第4章数字式传感器

1、传感器与检测技术传感器与检测技术（第（第2 2版）版）电子工业出版社电子工业出版社传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）第第4 4章章 数字式传感器数字式传感器 u内容提要及学习要求：内容提要及学习要求：随着微型计算机的迅速发展及其在工业上的应用，对信号的检测、控制和处理必然进入数字化阶段。原来利用模拟式传感器和A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，然后由微机和其他数字设备处理，虽然是一种简便和可行的方法，但由于A/D转换器的转换精度受到参考电压精度的限制而不可能很高，系统的总精度也将受到限制。如果有一种传感器能直接输出数字量，那么，上述的精度问题就可望得到解决，这种传感器就是数字

2、式传感器。数字式传感器是一种能把被测模拟量直接转换成数字量的输出装置，它具有检测精度高，寿命长，抗干扰能力强，使用方便等优点。目前，常用的数字式传感器有栅式数字式传感器、编码器和感应同步器式数字传感器等，栅式数字传感器根据工作原理的不同又分为光栅和磁栅两种。传感器与检测技术传感器与检测技术（第（第2 2版）版）传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）4.1 4.1 光栅数字式传感器光栅数字式传感器光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列成的光电器件。排列成的光电器件。2020世纪世纪5050年代，人们利用光栅莫尔条纹现年

3、代，人们利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。由象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。由于光栅具有结构原理简单，计量精度高等优点，在国内外受到于光栅具有结构原理简单，计量精度高等优点，在国内外受到重视和推广。近年来我国设计、制造了很多形状的光栅传感器，重视和推广。近年来我国设计、制造了很多形状的光栅传感器，成功地将其作为数控机床的位置检测元件，并用于高精度机床成功地将其作为数控机床的位置检测元件，并用于高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动等方面的测量。和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动等方面的测量。传感器与检测技术（第传感器

4、与检测技术（第2版）版）u4.1.1 4.1.1 光栅的分类光栅的分类光栅按其原理和用途不同，可分为物理光栅和计量光栅。光栅按其原理和用途不同，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波波长等的测量。计量光栅主要利用光的透射和反射现象，测波波长等的测量。计量光栅主要利用光的透射和反射现象，测量长度、角度、速度、加速度和振动等物理量，在很高的分辨量长度、角度、速度、加速度和振动等物理量，在很高的分辨率，可达率，可达0.10.1 m m，另外，计量光栅脉冲读数可高达每毫秒几百次，另外，计量光栅脉冲读数可高

5、达每毫秒几百次，非常适用于动态测量。非常适用于动态测量。图4.1 透射长光栅示意图传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）计量光栅按其形状和用途可分为长光栅和圆光栅两类，如图计量光栅按其形状和用途可分为长光栅和圆光栅两类，如图4.14.1和图和图4.24.2所示，前者用于测量长度，后者可测量角度（也可所示，前者用于测量长度，后者可测量角度（也可测量长度）。圆光栅又有两种，一种是径向光栅，其栅线的延测量长度）。圆光栅又有两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过圆心，如图长线全部通过圆心，如图4.34.3（a a）所示；另一种是切向光栅，）所示；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个同心

6、圆相切，如图其全部栅线与一个同心圆相切，如图4.34.3（b b）所示，此小圆的）所示，此小圆的直径很小，只有零点几毫米或几个毫米。直径很小，只有零点几毫米或几个毫米。图4.2 透射圆光栅示意图传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）根据光线的走向，光栅又可分为透射光栅和反射光栅。透根据光线的走向，光栅又可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，主光栅常用工业白玻璃，指射光栅的栅线刻制在透明材料上，主光栅常用工业白玻璃，指示光栅最好用光学玻璃。反射光栅其栅线刻制在具有强反射能示光栅最好用光学玻璃。反射光栅其栅线刻制在具有强反射能力的金属（如不锈钢）上或玻璃所镀金属膜（

7、如铝膜）上。力的金属（如不锈钢）上或玻璃所镀金属膜（如铝膜）上。图4.3 圆光栅刻线方向传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）根据栅线的形式不同，光栅又可分为黑白光栅（也称幅值根据栅线的形式不同，光栅又可分为黑白光栅（也称幅值光栅）和闪耀光栅（也称相位光栅）。长光栅中有黑白光栅，光栅）和闪耀光栅（也称相位光栅）。长光栅中有黑白光栅，也有闪耀光栅，而且两者都有透射和反射的。而圆光栅一般只也有闪耀光栅，而且两者都有透射和反射的。而圆光栅一般只有黑白光栅，主要是透射光栅。黑白光栅是利用照相机复制工有黑白光栅，主要是透射光栅。黑白光栅是利用照相机复制工艺加工成栅线与缝隙为黑白相间结构，如图

8、艺加工成栅线与缝隙为黑白相间结构，如图4.14.1（b b）中的栅线）中的栅线放大图所示。图中放大图所示。图中a a为栅线宽度，为栅线宽度，b b为栅线缝隙宽度，相邻两栅为栅线缝隙宽度，相邻两栅线间的距离为线间的距离为 ，称光栅常数（或称为光栅栅距）。栅线，称光栅常数（或称为光栅栅距）。栅线密度密度 一般为一般为2525250250线线/mm/mm。闪耀光栅的横断面呈锯齿状，常用刻划工艺加工，其栅线闪耀光栅的横断面呈锯齿状，常用刻划工艺加工，其栅线形状如图形状如图4.44.4所示，图中所示，图中W W为光栅常数，栅线形状有对称型和非为光栅常数，栅线形状有对称型和非对称型。闪耀透射光栅直接在玻璃

9、上刻划而成，而闪耀反射光对称型。闪耀透射光栅直接在玻璃上刻划而成，而闪耀反射光栅则刻划在玻璃的金属膜上或者进行复制。其栅线密度一般为栅则刻划在玻璃的金属膜上或者进行复制。其栅线密度一般为15015024002400线线/mm/mm。baW传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） u4.1.2 4.1.2 光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件所组成，光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件所组成，如图如图4.54.5所示。图中光源所示。图中光源1 1和透镜和透镜2 2构成了照明系统；主光栅构成了照明系统；主光栅3 3（又叫标尺

10、光栅）和指示光栅（又叫标尺光栅）和指示光栅4 4构成光栅副；构成光栅副；5 5为光电接收元件；为光电接收元件；其中光栅副是光栅传感器中的主要元件。光栅传感器常用的光其中光栅副是光栅传感器中的主要元件。光栅传感器常用的光栅副主要有长光栅副和圆盘光栅副。栅副主要有长光栅副和圆盘光栅副。图4.4 反射式光栅线纹形状传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）图4.5 透射光栅传感器光路传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u1 1长光栅副长光栅副长光栅副是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗长光栅副是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、刻度相等的刻线，如图相间、刻度相

11、等的刻线，如图4.14.1（b b）所示。把光栅常数相等）所示。把光栅常数相等的主光栅和指示光栅（一般主光栅的刻线比指示光栅长）叠合的主光栅和指示光栅（一般主光栅的刻线比指示光栅长）叠合在一起，如图在一起，如图4.14.1（a a）所示，中间留有很小的间隙，并使两者）所示，中间留有很小的间隙，并使两者栅线之间保持很小夹角栅线之间保持很小夹角 ，于是在近似于垂直栅线方向出现明，于是在近似于垂直栅线方向出现明暗相间的条纹，即在暗相间的条纹，即在a a- -a a线上形成亮带；在线上形成亮带；在b b- -b b线上形成暗带，线上形成暗带，这种明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹，如图这种明暗相间的条纹，

12、称之为莫尔条纹，如图4.64.6（a a）所示。）所示。图4.6 莫尔条纹形成原理示意图传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）如果改变如果改变 角，两条莫尔条纹间的距离角，两条莫尔条纹间的距离B B也随之变化。由图也随之变化。由图4.64.6（b b）可知，条纹间距）可知，条纹间距B B的大小为：的大小为： （4-14-1）莫尔条纹的方向与光栅的移动方向只相差莫尔条纹的方向与光栅的移动方向只相差 /2/2，即近似于，即近似于与栅线方向垂直，故此莫尔条纹又称横向莫尔条纹。从式（与栅线方向垂直，故此莫尔条纹又称横向莫尔条纹。从式（4-14-1）可以明显地看出莫尔条纹有如下重要特性：可以

13、明显地看出莫尔条纹有如下重要特性：22sin22WWWB传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u（1 1）平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，）平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅栅线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消对光栅栅线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除刻线周期误差对测量精度的影响。除刻线周期误差对测量精度的影响。u（2 2）放大作用。由于）放大作用。由于 角很小，从式（角很小，从式（4-14-1）可明显看出光）可明显看出光栅有放大作用，放大系数为：栅有放大作用，放大系数为：u （4-24-2）u 栅距栅距W W 是很小的，很

14、难观察，而莫尔条纹却清晰可见。是很小的，很难观察，而莫尔条纹却清晰可见。u（3 3）对应关系。两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫）对应关系。两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向（确切地说，沿栅线夹角尔条纹沿栅线方向（确切地说，沿栅线夹角 的平分线方向）的平分线方向）移动。两光栅相对移动一栅距移动。两光栅相对移动一栅距W W，莫尔条纹移动一个条纹间距，莫尔条纹移动一个条纹间距B B。当光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。利用这种严格。当光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。利用这种严格的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹数目，就可以的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹

15、数目，就可以计算出小于光栅栅距的微小位移量。计算出小于光栅栅距的微小位移量。1WBX传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u2 2圆光栅副圆光栅副u圆光栅副的形式是多种多样的，其莫尔条纹也有许多形式，圆光栅副的形式是多种多样的，其莫尔条纹也有许多形式，但在计量光栅中主要有切线圆光栅副和径向圆光栅副两种。但在计量光栅中主要有切线圆光栅副和径向圆光栅副两种。u将两块栅线数相同、切线圆半径均为的切向圆光栅同心放置将两块栅线数相同、切线圆半径均为的切向圆光栅同心放置时，就构成了切线圆光栅副，这时形成的莫尔条纹是以光栅时，就构成了切线圆光栅副，这时形成的莫尔条纹是以光栅中心为圆心的同心圆簇，

16、称为环形莫尔条纹，如图中心为圆心的同心圆簇，称为环形莫尔条纹，如图4.74.7所示。所示。其条纹间距为：其条纹间距为： （4-34-3）rWRB2传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）将两块栅线数相同的径向圆光栅偏心放置时，两光栅的各将两块栅线数相同的径向圆光栅偏心放置时，两光栅的各个部分栅线的夹角个部分栅线的夹角 不同，于是就构成了径向圆光栅副。这时不同，于是就构成了径向圆光栅副。这时形成的莫尔条纹是呈不同曲率半径的圆弧形，称为圆弧形莫尔形成的莫尔条纹是呈不同曲率半径的圆弧形，称为圆弧形莫尔条纹，如图条纹，如图4.84.8所示。其特征为：条纹簇的圆心位于两光栅中心所示。其特征为：

17、条纹簇的圆心位于两光栅中心连线的垂直平分线上，而且全部圆条纹均通过两光栅的中心。连线的垂直平分线上，而且全部圆条纹均通过两光栅的中心。这种莫尔条纹其间距不是定值，而是随着条纹位置的不同而不这种莫尔条纹其间距不是定值，而是随着条纹位置的不同而不同。在垂直偏心方向上的条纹近似垂直于栅线，称其为横向莫同。在垂直偏心方向上的条纹近似垂直于栅线，称其为横向莫尔条纹。沿着偏心方向的近似平行于栅线，相应地称其为纵向尔条纹。沿着偏心方向的近似平行于栅线，相应地称其为纵向莫尔条纹。在实际使用中，这种圆光栅常用其横向莫尔条纹。莫尔条纹。在实际使用中，这种圆光栅常用其横向莫尔条纹。传感器与检测技术（第传感器与检测技

18、术（第2版）版）u4.1.3 4.1.3 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路如前所述，光栅传感器除了光栅副外，还必须有形成莫尔如前所述，光栅传感器除了光栅副外，还必须有形成莫尔条纹的光路、接收莫尔条纹的光电转换系统以及辨向和细分等条纹的光路、接收莫尔条纹的光电转换系统以及辨向和细分等信号处理系统。信号处理系统。u1 1光栅传感器的常用光路光栅传感器的常用光路用于光栅传感器形成莫尔条纹的光路主要有垂直透射式、用于光栅传感器形成莫尔条纹的光路主要有垂直透射式、透射分光式、反射式和镜像式等。透射分光式、反射式和镜像式等。图4.7 环形莫尔条纹 图4.8 圆弧形莫尔条纹 传感器与检测技术（第传感

19、器与检测技术（第2版）版）u（1 1）垂直透射式光路。如图）垂直透射式光路。如图4.54.5所示，光源所示，光源1 1发出的光线经发出的光线经准直透镜准直透镜2 2后成为平行光束，垂直投射到光栅上，由主光栅后成为平行光束，垂直投射到光栅上，由主光栅3 3和和指示光栅指示光栅4 4形成的莫尔条纹信号直接由光电元件形成的莫尔条纹信号直接由光电元件5 5接收。这种光接收。这种光路适用于粗栅距的黑白透射光栅，其特点是结构简单，位置紧路适用于粗栅距的黑白透射光栅，其特点是结构简单，位置紧凑，调整使用方便，是目前应用比较广泛的一种。凑，调整使用方便，是目前应用比较广泛的一种。u（2 2）透射分光式光路。如

20、图）透射分光式光路。如图4.94.9所示，从光源所示，从光源1 1发出的光经发出的光经准直透镜准直透镜2 2变为平行光，并以一定角度射向光栅，经过主光栅变为平行光，并以一定角度射向光栅，经过主光栅3 3和指示光栅和指示光栅4 4衍射后，有不同等级的衍射光射出，经透镜衍射后，有不同等级的衍射光射出，经透镜5 5聚焦，聚焦，由光电元件由光电元件7 7接收到一定衍射光的莫尔条纹信号。光阑接收到一定衍射光的莫尔条纹信号。光阑6 6的作用的作用是选取一定宽度的衍射光带使光电元件有较大的输出信号。这是选取一定宽度的衍射光带使光电元件有较大的输出信号。这种光路只适用于细栅距衍射光栅。种光路只适用于细栅距衍射

21、光栅。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u（3 3）反射式光路。如图）反射式光路。如图4.104.10所示，光源所示，光源6 6经聚焦透镜经聚焦透镜5 5和场和场镜镜3 3后成为平行光束，以一定角度射向指示光栅后成为平行光束，以一定角度射向指示光栅2 2，经反射式主，经反射式主光栅光栅1 1反射后形成莫尔条纹，经反光镜反射后形成莫尔条纹，经反光镜4 4和物镜和物镜7 7成像在光电元件成像在光电元件8 8上。这种光栅适用于黑白反射光栅。上。这种光栅适用于黑白反射光栅。图4.9 透射分光式光路1光源；2准直透镜；3主光栅；4指示光栅；5透镜；6光阑；7光电元件传感器与检测技术（第传

22、感器与检测技术（第2版）版）u（4 4）镜像式光路。如图）镜像式光路。如图4.114.11所示，它不设指示光栅，光源所示，它不设指示光栅，光源l l发出的光线经半透半反射镜发出的光线经半透半反射镜2 2和聚光镜和聚光镜3 3后成为平行光束，照射后成为平行光束，照射到主光栅到主光栅4 4上，光栅上的栅线经物镜上，光栅上的栅线经物镜5 5和反射镜和反射镜6 6又成像在主光栅又成像在主光栅上形成莫尔条纹，然后经半透半反射镜上形成莫尔条纹，然后经半透半反射镜2 2反射后，由光电元件反射后，由光电元件7 7接收。这种光路不存在光栅间隙问题。同时，光学系统保证了接收。这种光路不存在光栅间隙问题。同时，光学

23、系统保证了光栅和光栅像按相反方向移动，因此光栅移过半个栅距，莫尔光栅和光栅像按相反方向移动，因此光栅移过半个栅距，莫尔条纹就变化一个周期，即灵敏度提高了一倍。条纹就变化一个周期，即灵敏度提高了一倍。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u2 2光栅传感器的光电转换系统光栅传感器的光电转换系统主光栅和指示光栅做相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹主光栅和指示光栅做相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如图光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如图4.12

24、4.12所示，光敏所示，光敏元件可以将光量的变化转换成电阻或电能的变化。元件可以将光量的变化转换成电阻或电能的变化。1主光栅；2指示光栅；3场镜；4反光镜； 5聚焦透；6光源；7物镜；8光电元件 图4.10 反射式光路 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）1光源；2半透半反射镜；3聚光镜；4主光栅； 5物镜；6反射镜；7光电元件 图4.11 镜像式光路传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 图4.12 光电转换传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）当两块光栅做相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹当两块光栅做相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化

25、，如图移动而变化，如图4.124.12（b b）所示。在）所示。在a a处，两光栅刻线重叠，处，两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c c处由于光被处由于光被遮去一半，光强减小；遮去一半，光强减小；d d处光全被遮去而成全黑，光强为零。若处光全被遮去而成全黑，光强为零。若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如图成了如图4.124.12（b b）所示的输出波形。光敏元件输出的波形可由）所示的输出波形。光敏元件输出的波形可由如下公式描述：如下公式描述： （

26、4-44-4）式中，式中， 为输出信号的直流分量；为输出信号的直流分量； 为交流信号的幅值；为交流信号的幅值； 为光栅的相互位移量。为光栅的相互位移量。由式（由式（4-44-4）可知，利用光栅传感器，通过测量光敏元件的）可知，利用光栅传感器，通过测量光敏元件的输出电压就可以测量位移量的值。光敏元件可以采用光电池、输出电压就可以测量位移量的值。光敏元件可以采用光电池、光敏二极管和光敏三极管等。光敏二极管和光敏三极管等。 WxUUU2sinm00UmUx传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u3 3光栅传感器的辨向处理光栅传感器的辨向处理为了辨别主光栅的移动方向，仅有一条明暗交替的莫尔

27、条为了辨别主光栅的移动方向，仅有一条明暗交替的莫尔条纹是无法辨别的。因此，在原来的莫尔条纹上再加一条莫尔条纹是无法辨别的。因此，在原来的莫尔条纹上再加一条莫尔条纹，使两个莫尔条纹信号相差纹，使两个莫尔条纹信号相差 /2/2相位。具体实现的方法是在相相位。具体实现的方法是在相隔隔1/41/4条纹间的位置上安装两只光敏元件，如图条纹间的位置上安装两只光敏元件，如图4.134.13（a a）所示，）所示，两只光敏元件的输出信号经整形后得到方波和，然后把这两个两只光敏元件的输出信号经整形后得到方波和，然后把这两个方波输入如图方波输入如图4.134.13（b b）所示的判向电路，即可判别移动的方向。）所

28、示的判向电路，即可判别移动的方向。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4 4光栅传感器的细分原理光栅传感器的细分原理随着对测量精度要求的提高，要求光栅具有较高的分辨率。随着对测量精度要求的提高，要求光栅具有较高的分辨率。如果仅以光栅的栅距作为其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；如果仅以光栅的栅距作为其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为倘若要读出位移为0.10.1 m m，势必要求每毫米刻线，势必要求每毫米刻线1 1万条，这是目万条，这是目前工艺水平无法实现的。因此，只能在有合适的光栅栅距的基前工艺水平无法实现的。因此，只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细分

29、，才可能获得更高的测量精度。常用础上，对栅距进一步细分，才可能获得更高的测量精度。常用的细分方法有两大类：机械细分和电子细分，我们这里只讨论的细分方法有两大类：机械细分和电子细分，我们这里只讨论电子细分的两种最常用方法：倍频细分法和电桥细分法。电子细分的两种最常用方法：倍频细分法和电桥细分法。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u（1 1）倍频细分法。在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光）倍频细分法。在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如图电元件，如图4.144.14（a a）所示，得到相位分别相差）所示，得到相位分别相差 /2/2的四个正的四个正弦周期信号。用适当电路处理这

30、一列信号，使其合并得到如图弦周期信号。用适当电路处理这一列信号，使其合并得到如图4.144.14（b b）所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零）所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期为点相对应，则电脉冲的周期为1/41/4个莫尔条纹宽度。用计数器对个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到这一列脉冲信号计数，就可以读到1/41/4个莫尔条纹宽度的位移量。个莫尔条纹宽度的位移量。这样，将是光栅固有分辨率的四倍，此种方法被称为四倍频细这样，将是光栅固有分辨率的四倍，此种方法被称为四倍频细分法。若再增加光敏元件，同理可以进一步提高分辨率。分法。

31、若再增加光敏元件，同理可以进一步提高分辨率。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 1, 2光电元件；3莫尔条纹；4指示光栅图4.13 辨向电路原理图传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 图4.14 四倍频细分法传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u（2 2）电桥细分法。电桥细分的基本原理可以用下面的电桥）电桥细分法。电桥细分的基本原理可以用下面的电桥电路来说明，如图电路来说明，如图4.154.15所示。图中和分别为从光电元件得到的所示。图中和分别为从光电元件得到的两个相位相差两个相位相差 /2/2的莫尔条纹信号电压值，其中的莫尔条纹信号电压值，其中R

32、Rl l和和R R2 2是桥臂电是桥臂电阻，阻，R RL L为负载电阻，设为负载电阻，设Z Z点的输出电压为点的输出电压为 ，根据电桥电路可知，根据电桥电路可知有：有： （4-54-5）式中，式中，G G1 1=1/=1/R R1 1，G G2 2=1/=1/R R2 2，G GL L=1/=1/R RL L。解方程组（解方程组（4-54-5）得：图）得：图4.15 4.15 细分电桥细分电桥 （4-64-6）若电桥平衡时，则：若电桥平衡时，则：即：即： （4-74-7）021Liii121o121o1/GuuRuui222o222o2/GuuRuui22L2L/GuRui 32122o11o

33、2/GGGGuGuu02u022o11oGuGu2u传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）光栅在任意位置光栅在任意位置x x（ ）时，）时， 和和 可以分别写成可以分别写成 和和 ，则由式（，则由式（4-74-7）得：）得： （4-84-8）由上式可见：选取不同的由上式可见：选取不同的R R1 1/ /R R2 2值，就可以得到任意的值，就可以得到任意的 值。值。 Wx221cossintanRRsinUcosU图4.15 细分电桥1ou2ou传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）某光栅传感器，刻线数为某光栅传感器，刻线数为100线线/mm，没细分时测得莫，没细分时测得

34、莫尔条纹数为尔条纹数为800，试计算光栅位移是多少毫米？若经四，试计算光栅位移是多少毫米？若经四倍细分后，计数脉冲仍为倍细分后，计数脉冲仍为800，则光栅此时的位移是多，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少？少？测量分辨率是多少？ 光栅位移光栅位移:)(81001800mmX若经四倍细分后，计数脉冲仍为若经四倍细分后，计数脉冲仍为800，则光栅此时的位移，则光栅此时的位移：)(210014800mmX测量分辨率为：测量分辨率为：)(0025. 010041mms传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4.1.4 4.1.4 光栅传感器的应用光栅传感器的应用由于光栅具有测量精度高

35、等一系列优点，若采用不锈钢反由于光栅具有测量精度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达数十米，而且不需要加长，信号抗干射式光栅，测量范围可达数十米，而且不需要加长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广。近年来我国设计、扰能力强，因此在国内外受到重视和推广。近年来我国设计、制造了很多光栅式测量长度和角度的计量仪器，并成功地将光制造了很多光栅式测量长度和角度的计量仪器，并成功地将光栅作为数控机床的位置检测元件，用于精密机床和仪器的精密栅作为数控机床的位置检测元件，用于精密机床和仪器的精密定位、长度检测、速度、振动和爬行的测量等。定位、长度检测、速度、振动和爬行的测量等。u1

36、1光栅位移传感器光栅位移传感器成都远恒精密测控技术有限公司生产的成都远恒精密测控技术有限公司生产的BG1BG1型线位移传感器型线位移传感器就是一种光栅传感器。该传感器采用光栅常数相等的透射式标就是一种光栅传感器。该传感器采用光栅常数相等的透射式标尺光栅和指示光栅副。具有精度高，便于数字化处理，体积小，尺光栅和指示光栅副。具有精度高，便于数字化处理，体积小，重量轻等特点，适用于机床、仪器做长度测量、坐标显示和数重量轻等特点，适用于机床、仪器做长度测量、坐标显示和数控系统的自动测量等。其外形如图控系统的自动测量等。其外形如图4.164.16所示，技术指标如表所示，技术指标如表4.14.1所示。所示

37、。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 图4.16 BG1型光栅传感器外形图传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 型 号BG1BG1A光栅栅距40m（0.040mm）、20m（0.020mm）、10m（0.010mm）光栅测量系统透射式红外光学测量系统，高精度性能的光栅玻璃尺读数头滚动系统垂直式五轴承滚动系统，优异的重复定位性，高精度测量精度45五轴承滚动系统，优异的重复定位性，高等级的测量精度防护尘密封采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶，防水、防尘优良，使用寿命长分辨率1m2m5m10m有效行程503000mm 每隔50mm一种长度规格（整体光栅不接长）工作

38、速度20米/分钟工作环境温度050 湿度90(205)工作电压5V5% 12V5%输出电压TTL 正弦波表4.1 BG1型光栅传感器的技术指标 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u在具体使用时要注意：在具体使用时要注意：u（1 1）传感器应尽量安装在靠近设备工作台的床身基面上。）传感器应尽量安装在靠近设备工作台的床身基面上。u（2 2）根据设备的行程选择传感器的长度，光栅传感器的有效）根据设备的行程选择传感器的长度，光栅传感器的有效长度应大于设备行程。长度应大于设备行程。u（3 3）将传感器固定在设备工作台的基面上，确保主尺上端面）将传感器固定在设备工作台的基面上，确保主尺上端

39、面同正面与移动方向平行，误差同正面与移动方向平行，误差0.1mm0.1mm。u（4 4）读数头固定于相对于主尺的另一基面上，读数头与主尺）读数头固定于相对于主尺的另一基面上，读数头与主尺之间应保持之间应保持5mm0.15mm的间隙，尽量使读数头安装在非运动的间隙，尽量使读数头安装在非运动部件上，以方便电缆线的固定。部件上，以方便电缆线的固定。u（5 5）在安装传感器的设备导轨上应装限位装置。）在安装传感器的设备导轨上应装限位装置。u（6 6）在使用环境有油污、铁屑等情况时，建议采用防护罩，）在使用环境有油污、铁屑等情况时，建议采用防护罩，防护罩应将主尺全部防护。防护罩应将主尺

40、全部防护。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u2 2光栅数显表光栅数显表图图4.174.17所示为微机光栅数显表的组成框图，在微机光栅数所示为微机光栅数显表的组成框图，在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分可由微显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分可由微机来完成。机来完成。图图4.184.18所示为光栅数显表在机床进给运动中的应用。在机所示为光栅数显表在机床进给运动中的应用。在机床操作过程中，由于用数显方式代替了传统的标尺刻度读数，床操作过程中，由于用数显方式代替了传统的标尺刻度读数，大大提高了加工精度和加工效率。以横向进给为例，光栅读数大大提

41、高了加工精度和加工效率。以横向进给为例，光栅读数头固定在工作台上，尺身固定在床鞍上，当工作台沿着床鞍左头固定在工作台上，尺身固定在床鞍上，当工作台沿着床鞍左右运动时，工作台移动的位移量（相对值或绝对值）可通过数右运动时，工作台移动的位移量（相对值或绝对值）可通过数字显示装置显示出来。字显示装置显示出来。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）图4.17 微机光栅数显表的组成框图 图4.18 数显表在机床进给运动中的应用 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4.2 4.2 磁栅数字式传感器磁栅数字式传感器磁栅传感器由磁栅、磁头和检测电路等组成。磁栅用于记磁栅传感器由磁栅

42、、磁头和检测电路等组成。磁栅用于记录一定功率的正弦或矩形信号。磁头的作用类似磁带机的磁头，录一定功率的正弦或矩形信号。磁头的作用类似磁带机的磁头，用于读写磁栅上的磁信号，并转换为电信号。它是一种比较新用于读写磁栅上的磁信号，并转换为电信号。它是一种比较新型的传感元件。与其他类型的检测元件相比较，磁栅传感器制型的传感元件。与其他类型的检测元件相比较，磁栅传感器制作工艺简单，易于安装，调整方便，测量范围广（从作工艺简单，易于安装，调整方便，测量范围广（从0.0010.001毫米毫米到几米），不需要接长，价格比光栅便宜等一系列优点，因而到几米），不需要接长，价格比光栅便宜等一系列优点，因而在大型机床

43、的数字检测和自动化机床的自动控制等方面得到了在大型机床的数字检测和自动化机床的自动控制等方面得到了广泛的应用，但要注意防止退磁和定期更换磁头。广泛的应用，但要注意防止退磁和定期更换磁头。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4.2.1 4.2.1 磁栅的结构和种类磁栅的结构和种类磁栅结构如图磁栅结构如图4.194.19所示。磁栅的基体是用非导磁材料（如所示。磁栅的基体是用非导磁材料（如玻璃、磷青铜等）做成的，上面镀上一层均匀的磁性薄膜（即玻璃、磷青铜等）做成的，上面镀上一层均匀的磁性薄膜（即磁粉如磁粉如NlNl-Co-Co或或Co-FeCo-Fe合金等），然后用写磁带方式，由磁头

44、写合金等），然后用写磁带方式，由磁头写上一定节距的正弦或余弦波。磁栅也可以利用激光录磁方式制上一定节距的正弦或余弦波。磁栅也可以利用激光录磁方式制成。目前磁栅的栅条数一般在成。目前磁栅的栅条数一般在1001003000030000之间，栅距应大于之间，栅距应大于0.04mm0.04mm，否则磁头拾取信号的幅值将十分微弱。，否则磁头拾取信号的幅值将十分微弱。磁栅按基体形状可分为长磁栅和圆磁栅两大类。前者用于磁栅按基体形状可分为长磁栅和圆磁栅两大类。前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。长磁栅又可分为尺形、测量直线位移，后者用于测量角位移。长磁栅又可分为尺形、带形、同轴形，如图带形、同轴形，如

45、图4.204.20所示。目前用得比较广泛的是尺形磁所示。目前用得比较广泛的是尺形磁栅和带形磁栅，而同轴形磁栅结构特别小巧，可用于结构比较栅和带形磁栅，而同轴形磁栅结构特别小巧，可用于结构比较紧凑的场合。紧凑的场合。图4.19 磁栅剖面结构传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 1磁栅；2磁头；3屏蔽罩图4.20 几种常用磁栅的结构传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）具体使用时对磁栅还有如下的要求：具体使用时对磁栅还有如下的要求：u（1 1）磁栅的基尺（磁尺）要求不导磁，线膨胀系数应与仪）磁栅的基尺（磁尺）要求不导磁，线膨胀系数应与仪器或机床的相应部分相近似。又因为在基

46、尺上要镀一层磁性薄器或机床的相应部分相近似。又因为在基尺上要镀一层磁性薄膜，所以要求基尺有良好的加工和电镀性能。当采用一般钢材膜，所以要求基尺有良好的加工和电镀性能。当采用一般钢材做基尺材料时，必须用镀铜的方法解决绝磁的问题，铜镀层厚做基尺材料时，必须用镀铜的方法解决绝磁的问题，铜镀层厚度约度约0mm0.20mm。u（2 2）为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希望产生）为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希望产生较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感应要大，矫顽力要高，较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感应要大，矫顽力要高，电镀要均匀，目前常用电镀要均匀，目前常用NiCo

47、NiCo-P-P合金。合金。u（3 3）对磁尺表面要求长磁栅平直度为（）对磁尺表面要求长磁栅平直度为（0.0050.0050.010.01）mm/mmm/m，圆磁栅的不圆度为，圆磁栅的不圆度为0.0050.0050.01mm0.01mm，表面粗糙度要小。另，表面粗糙度要小。另外，还要求所录磁信号幅度均匀，幅度变化小于外，还要求所录磁信号幅度均匀，幅度变化小于10%10%，节距均匀，节距均匀，满足一定精度要求。满足一定精度要求。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4.2.2 4.2.2 磁头的结构和种类磁头的结构和种类磁栅上的磁信号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信号磁栅上的磁信

48、号先由录磁头录好，然后由读磁头将磁信号读出。按读取信号的方式，读磁头可分为动态磁头与静态磁头读出。按读取信号的方式，读磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。两种。u1 1动态磁头动态磁头动态磁头又称为速度响应式磁头，它只有一组输出绕组，动态磁头又称为速度响应式磁头，它只有一组输出绕组，只有当磁头磁栅有相对运动时，才有信号输出，故不适用于速只有当磁头磁栅有相对运动时，才有信号输出，故不适用于速度不均匀、时走时停的机床。其输出信号的幅值随运动速度而度不均匀、时走时停的机床。其输出信号的幅值随运动速度而变化。为了保证一定幅值的输出，通常规定磁头以一定速度运变化。为了保证一定幅值的输出，通常规定磁头以一定

49、速度运行。普通常见的录音机信号取出就属此类。行。普通常见的录音机信号取出就属此类。用此类磁头读取信号原理如图用此类磁头读取信号原理如图4.214.21所示。图中所示。图中1 1为动态磁头，为动态磁头，2 2为磁栅，为磁栅，3 3为读出的正弦信号。此信号表明磁信号在为读出的正弦信号。此信号表明磁信号在N N、N N相重相重叠处为最强正值，磁信号在叠处为最强正值，磁信号在S S、S S重叠处为最强负值，图中重叠处为最强负值，图中W W为磁为磁信号节距。当磁头沿着磁栅表面作相对位移时，就输出周期性信号节距。当磁头沿着磁栅表面作相对位移时，就输出周期性的正弦电信号，若记下输出信号的周期数的正弦电信号，

50、若记下输出信号的周期数n n，就可以测量出位移，就可以测量出位移量。量。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）静态磁头又称磁通响应式磁头，它在磁头和磁栅间没有相静态磁头又称磁通响应式磁头，它在磁头和磁栅间没有相对运动的情况下也有信号输出。对运动的情况下也有信号输出。静态磁头的结构如图静态磁头的结构如图4.224.22所示。在所示。在H H型铁芯上绕有两个线型铁芯上绕有两个线圈，一个为励磁绕组圈，一个为励磁绕组L1L1，另一个为输出绕组，另一个为输出绕组L2L2。静态磁头与磁。静态磁头与磁栅间无相对运动，为了增大输出，实际使用时常将这种磁头多栅间无相对运动，为了增大输出，实际使用时常

51、将这种磁头多个串联起来做成一体，称为多间隙静态磁头。当在励磁绕组上个串联起来做成一体，称为多间隙静态磁头。当在励磁绕组上施加交变的励磁信号时，施加交变的励磁信号时，H H型铁芯的中间部分在每个周期内两次型铁芯的中间部分在每个周期内两次被励磁信号产生磁通而饱和，此时铁芯的磁阻很大，磁栅上的被励磁信号产生磁通而饱和，此时铁芯的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头，因而输出绕组无感应电势输出。信号磁通不能通过磁头，因而输出绕组无感应电势输出。 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）只有当励磁信号两次过零时，铁芯不饱和，磁栅上的信号只有当励磁信号两次过零时，铁芯不饱和，磁栅上的信号磁通才

52、能通过输出绕组的铁芯而产生感应电势。磁栅信号的频磁通才能通过输出绕组的铁芯而产生感应电势。磁栅信号的频率是励磁信号的两倍，幅值与磁栅信号磁通的大小成比例。输率是励磁信号的两倍，幅值与磁栅信号磁通的大小成比例。输出电压可用下式表示：出电压可用下式表示： （4-94-9）式中，为幅值系数；式中，为幅值系数；为磁头与磁栅的相对位移；为磁头与磁栅的相对位移；为磁栅的节距；为磁栅的节距；为励磁信号的两倍角频率。为励磁信号的两倍角频率。tWxUUsin2sinm传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版） 1磁头；2磁栅；3输出波形 1磁头；2磁栅；3输出波形图4.21 动态磁头的工作原理 图4.2

53、2 静态磁头的工作原理传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4.2.3 4.2.3 磁栅传感器的信号处理磁栅传感器的信号处理根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采用的信号处理方式也不同。动态磁头只有一组绕组，其输出信用的信号处理方式也不同。动态磁头只有一组绕组，其输出信号为正弦波，信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放号为正弦波，信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录脉冲数大整形，然后由计数器记录脉冲数n n，就可以测量出位移量的大，就可以测量出位移量的大小（小（ ）。但这种方法测量精度

54、较低，而且不能判别移）。但这种方法测量精度较低，而且不能判别移动方向。静态磁头一般用两个磁头，两个磁头间距为动方向。静态磁头一般用两个磁头，两个磁头间距为n n W W/4/4，其，其中中n n为正整数，为正整数，W W为磁信号节距，也就是两个磁头布置成相位差为磁信号节距，也就是两个磁头布置成相位差9090关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。nWs 传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u1 1鉴幅方式鉴幅方式在实际应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅在实际应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号

55、。两磁头间距为上的磁信号。两磁头间距为n n W W/4/4。由前述内容可知，两磁头输。由前述内容可知，两磁头输出信号相差为出信号相差为 /2/2。若两磁头的励磁绕组加上同相的正弦励磁信。若两磁头的励磁绕组加上同相的正弦励磁信号，则两磁头的输出信号为：号，则两磁头的输出信号为： （4-104-10） （4-114-11）经滤除高频载波后，得到与位移量成比例的信号为：经滤除高频载波后，得到与位移量成比例的信号为： （4-124-12） （4-134-13） 和和 是与位移是与位移 成比例的信号，该信号经过适当细分成比例的信号，该信号经过适当细分和辨向处理后便可得到位移量，这就是所谓的鉴幅法。和辨

56、向处理后便可得到位移量，这就是所谓的鉴幅法。tWxUUsin2sinm1tWxUUsin2cosm21m2sinxUUW 2m2cosxUUW 1U2Ux传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u2 2鉴相方式鉴相方式若两磁头的激励磁绕组上施加相位差为若两磁头的激励磁绕组上施加相位差为 /4/4的正弦激励信号，的正弦激励信号，或将输出信号移相或将输出信号移相 /2/2，则两磁头输出信号变为：，则两磁头输出信号变为： （4-144-14） （4-154-15）将两个磁头的输出用求和电路相加，则获得总输出为：将两个磁头的输出用求和电路相加，则获得总输出为： （4-164-16）由式（由式

57、（4-164-16）可以看出输出是一个幅值不变、但相位与磁）可以看出输出是一个幅值不变、但相位与磁头、磁栅相对位移量有关的信号。只要鉴别出相位移动的大小，头、磁栅相对位移量有关的信号。只要鉴别出相位移动的大小，然后用有关电路进行细分与输出，就能测量出位移量的多少。然后用有关电路进行细分与输出，就能测量出位移量的多少。tWxUUcos2sinm1tWxUUsin2cosm2txUU2sinm传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）u4.2.4 4.2.4 磁栅传感器的应用磁栅传感器的应用现以应用较为成熟的鉴相型磁栅数字式位移显示装置（简现以应用较为成熟的鉴相型磁栅数字式位移显示装置（简

58、称为磁栅数显表）作为磁栅传感器应用例子，如图称为磁栅数显表）作为磁栅传感器应用例子，如图4.234.23所示。所示。图中图中400kHz400kHz晶体振荡器是磁头激励磁及系统逻辑判别的信晶体振荡器是磁头激励磁及系统逻辑判别的信号源。由振荡器输出电路进行细分与输出号源。由振荡器输出电路进行细分与输出400kHz400kHz的方波信号，的方波信号，经经“十分频十分频”和和“八分频八分频”电路后，变为电路后，变为5kHz5kHz的方波信号，并的方波信号，并同时被分相为同时被分相为0 0和和4545两激励磁信号，此两路激励磁信号分别两激励磁信号，此两路激励磁信号分别送入激励磁功率放大器送入激励磁功率

59、放大器I I和和进行功率放大，然后对磁头进行激进行功率放大，然后对磁头进行激励磁。功率放大器中设有一电位器，对输出的激励磁电压进行励磁。功率放大器中设有一电位器，对输出的激励磁电压进行调整，保证两相激励磁电压对称。调整，保证两相激励磁电压对称。传感器与检测技术（第传感器与检测技术（第2版）版）两只磁头的输出信号分别送到各自的两只磁头的输出信号分别送到各自的“偏磁幅值调整电偏磁幅值调整电路路”，以便保证两路信号的最大幅值相等。由于磁头铁芯存在，以便保证两路信号的最大幅值相等。由于磁头铁芯存在剩磁，所以设置偏磁调整电位器，对磁头的输出加上一微小的剩磁，所以设置偏磁调整电位器，对磁头的输出加上一微小

60、的直流电流（称之为偏磁电流），通过调整偏磁电位器以使两磁直流电流（称之为偏磁电流），通过调整偏磁电位器以使两磁头的剩磁情况对称，可以获得两路较对称的输出电信号。经过头的剩磁情况对称，可以获得两路较对称的输出电信号。经过上述处理后，将两路信号送入求和放大电路，使输出的合成信上述处理后，将两路信号送入求和放大电路，使输出的合成信号的相位与磁头和磁栅的相对位置相对应，再将此输出信号送号的相位与磁头和磁栅的相对位置相对应，再将此输出信号送入入“带通滤波器带通滤波器”，滤去高频、基波和干扰等无用的信号波，滤去高频、基波和干扰等无用的信号波，取出二次谐波（取出二次谐波（10kHz10kHz的正弦波），此正