件）处放置两个光电元件当光栅沿当光栅沿x方向运动，莫尔方向运动，莫尔条纹沿条纹沿y方向运动方向运动当条纹移动时两个狭缝的当条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全相同，亮度变化规律完全相同，相位相差相位相差1/4周期周期利用两个狭缝的相位差区利用两个狭缝的相位差区分移动方向分移动方向位置辨向位置辨向光敏元件光敏元件AC产生计数信号，光敏元件产生计数信号，光敏元件DC产生产生门控信号门控信号主光栅正

17、向移动，光敏元件主光栅正向移动，光敏元件DE的输出比光敏的输出比光敏元件元件AC的输出提前的输出提前1/4周期周期l细分技术：细分技术：光栅传感器的测量分辨率等于一个栅距光栅传感器的测量分辨率等于一个栅距W为了提高分辨率可以采用细分技术，即为了提高分辨率可以采用细分技术，即在莫尔条纹变化的一个周期内插入在莫尔条纹变化的一个周期内插入n个脉个脉冲，每个脉冲代表冲，每个脉冲代表W/n位移量，从而提位移量，从而提高分辨率高分辨率常用的细分方法有：直接细分法、电阻常用的细分方法有：直接细分法、电阻电桥细分法和电阻链细分法电桥细分法和电阻链细分法l直接细分法直接细分法也称位置细分法，常用的也称位置细分法

18、，常用的细分数为细分数为4根据辨向原理，在莫尔条根据辨向原理，在莫尔条纹间距纹间距1/4处放两个光电元处放两个光电元件件AC、DE，可获得两个相，可获得两个相差差1/4周期的信号周期的信号1、3将将1、3倒向可获得两个反倒向可获得两个反向的信号向的信号2、4，这样就得，这样就得到到4个相差个相差1/4周期的信号周期的信号经微分后得到经微分后得到5、6、7、8这这4个点的正脉冲，送到与个点的正脉冲，送到与非门在非门在9点得到点得到4倍频信号倍频信号，实现，实现4倍细分倍细分由于光电元件安放困难，由于光电元件安放困难，因此细分不能过高因此细分不能过高l电阻电桥细分法，也称矢量和法电阻电桥细分法，也

19、称矢量和法原理是将两个相位不同的交变信号施加在两个相邻的电原理是将两个相位不同的交变信号施加在两个相邻的电桥桥臂上桥桥臂上e1、e2为从光电元件得到的两个相差为从光电元件得到的两个相差1/4周期的莫尔条纹周期的莫尔条纹信号，信号，R1、R2为细分桥臂电阻，为细分桥臂电阻，Rz为负载为负载由于电压合成的移相作用，通过调节由于电压合成的移相作用，通过调节R1、R2 ，可在电桥，可在电桥的输出端得到幅值和相位各不相同的一系列移相信号的输出端得到幅值和相位各不相同的一系列移相信号再用鉴零器进行鉴幅再用鉴零器进行鉴幅 、整形，便可在莫尔、整形，便可在莫尔 条纹一个周期内得到条纹一个周期内得到 多个脉冲信

20、号，从而多个脉冲信号，从而 得到细分的目的得到细分的目的l电阻电桥十细分电路电阻电桥十细分电路l电压合成的移相作用电压合成的移相作用 图中，图中， 灰色和黑色为电阻灰色和黑色为电阻 两端的输入电压，两端的输入电压， 红色为合成电压红色为合成电压l电阻链细分法电阻链细分法也称电阻分割法，原理是使用电阻衰减器进行细也称电阻分割法，原理是使用电阻衰减器进行细分分来自光电元件的信号通过来自光电元件的信号通过R1-R10的等值电阻进行的等值电阻进行分压分压分压后的电压合成信号分压后的电压合成信号 分别触发过零触发电路分别触发过零触发电路 SM1-SM10在在SM1-SM10的输出端得的输出端得 到相位相

21、差到相位相差18的的10倍频倍频 输出信号输出信号l感应同步器是利用两个平面形印刷电路绕组的感应同步器是利用两个平面形印刷电路绕组的互感随二者相对位置变化而变化测量位移的传互感随二者相对位置变化而变化测量位移的传感器感器l根据用途可分为旋转式和直线式两种，前者用根据用途可分为旋转式和直线式两种，前者用来检测旋转角度，后者用来检测直线位移来检测旋转角度，后者用来检测直线位移l测量精度高、受环境影响小、使用寿命长、维测量精度高、受环境影响小、使用寿命长、维护简单，可拼接成各种测量长度并能保持单元护简单，可拼接成各种测量长度并能保持单元精度精度l广泛应用于大中型机床广泛应用于大中型机床l结构：包括固

22、定和运动两部分，定子、转子，定尺、结构：包括固定和运动两部分，定子、转子，定尺、滑尺滑尺定尺、滑尺均由基板、平面绕组和屏蔽层等组成定尺、滑尺均由基板、平面绕组和屏蔽层等组成定尺、滑尺上的绕组均为周期性的矩形绕组定尺、滑尺上的绕组均为周期性的矩形绕组绕组的周期称为节距，通常定尺、滑尺的节距相等绕组的周期称为节距，通常定尺、滑尺的节距相等l工作原理工作原理两个平面矩形绕组相当于变压器的初级和次级两个平面矩形绕组相当于变压器的初级和次级绕组。其中，定尺是平面连续绕组；滑尺为正绕组。其中，定尺是平面连续绕组；滑尺为正弦和余弦两相绕组弦和余弦两相绕组l正弦余弦两部分相正弦余弦两部分相距距(n/2+1/4)Wl感应同步器通过初感应同步器通过初级和次级绕组的互级和次级绕组的互感变化来检测位移感变化来检测位移当滑尺由当滑尺由B右移右移W/4到达到达C时，时，定尺的感应电动势和定尺的感应电动势和A点的大小点的大小相等，极性相反，达到负峰值相等，极性相反，达到负峰值滑尺由滑尺由C右移右移W/4到达到达D时，定时，定尺的感应电动势从负峰值回到零尺的感应电动势从负峰值回到零滑尺由滑尺由D右移右移W/4到达到达E时，定时，定尺的感应电动势和尺的感应电动势和A相同相同l正弦绕组加激励时，