第8章 数字量传感器及应用

第8章数字量传感器及应用知识目标通过本课题的学习，要求熟悉常用的数字式传感器基本结构，了解数字式传感器的基本工作原理，了解对数字信号处理的方法。技能目标通过本课题的学习，要求掌握数字式传感器的特性，正确操作和维护数字式传感器。8.1栅式数字传感器

光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊应用。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应用。8.1.1光栅的类型和结构图8-2光栅刻线

1.长光栅

按栅线形状的不同，长光栅可分为黑白光栅和闪耀光栅。图8-3黑白光栅图8-4闪耀光栅刻线断面2.圆光栅

图8-5圆光栅8.1.2光栅的工作原理1.莫尔条纹计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。主光栅的刻线一般比指示光栅长，如图8-6所示。若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。图8-6光栅与莫尔条纹示意图（θ≠0）2.莫尔条纹的特点⑴放大作用由式8-1可知，θ越小，B越大，这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍，相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。⑵平均效应莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。⑶运动方向当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图8-6中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹则向上移动。⑷对应关系两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。⑸莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数图8-7光栅位移与光强关系8.1.3.光栅式传感器的测量电路1.光电转换光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成，如图8-8所示。图8-8光栅读数头结构示意图图8-9光电元件输出波形2.辨向原理

3.细分技术

8.2数字编码器编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。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可能得到数字编码。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码。8.2.1接触式码盘编码器1.结构与工作原理图8-12接触式四位二进制码盘2.消除非单值误差的办法⑴采用循环码(格雷码)循环码盘结构如图8-12(b)所示。采用循环码制可以消除非单值误差。⑵扫描法扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。8.2.2光电式编码器图8-13光电编码器示意图8.2.3电磁式编码器图8-14磁编码器的基本结构8.2.4脉冲盘式数字传感器脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。1.增量编码器的结构和工作原理图8-15脉冲盘式编码器示意图2.旋转方向的判别图8-16辨向原理8.3感应同步器感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：(1)测量直线位移的线位移感应同步器；(2)测量角位移的圆盘感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。8.3.1直线式感应同步器的结构和工作原理1.载流线圈所产生的磁场图8-17载流线圈产生的磁场分布示意图图8-18探测线圈内的感应电动势2.直线式感应同步器的基本结构图8-19绕组结构3.线式感应同步器的工作原理图8-20感应同步器工作原理图4.直线感应同步器输出信号的检测

⑴鉴相型—根据感应电动势的相位来鉴别位移量当正弦绕组单独励磁时，设励磁电压定尺绕组中的感应电动势（8-3）当余弦绕组单独励磁时，励磁电压定尺绕组中的感应电动势为：（8-4）式中k—电磁耦合系数；θ—机械位移相位角（机械角），单位为rad。当正向运动时，定尺输出的总感应电动势为（8-5）当反向运动时，定尺输出的总感应电动势为（8-6）⑵鉴幅型8.3.2旋转式感应同步器（圆感应同步器）图8-21旋转式感应同步器定子和转子8.3.3感应同步器位移测量系统8.4频率式数字传感器频率式传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一。频率式传感器基本上有三种类型：(1)利用力学系统固有频率的变化反映被测参数的值。(2)利用电子振荡器的原理,使被测量的变化转化为振荡器的振荡频率的改变。(3)将被测非电量先转换为电压量,然后再用此电压去控制振荡器的振荡频率,称压控振荡器。8.4.1改变力学系统固有频率的频率传感器

图8-23振弦张力传感器8.4.2.RC振荡器式频率传感器图8-24RC振荡式频率传感器8.4.3压控振荡器式频率传感器

图8-25热电偶压控振荡器8.4.4频率式传感器的基本测量电路

图8-26频率式传感器的基本测量电路本章小结常用的数字式传感器有四大类：栅式数字传感器、编码器式数字传感器、频率/数字输出式数字传感器和感应同步器式数字传感器。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点。编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。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可能得到数字编码。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。按其用途可分为两大类：(1)测量直线位移的线位移感应同步器；(2)测量角位移的圆盘感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位