第十章数字式传感器(上)

1、第第10章章 数字式传感器数字式传感器 10.1 光栅传感器光栅传感器 10.2 磁栅传感器磁栅传感器 10.3 感应同步器感应同步器 10.4 角数字编码器角数字编码器 10.5 频率式数字传感器频率式数字传感器 第第10章章 数字式传感器数字式传感器 模拟式传感器模拟式传感器模拟量模拟量 传感器传感器 数字式传感器数字式传感器数字量数字量 数字式传感器的优点：数字式传感器的优点： 测量精度与分辨率高，无读数误差；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；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。易于与微机接口，便

2、于信号处理和实现自动化测控。 数字式传感器分类：数字式传感器分类： 脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编码器；码器； 数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。10.1 光栅传感器光栅传感器 物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等光栅光栅 线位移长光栅线位移长光栅长度测量长度测量 计量光栅：莫尔条纹现象计量光栅：莫尔条纹现象 （透射式和反射式）（透射式和反射式） 角位移圆光栅角位移圆光栅角度测量角度测量10.1 光栅传感器光栅传感器10.1.1光栅传感

3、器的结构和原理光栅传感器的结构和原理10.1.1.1结构：结构： 图图10-1 黑白透射黑白透射式光栅示意图式光栅示意图 10.1 光栅传感器光栅传感器 结构结构: 照明系统：普通白光源，照明系统：普通白光源，GaAs固态光源固态光源等；等； 光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅；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。光电接收元件：光电池或光敏三极管。 光栅：光栅： 刻线宽度刻线宽度a，刻线间距，刻线间距b，通常，通常a=b=W/2；或；或a:b=1.1:0.9； 光栅栅距（或光栅常数）光栅栅距（或光栅常数）W=a+b； 光栅规格：光栅规格：10、25、50、1

4、00线线/mm。10.1 光栅传感器光栅传感器10.1.1.2工作原理工作原理 1莫尔（莫尔（Moire）条纹的形成）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线之间保持很小的夹角 ，由于遮光效应，在近于垂直栅线，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（方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（Moire）条纹。如）条纹。如图图10-2所示。所示。 Moire条纹的间距条纹的间距B为为图图10-2 光栅和横向光栅和横向莫尔条纹莫尔条纹WW222sin2WB（10-1） 10.1 光栅传感

5、器光栅传感器 2. 莫尔（莫尔（Moire）条纹的基本特性）条纹的基本特性 （1）两光栅作相对位移时，其横向）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应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；应关系； （2）光栅副相对移动一个栅距）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间条纹移动一个间距距B，由，由B=W/ 知，知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于对光栅副的位移有放大作用，鉴于此，计量光栅利用此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移；条纹可以测微小位移； （3）Moire条纹的光强是一个

6、区域内许多透光刻线的综合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；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。技术，提高测量分辨率。10.1 光栅传感器光栅传感器10.1.2 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路10.1.2.1 光栅的输出信号光栅的输出信号 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，并将光强转换成电固定位置观测莫尔条纹移

7、动的光强变化，并将光强转换成电信号输出。光电元件输出电压信号输出。光电元件输出电压uo与位移量与位移量x成近似正弦关成近似正弦关系。系。 光电元件输出电压光电元件输出电压uo可表示为可表示为式中，式中，Uav输出信号的平均直流分量；输出信号的平均直流分量；Um输出信号的输出信号的 幅值幅值 ，Um=Uav。(10-2)2cos1 ()22sin(WxUWxUUummavo10.1 光栅传感器光栅传感器 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。所示。图图10-3 光栅输出信号光栅输出信号 （a）光电转换系统示意图（）光电转换系统示

8、意图（b）输出信号波形）输出信号波形10.1 光栅传感器光栅传感器 光栅传感器测位移光栅传感器测位移x的原理：的原理： 当位移量当位移量x变化一个栅距变化一个栅距W时，其输出信号时，其输出信号uo变化一个周变化一个周期，若对输出正弦信号期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉整形成变化一个周期输出一个脉冲，则位移量冲，则位移量x为为 x=NW (10-3)式中，式中，N脉冲数；脉冲数；W光栅栅距。光栅栅距。 输出信号灵敏度：输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为输出电压信号的斜率为(10-4) 由上式可见，当由上式可见，当2 x/W=n ，即，即x=W/2、W、3W/2、时，斜率最

9、大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为为Ku =2 Um/W (10-5)WxWUdxdumo2sin210.1 光栅传感器光栅传感器10.1.2.2 辨向原理辨向原理 计量光栅辨向原理电路如图计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。所示。图图10-4 光栅辨向原理图光栅辨向原理图10.1 光栅传感器光栅传感器 辨向原理：辨向原理： 在相距在相距B/4位置设置两个光电元件位置设置两个光电元件1和和2，得到两个相位差，得到两个相位差 /2的的Moire条纹正弦电压信号条纹正弦电压信号u1和和u2，然后送到辨向电路中，然后送到辨向电路中去处理。正向移动（

10、去处理。正向移动（A）时，）时，Y1输出脉冲，计数器作加法计输出脉冲，计数器作加法计数；反向移动（数；反向移动（ ）时，）时，Y2输出脉冲，计数器作减法计输出脉冲，计数器作减法计数。由此辨向，进行位移的正确测量。数。由此辨向，进行位移的正确测量。 10.1 光栅传感器光栅传感器10.1.2.3 细分技术细分技术 细分技术就是当细分技术就是当Moire条纹变化一个周期时，输出若干个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。计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。 1.机械细分机械细分(位置细分或直接细分位置细分或直接细分) 在一个在一个Moire条纹间距上相距条纹间距上相距B

11、/4依此设置四个光电元件。依此设置四个光电元件。当当Moire条纹变化一个周期时，可以获得依此相差条纹变化一个周期时，可以获得依此相差 /2的四个的四个正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图10-5），实现），实现四细分。四细分。图图10-5 四倍频机械细分法四倍频机械细分法 10.1 光栅传感器光栅传感器 2.电子细分（正、余弦组合技术）电子细分（正、余弦组合技术） 电子细分只需在一个电子细分只需在一个Moire条纹间距上相距条纹间距上相距B/4的位置的位置设置两个光电元件，获得相差设置两个光电元件，获得相差 /2的两个正弦信号的两个正弦信号 u1=

12、Umsin(2 x/W)； u2=Umcos(2 x/W) （10-6） （1）四倍频细分）四倍频细分 由由u1、u2及其各自的反相信号及其各自的反相信号u3、u4，可以获得依此相，可以获得依此相差差 /2的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四细分。细分。10.1 光栅传感器光栅传感器 （2）电阻电桥细分）电阻电桥细分 图图10-6为电阻电桥细分电路，为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（分别为式（10-6）所）所示两光电元件输出的两个示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载条纹电压信号，设电桥负载电阻无穷大，则电桥输出电压电

13、阻无穷大，则电桥输出电压uo为为 (10-7)21211212122211RRuRuRRRRuRRRuuo 电桥平衡条件电桥平衡条件 R2u1+R1u2=0 令令 2 x/W= ，则式（，则式（10-6）改写为）改写为u1=Umsin 和和u2=Umcos ，代入上式，得，代入上式，得 tan = R1/R2 （10-8） R1/R2 x=W /2 =Wtan-1(-R1/R2)/ 2 图图10-6 电阻电桥细分原理电阻电桥细分原理 10.1 光栅传感器光栅传感器 由于由于R1/R2与位移与位移x有严格的对应关系，用电桥平衡信号有严格的对应关系，用电桥平衡信号（uo=0）去触发施密特电路，便发

14、出脉冲计数信号。从式）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，）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是，如果同时用如果同时用u1、u2的反向信号，便可在四个象限中得到任意的反向信号，便可在四个象限中得到任意的细分组合。图的细分组合。图10-7就是这种电阻电桥就是这种电阻电桥10细分电路的例子。细分电路的例子。 图图10-7 电阻电桥电阻电桥10细分电路细分电路10.1 光栅传感器光栅传感器 （3）电阻链细分法）电阻链细分法 电阻链细分实质上也是电桥电阻链细分实质上也是电桥细分，只是结构形式不同而已。细分，只是结构形式不同而已。如图如

15、图10-8所示，对任一输出电所示，对任一输出电压为零时，有如下关系压为零时，有如下关系10-8 电阻链细分电路电阻链细分电路 nxxxxRRRRRRtan1121（10-9） 10.2 磁栅传感器磁栅传感器10.1.3零位光栅和绝对零位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。 零位光栅确定系统的绝对零位。零位光栅是在标尺光栅和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

16、刻制的，最简单的零位光栅刻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。线是一条单独刻制的透光亮线。 圆光栅圆光栅传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测量。量。10.2 磁栅传感器磁栅传感器10.1.4光栅传感器的应用光栅传感器的应用 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

17、工件和工模具形状的二维和三测量、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。是透射长光栅传感器结构示意图。图图10-13 透射长光栅传感器透射长光栅传感器10.2 磁栅传感器磁栅传感器10.2.1磁栅传感器的结构和工作原理磁栅传感器的结构和工作原理 结构：结构：磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电路等组成，如图路等组成，如图10-14所示。所示。图图10-14 磁栅传感器磁栅传感器示意图示意图10.2 磁栅传感器磁栅传感器 磁信号节距磁信号节距

18、 ： 长磁栅，长磁栅， =0.05mm，0.02mm两种；磁栅条数在两种；磁栅条数在10030000之间。之间。 磁头：磁头： 动态磁头，非调制性磁头或速度响应式磁头；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。静态磁头，磁通响应式磁头或调制式磁头。10.2 磁栅传感器磁栅传感器 原理：原理： 动态磁头动态磁头与磁栅间以一定速度相对移动时，磁头线圈输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。结构原理如图图10-16所示。所示。图图10-16 动态磁头结构与读出信号动态

19、磁头结构与读出信号10.2 磁栅传感器磁栅传感器 静态磁头静态磁头为多间隙磁头，磁芯上具有两个绕组（激磁绕组为多间隙磁头，磁芯上具有两个绕组（激磁绕组N2和输出绕和输出绕组组N1），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），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。所示。图图10-17 静态磁头结构静态磁头结构10.2 磁栅传感器磁栅传感器10.2 磁栅传感器磁栅传感器 静态磁头静态磁头的工作原理如图的工作原理如图10-18所示。激磁绕

20、组相当于所示。激磁绕组相当于一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的 和和Rm随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻Rm在磁芯中的作用相当于一个在磁芯中的作用相当于一个“磁开关磁开关”，对磁尺产生，对磁尺产生的的磁通起磁通起“导通导通”和和“阻断阻断”作用，从而引起输出绕组的磁作用，从而引起输出绕组的磁芯回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有两次磁通变化，感应电动势频率是

21、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。倍，幅值与磁尺所产生的磁通量大小成比例。10.2 磁栅传感器磁栅传感器图图10-18 静态磁头磁栅传感器工作原理图静态磁头磁栅传感器工作原理图10.2 磁栅传感器磁栅传感器10.2.2磁栅传感器测量系统磁栅传感器测量系统 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，如图的磁信号，如图10-14所示。双磁头间隔所示。双磁头间隔 /4安置，则两磁头安置，则两磁头的磁信号相位差的磁信号相位差 /4，输出绕组输出相位差，输出绕组输出相位差 /2的两正弦信号的两正弦信号 (10-14

22、)式中，式中， 磁尺磁信号的空间波长；磁尺磁信号的空间波长；x磁头在一个波长磁头在一个波长 内内的位置状态；的位置状态； 输出信号的频率，输出信号的频率， =2 f（激励信号频率（激励信号频率为为f /2）；）；EO1、EO2两输出信号的幅值，通过调整，可使两输出信号的幅值，通过调整，可使EO1=EO2=EO。tsinxcosEe; tsinxsinEeOoOo22221110.2 磁栅传感器磁栅传感器 若采用鉴幅方式，则先经检波去掉高频载波，得若采用鉴幅方式，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。再送相关电路进行细分、辨向后输出。xEexEeOoOo2

23、cos;2sin2110.2 磁栅传感器磁栅传感器 若采用鉴相方式，用两个相差若采用鉴相方式，用两个相差 /4的激磁信号激励，则输的激磁信号激励，则输出信号为出信号为 (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这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化而变化的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。tsinxcosEe; tcosxsinEeOoOo2221xtsinEeoo210.2 磁栅传感器磁栅传感器10.2.3磁栅传感器的特点

24、和误差分析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磁栅传感器录制的磁信号的空间波长 稍大于计量光栅稍大于计量光栅的栅距的栅距W； 零磁栅录制比零位光栅刻线简单；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；存在零位误差和细分误差； 系统总误差在系统总误差在0.01 m以内；以内； 分辨力为分辨力为15 m.。10.3 感应同步器感应同步器 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随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，并且能测器，其输出是数字量，测量精度高，

25、并且能测1m以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。10.3 感应同步器感应同步器10.3.1感应同步器的结构和工作原理感应同步器的结构和工作原理 结构：结构： 直线式直线式:滑尺滑尺（平面分段绕组，正、余弦绕（平面分段绕组，正、余弦绕 组）和组）和定尺定尺（平面连续绕组）（平面连续绕组）感应同步器感应同步器 旋转式旋转式(圆盘式圆盘式)：转子转子（平面连续绕组）和（平面连续绕组）和 定子定子（平面分段绕组，正、余弦组）（平面分段绕组，正、余弦组） 感应同步器的感应同步器的连续绕组连续绕组和和分段绕组分段绕组相当于变压器的相当于变压器的原边绕原边绕组组和和副

26、边绕组副边绕组，利用交变电磁场和互感原理工作。，利用交变电磁场和互感原理工作。10.3 感应同步器感应同步器 图图10-19 直线式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图 图图10-20 圆感应同步器示意图圆感应同步器示意图10.3 感应同步器感应同步器 原理：原理： 图图10-21画出一个简化了的直线式感应同步器结构，用来画出一个简化了的直线式感应同步器结构，用来定性地说明它的输出感应电动势与相对位置之间的关系。定性地说明它的输出感应电动势与相对位置之间的关系。 图图10-21 感应同步器的相对位置与输出感应电动势的关系感应同步器的相对位置与输出感应电动势的关系 S正弦绕组；正弦绕组；C余弦

27、绕组；余弦绕组；(f)感应电势与位移关系曲线感应电势与位移关系曲线10.3 感应同步器感应同步器 如图（如图（10-21），在滑尺的余弦绕组加上激励电压。由于），在滑尺的余弦绕组加上激励电压。由于绕组导片的长度远大于其端部，导片的长度与气隙之比又远绕组导片的长度远大于其端部，导片的长度与气隙之比又远大于大于1，因此，为了简化，可以略去定、滑尺绕组的端部影，因此，为了简化，可以略去定、滑尺绕组的端部影响，并将导片视为无限长导线。为了进一步简化，把激励的响，并将导片视为无限长导线。为了进一步简化，把激励的正弦电压看成带正、负号的正弦电压看成带正、负号的“直流直流”持续增长情况。设其相持续增长情况。

28、设其相应应的激励电流方向如图中所示。的激励电流方向如图中所示。 图图10-21(a)所示，余弦绕组中的电流在定尺绕组中感应的所示，余弦绕组中的电流在定尺绕组中感应的电动势之和为零。这个位置称为感应同步器的零位置。电动势之和为零。这个位置称为感应同步器的零位置。 当滑尺向右移动一段距离当滑尺向右移动一段距离(W8)，如图，如图10-21(b)的位置的位置时，保持激励电压不变，如图所示，余弦绕组左侧导片在定时，保持激励电压不变，如图所示，余弦绕组左侧导片在定尺绕组中感应的电动势比右侧导片所感应的大，定尺绕组中尺绕组中感应的电动势比右侧导片所感应的大，定尺绕组中感应电动势的总和就不再为零，它的感应电

29、流的方向如图中感应电动势的总和就不再为零，它的感应电流的方向如图中所示。所示。10.3 感应同步器感应同步器 可以得出，定尺的感应电动势随着滑尺的右移而增大，在可以得出，定尺的感应电动势随着滑尺的右移而增大，在向右移动向右移动W4位置时位置时(图图10-21(c)，达到最大值。，达到最大值。 滑尺继续向右移动，定尺的感应电动势又逐渐减小。当移滑尺继续向右移动，定尺的感应电动势又逐渐减小。当移过过W2位置位置(图图10-21(d)时又回复到零。滑尺再继续向右时又回复到零。滑尺再继续向右移，定尺绕组中又开始有感应电动势输出，但是电动势的极移，定尺绕组中又开始有感应电动势输出，但是电动势的极性改变了

30、。在滑尺右移性改变了。在滑尺右移3W4位置图位置图(10-21(e)时，定尺绕组时，定尺绕组中的感应电动势达到负的最大值。中的感应电动势达到负的最大值。 滑尺继续向右移动，定尺中的感应电动势会逐渐减小。当滑尺继续向右移动，定尺中的感应电动势会逐渐减小。当移过距离移过距离W时，回复到图时，回复到图10-21(a)的位置状态，定尺绕组中的位置状态，定尺绕组中的感应电动势也回复到开始时的零态。只是相对位置右移了的感应电动势也回复到开始时的零态。只是相对位置右移了一个周期一个周期W。再继续移动将重复以上过程。再继续移动将重复以上过程。10.3 感应同步器感应同步器 可见，当滑尺绕组上加上激励电压时，定

31、尺输出感应电动可见，当滑尺绕组上加上激励电压时，定尺输出感应电动势是滑尺与定尺相对位置的正弦函数，如图势是滑尺与定尺相对位置的正弦函数，如图10-21(f)所示，所示，可以写成可以写成 （10-18）式中，式中， =2 x/W，是位移所形成的正弦电压的相位角。，是位移所形成的正弦电压的相位角。 同理，如果滑尺正弦绕组加上与余弦绕组相同的激励电同理，如果滑尺正弦绕组加上与余弦绕组相同的激励电流，则由于正、余弦绕组在空间位置上相差流，则由于正、余弦绕组在空间位置上相差 /2的相位角的相位角(即即空间位置相差空间位置相差W/4)，在同样移动情况下，将会在定尺绕组，在同样移动情况下，将会在定尺绕组中产

32、生相同的感应电动势，只不过相位差中产生相同的感应电动势，只不过相位差 /2而已。为后面而已。为后面讨论方便，可以将正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别讨论方便，可以将正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别写成写成 （10-19）sinExWsinEemm2cosEesinEemcms10.3 感应同步器感应同步器10.3.2 信号处理方式信号处理方式 1.鉴相法鉴相法 如果滑尺的正、余弦绕组中的激励电压不是前面简化假设如果滑尺的正、余弦绕组中的激励电压不是前面简化假设的的“直流直流”情况，而是交流激励电压，则在定尺中的感应电情况，而是交流激励电压，则在定尺中的感应电动动势势es和和ec将不再是幅

33、值将不再是幅值Em恒定、与相对位移成正、余弦关恒定、与相对位移成正、余弦关系，而是幅值交变的正、余弦关系。系，而是幅值交变的正、余弦关系。 实际应用时，在滑尺的正、余弦绕组上供给频率相同、相实际应用时，在滑尺的正、余弦绕组上供给频率相同、相位差位差 /2的交流激励电压，即的交流激励电压，即 正弦绕组激磁电压正弦绕组激磁电压 us=Umsin t 余弦绕组激磁电压余弦绕组激磁电压 uc=Umcos t （10-20）式中，式中，Um激磁电压幅值。激磁电压幅值。10.3 感应同步器感应同步器 由于定尺和滑尺都是平面绕圈，这种由于定尺和滑尺都是平面绕圈，这种“线圈线圈”又是由导体又是由导体往往复曲折

34、构成的复曲折构成的“匝匝”，它并不是平面螺线，更不是柱形螺管，它并不是平面螺线，更不是柱形螺管，所以感抗所以感抗L是非常小的，可以略去是非常小的，可以略去L而只考虑其电阻而只考虑其电阻R，于是，于是上列两激励电压在各自的线圈中产生的电流是上列两激励电压在各自的线圈中产生的电流是 (10-21)这种激励电流在定尺中所感应出的电动势分别为这种激励电流在定尺中所感应出的电动势分别为(e= kdi/dt) (10-22)式中，式中，ks和和kc分别为正、余弦绕组与定尺绕组间的耦合系数分别为正、余弦绕组与定尺绕组间的耦合系数tcosRURuitsinRURuimccmsscostsinUkesintco

35、sUkemccmss10.3 感应同步器感应同步器 定尺绕组中感应电动势为滑尺的正、余弦绕组共同产生定尺绕组中感应电动势为滑尺的正、余弦绕组共同产生的，为的，为当当ks=kc=k时，上式可以写成时，上式可以写成 (10-23) 上式表明定尺绕组中的感应电动势上式表明定尺绕组中的感应电动势eo的相位是感应同步器的相位是感应同步器相对位置相对位置 角角(或位置或位置x)的函数，位移每经过一个节距的函数，位移每经过一个节距W，感，感应电动势应电动势eo则变化一个周期则变化一个周期(2 )。检测。检测eo的相位，就可以确的相位，就可以确定感应同步器的相对位置。因此，这种方法称为定感应同步器的相对位置。

36、因此，这种方法称为鉴相法鉴相法。sintcosUkcostsinUkeeemsmcscotsinEtsinkUemmo10.3 感应同步器感应同步器 2鉴幅法鉴幅法 如果滑尺绕组的激励电压分别为如果滑尺绕组的激励电压分别为 正弦绕组正弦绕组 us=Umcos cos t 余弦绕组余弦绕组 uc=Umsin cos t则在定尺绕组中产生的感应电动势的总和为则在定尺绕组中产生的感应电动势的总和为 eo= ec+es=kUmsin tsin coskUm sin tcos sin = kUmsin()sin t = Emsin()sin t (10-24)式式(10-24)表明，激励电压的电相角表明

37、，激励电压的电相角 值与感应同步器的相对值与感应同步器的相对位置位置 角有对应关系。调整激励电压的角有对应关系。调整激励电压的 值，使输出感应电动值，使输出感应电动势势eo的幅值为零，此时，激励电压的的幅值为零，此时，激励电压的 值就反映了感应同步值就反映了感应同步器的相对位置器的相对位置 。通过检测感应电动势的幅值来测量位置状。通过检测感应电动势的幅值来测量位置状态或位移的方法称为态或位移的方法称为鉴幅法鉴幅法。10.3 感应同步器感应同步器 在这种情况下，利用专门的鉴幅电路，检查在这种情况下，利用专门的鉴幅电路，检查eo的幅值是否的幅值是否等于零。若不等于零，则判断等于零。若不等于零，则判

38、断()0或是或是()0，通过对，通过对 的自动调整，使达到的自动调整，使达到()=0。最后测出稳定后的。最后测出稳定后的 值，它值，它就是就是 值。由于值。由于 = =2 xW，所以，所以 (10-25)这就是鉴幅法测位移这就是鉴幅法测位移x的原理。的原理。 若设在初始状态时若设在初始状态时 = ，则，则e=0。然后滑尺相对定尺存在。然后滑尺相对定尺存在一位移一位移 x，使，使 + ，则感应电动势增量为，则感应电动势增量为 （10-26） 由此可见，在位移增量由此可见，在位移增量 x较小时，感应电动势增量较小时，感应电动势增量 e的幅的幅值与值与 x成正比，通过鉴别成正比，通过鉴别 e的幅值，

39、就可以测出的幅值，就可以测出 x的大小的大小.2WxtsinW/xkUtsinsinkUemm210.3 感应同步器感应同步器 实际中设计了这样一个电路系统，每当位移实际中设计了这样一个电路系统，每当位移 x超过一定超过一定值值(例如例如0.0lmm)，就使，就使 e的幅值超过某一预先调定的门槛的幅值超过某一预先调定的门槛电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动改变激励电电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动改变激励电压幅值，使新的压幅值，使新的 跟上新的跟上新的 。这样继续下去，便把位移量。这样继续下去，便把位移量转换成数字量，从而实现了对位移的数字测量。转换成数字量，从而实现了对位移的数

40、字测量。 10.3 感应同步器感应同步器10.3.3 直线式感应同步器的接长与定尺激励方式直线式感应同步器的接长与定尺激励方式 标准型直线式感应同步器定尺的规定长度为标准型直线式感应同步器定尺的规定长度为250mm，单块，单块使用时有效长度为使用时有效长度为180mm左右。因此，当测量长度超过左右。因此，当测量长度超过180mm时，需要用两块以上的定尺接长使用。时，需要用两块以上的定尺接长使用。 定尺接长后输出电动势会减弱。这是因为接长后感应同步定尺接长后输出电动势会减弱。这是因为接长后感应同步器输出阻抗增大所造成的。为此，当测量长度超过一定值器输出阻抗增大所造成的。为此，当测量长度超过一定值

41、时，需要对定尺采取串、并联组合的方法来改善信号条件。时，需要对定尺采取串、并联组合的方法来改善信号条件。 3m以下的接长，采用定尺绕组串联接线方式；以下的接长，采用定尺绕组串联接线方式； 3m以上的大行程接长，往往采用分段串联后再并联的以上的大行程接长，往往采用分段串联后再并联的接线方式。接线方式。 定尺接长时，在接缝区因为磁路的变化将出现误差跳动的定尺接长时，在接缝区因为磁路的变化将出现误差跳动的现象。目前我国已能生产长度为现象。目前我国已能生产长度为lm，精确度达，精确度达 1.5 m的定的定尺，这将有助于改进直线式感应同步器的接长工作。尺，这将有助于改进直线式感应同步器的接长工作。10.

42、3 感应同步器感应同步器 为了改善滑尺激励的缺点，为了改善滑尺激励的缺点，20世纪世纪70年代中期出现了定年代中期出现了定尺激励技术。定尺激励工作方式是在定尺绕组输人一个激尺激励技术。定尺激励工作方式是在定尺绕组输人一个激励信号，如励信号，如Umcos t，滑尺绕组中就分别输出两个幅值与，滑尺绕组中就分别输出两个幅值与感应同步器位置状态感应同步器位置状态 有关的相位差有关的相位差 /2的信号的信号 es=kUmsin sin t， ec=kUmcos sin t （10-27）通过相应的电路处理，就可以测出感应同步器的位置状态通过相应的电路处理，就可以测出感应同步器的位置状态 的值，进而确定位

43、置的值，进而确定位置x。10.3 感应同步器感应同步器 定尺激励工作方式的优点：定尺激励工作方式的优点： (1)因激励信号的负载是一个恒定负载因激励信号的负载是一个恒定负载定尺，它不需要像滑尺激励方定尺，它不需要像滑尺激励方式那样改变有关参数，电路中没有开关元件，因此，可以有效地加强激式那样改变有关参数，电路中没有开关元件，因此，可以有效地加强激励，提高输出信号电平。励，提高输出信号电平。 (2)在系统中，定尺是处于强信号电平下，滑尺是处于弱信号电平下。在系统中，定尺是处于强信号电平下，滑尺是处于弱信号电平下。因此，定尺激励改善了信号通道的信噪比，提高了抗干扰能力。因此，定尺激励改善了信号通道

44、的信噪比，提高了抗干扰能力。 (3)在感应同步器的制作中，不可能保证滑尺两个绕组的空间位置完全在感应同步器的制作中，不可能保证滑尺两个绕组的空间位置完全正交正交 (相差相差W/4间隔间隔)，因而也就引人了一定的测量误差。这种误差在滑，因而也就引人了一定的测量误差。这种误差在滑尺激励方式中是无法弥补的。但是，在定尺激励方式下，因为它的处理尺激励方式中是无法弥补的。但是，在定尺激励方式下，因为它的处理电路在感应同步器的后面，因此可以对这种误差加以校正。因而有利于电路在感应同步器的后面，因此可以对这种误差加以校正。因而有利于提高细分，实现高精度测量。提高细分，实现高精度测量。 (4)在对正、余弦函数信号的处理中不涉及功率，因此，有利于提高电在对正、余弦函数信号的处理中不涉及功率，因此，有利于提高电路工作的稳定性和可靠性。路工作的稳定性和可靠性。 10.3 感应同步器感应同步器10.3.4 感应同步器的绝对坐标测量系统感应同步器的绝对坐标测量系统 感应同步器作为感应同步器作为位移测量位移测量传感器，当位移量在一个节距传感器，当位移量在一个节距W内时，它是一个闭环的跟踪系统，亦即内时，它是一个闭环的跟踪系统，亦即 必须等于必须等于 ，或者接，或者接近于近于 ，系统才处于稳定状态，因而具