传感器与检测技术 第十一章 数字传感器

传感器与检测技术第十一章数字传感器第一页，共四十七页，2022年，8月28日二、透射式计量光栅的结构和工作原理计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅(动尺和滑尺)。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如下图所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a+b。通常取a=b＝W/2。

光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹若将两块光栅(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，如右图所示。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光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。第二页，共四十七页，2022年，8月28日(1)莫尔条纹（Moire）条纹宽度：W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2

特例：当=0,w1=w2

→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2

→纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第三页，共四十七页，2022年，8月28日莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理按运动形式分：直线型---主光栅为直尺形→直线移动旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式---光源与光电元件在两侧→透射光反射式---光源与光电元件同一侧→反射光第四页，共四十七页，2022年，8月28日如果改变θ角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。θ越小，B越大，θ当小于1°以后，可使B>>W，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。第五页，共四十七页，2022年，8月28日二、光栅式传感器的测量电路第六页，共四十七页，2022年，8月28日1．光电转换主光栅和指示光栅作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。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图(a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。在a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；c处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑，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，因而形成了如上图(b)所示的输出波形。光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：式中U0—输出信号的直流分量；

Um—输出信号的交流信号幅值；

x—光栅的相对位移量。第七页，共四十七页，2022年，8月28日2．辨向原理为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔1/4条纹间的位置上安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号U1、U2的相位差将为π/2，可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。两种信号经整形后得到方波U1/和U2/。U2/作为门控信号同U1/的微分信号一起输入到与门Y1、同U1/倒相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，U2/超前U1/，则先于U1/的微分信号打开了Y1，可从Y1得到向右移动脉冲输出（Y1称为右移动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微分信号到达Y2时Y2已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了动光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。第八页，共四十七页，2022年，8月28日3．细分原理如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1μm，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差π/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图(b)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，则电脉冲的周期反应了1/4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1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这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，同理可以进一步地提高测量分辨率。第九页，共四十七页，2022年，8月28日应用

数控机床位置反馈第十页，共四十七页，2022年，8月28日长光栅---直线位移；圆光栅---角位移

构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)第十一页，共四十七页，2022年，8月28日工作台丝杠编码器步进电机第十二页，共四十七页，2022年，8月28日第十三页，共四十七页，2022年，8月28日三、光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置第十四页，共四十七页，2022年，8月28日第十五页，共四十七页，2022年，8月28日2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。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码(后面将详细说明)。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。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。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第十六页，共四十七页，2022年，8月28日一、接触式码盘编码器1．结构与工作原理接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制(如8-4-2-1码、循环码等)图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的数字编码输出。下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构。涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位(“1”)；空白处为绝缘区，为低电位(“0”)。四个电刷沿着某一径向安装，四位二进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘转动其一角度后，电刷就输出一个数码；码盘转动一周，电刷就输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为α＝360/2n，若n＝4，则α＝22.5°。位数越多，可分辨的角度越小，若取n＝8，则α＝1.4°。当然，可分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。当n多到一定位数后（一般为n＞8），这种接触式码盘将难以制作。第十七页，共四十七页，2022年，8月28日第十八页，共四十七页，2022年，8月28日8-4-2-1码制的码盘，由电刷安装不可能绝对精确必然存在机械偏差，这种机械偏差会产生非单值误差。例如，由二进制码0111过渡到1000时（电刷从h区过渡到i区），即由7变为8时，如果电刷进出导电区的先后可能是不一致的，此时就会出现8～15间的某个数字。这就是所谓的非单值误差。2．消除非单值误差的办法⑴采用循环码(格雷码)采用循环码制可以消除非单值误差。其编码如前表所示。循环码的特点是任意一个半径径线上只可能一个码道上会有数码的改变，这一持点就可以避免制造或安装不精确而带来的非单值误差。循环码盘结构如下图(b)所示。由循环码的特点可知，即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是最低位的一个比特。因此采用循环码盘比采用8-4-2-1码盘的准确性和可靠性要高的多。第十九页，共四十七页，2022年，8月28日⑵扫描法扫描法有V扫描、U扫描以及M扫措三种。它是在最低值码道上安装一电刷，其他位码道上均安装两个电刷：一个电刷位于被测位置的前边，称为超前电刷；另一个放在被测位置的后边，称为滞后电刷。若最低位码道有效位的增量宽度为x，则各位电刷对应的距离依次为1x、2x、4x、8x等。这样在每个确定的位置上，最低位电刷输出电平反映了它真正的位值，由于高电位有两只电刷，就会输出两种电平，根据电刷分布和编码变化规律，可以读出真正反映该位置的高位二进制码对应的电平值。当低一级码道上电刷真正输出的是“1”的时候，高一级码道上的真正输出必须从滞后电刷读出；若低一级码道上电刷真正输出的是“0”，高一级码道上的真正输出则要从超前电刷读出。由于最低位轨道上只有一个电刷，它的输出则代表真正的位置，这种方法就是V扫描法。第二十页，共四十七页，2022年，8月28日当某一个二进制码的第i位是1时，该二进制码的第i+1位和前一个数码的i+1位状态是一样的，故该数码的第i+1位的真正输出要从滞后电刷读出。相反，当某个二进制码的第i位是0时，该数码的第i+1位的输出要从超前电刷读出。读者可以从表上的数码来证实。这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的。由于8-4-2-1码制的二进制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。第二十一页，共四十七页，2022年，8月28日二、光电式编码器接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。1．光电式编码器的结构和工作原理光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘上的高、低电位用光源代替。当光源经光学系统形成一束平行光投射在码盘上时，光经过码盘的透光和不透光区，脉冲光照射在码盘的另一侧的光电元件上，这些光电元件就输出与码盘上的码形（码盘的绝对位置）相对应的（开关/高低电平）电信号。光电编码器与接触式码盘编码器一样，可以采用循环码或V扫描法来解决非单值误差的问题。直线坐标编码示意图第二十二页，共四十七页，2022年，8月28日2．用插值法提高分辨率为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法)来进一步提高分辨率。例如，若码盘已具有14条(位)码道，在14位的码道上增加1条专用附加码道，见下图所示。附加码道的的扇形区的形状和光学的几何结构与前14位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦彼输出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信弓再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号。于是产生了附加的低位的几位有效数值。下图所示的19位光电编码器的插值器产生16个正弦波信号。每两个正弦信号之间的相位差为π/8，从而在14位编码器的最低有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相当于附加5位二进制数的输出，使编码器的分辨率从2-14提高到2-19，角位移小于3秒。第二十三页，共四十七页，2022年，8月28日ABC011011010010000001001000ABABABABCCCC高电平区低电平区ABC111111110110100101101100ABABABABCCCC第二十四页，共四十七页，2022年，8月28日三、光电编码传感器应用举例—钢带式光电编码数字液位计钢带式光电编码数字液位计是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍应用的一种测量设备。在量程超过20m的应用环境中，液位测量分辨率仍可达到1mm，可以满足计量的精度要求。这种测量设备主要由编码钢带、读码器、卷带盘、定滑轮、牵引钢带用的细钢丝绳及伺服系统等构成。编码钢带的一端（最大量程读数的一端）系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编码经处理后进行就地显示或以串行码的形式发送给其它设备。第二十五页，共四十七页，2022年，8月28日编码钢带如下图所示。如果最低码位（最低码道数据宽度）为1m（透光和不透光的部分各为1m），则需要15个码道，即最高码位（最高码道数据宽度）为16384mm（16.384m），编码钢带的最大有效长度可达32.768m。这样的编码钢带的加工工艺的难度较大，强度也较低，使用起来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。如果将最低码道的数据宽度增加到5mm，次最低码道的数据宽度将为1cm，在最低码道上应用插值细分技术也可以获得1m的分辨率。这样一来，在量程为20m的条件下，码道数量将减少到12个。

编码钢带示意图第二十六页，共四十七页，2022年，8月28日插值细分示意图如下图6所示。采用这种办法可以将原来的2种可能的不同状态，细分成10种可能的不同状态。将这种细分方式应用到最低位码道上，就可以把5mm的数据宽度细分成1mm。译码方式既可以用实现也可以利用单片机由软件实现。edcba000000000100011001110111111111edcba111111111011100110001000000000五倍频插值细分示意图第二十七页，共四十七页，2022年，8月28日四、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，它不能直接产生几位编码输出，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增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈(A、B)的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差90°的两相（A、B两路）脉冲脉冲和一个零位(C相)脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身的精度。第二十八页，共四十七页，2022年，8月28日2．旋转方向的判别为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用A、B两相脉冲来实现。光电元件A、B输出情号经放大整形后，产生P1和P2脉冲。将它们分别接到D触发器的D端和CP端，由于A、B两相脉冲(P1和P2)脉冲相差90°，D触发器FF在CP脉冲(P2)的上升沿触发。正转时P1脉冲超前P2脉冲，FF的Q＝“1”表示正转；当反转时，P2超前P1脉冲，FF的Q＝“0”表示反转。可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。C相脉冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广泛的应用。第二十九页，共四十七页，2022年，8月28日4.3感应同步器感应同步器时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。一、感应同步器的结构和工作原理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。它的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移量的。第三十页，共四十七页，2022年，8月28日第三十一页，共四十七页，2022年，8月28日1.感应同步器结构二、感应同步器sincos节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺第三十二页，共四十七页，2022年，8月28日第三十三页，共四十七页，2022年，8月28日

1.感应同步器的结构定尺和滑尺的基板由与被测物体热膨胀系数相似的钢板做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用照相腐蚀的办法做成印制绕组。感应同步器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为２τ，这是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。根据结构特点可分为：旋转式和直线式两种。

第三十四页，共四十七页，2022年，8月28日1．载流线圈所产生的磁场矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i(i=Isinωt)，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左至右(或从右至左)移过，如右下图所示。在(a)、(c)两图所示的情况下，通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在(b)图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场I第三十五页，共四十七页，2022年，8月28日2．直线式感应同步器的基本结构直线式感应同步器的绕组结构如下图所示。它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距π/2或3π/4。当定尺栅距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离L1应满足如下关系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时相差π/2，n=1时相差3π/4，n=2时相差5π/4。第三十六页，共四十七页，2022年，8月28日3．直线式感应同步器的工作原理⑴定尺及滑尺中的电流关系模型如图示滑尺线圈中流过电流I；

x=0的位置如图（a）。WM0为x=0时的互感量。另一个与此相差90°的滑尺线圈（正弦）与定尺定尺与滑尺间的互感MS⑵定尺与滑尺间的互感余弦绕组与定尺间的互感MC，图11-22第三十七页，共四十七页，2022年，8月28日⑶滑尺对定尺(连续线圈)的激励模型：(等幅激励，调相式)滑尺正弦绕组的激励滑尺余弦绕组的激励Im：激励的电流振幅。正弦绕组激励的感生电势余弦绕组激励的感生电势定尺中总电势e调相第三十八页，共四十七页，2022年，8月28日⑷定尺(连续线圈)对滑尺(断续线圈)的激励模型：(等幅激励，调幅式)定尺(连续线圈)激励正弦绕组中的感生电势余弦绕组中的感生电势可以辨别方向相当于平衡调幅合成电势幅度调制第三十九页，共四十七页，2022年，8月28日**单绕组正弦波激励时定尺中的感应电势第四十页，共四十七页，2022年，8月28日4．旋转式感应同步器旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的之尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有50mm、76mm、178mm和302mm等几种。径向导体数(极数)有360、720和1080几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。

第四十一页，共四十七页，2022年，8月28日4.4频率式数字传感器频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：(1)利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。(2)利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。下面列举两例说明频率式数字传感器的工作原理。一、RC振荡器式频率传感器温度—频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时．RT的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。RC振荡器的振荡频率由下式决定：其中RT与温度T的关系为

式中：B为热敏电阻的温度系数。RT、R0分别为温度T(K)利人T0(K)时的阻值。电阻R2、R3的作用是改善其线性特性，流过RT的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影响。第四十二页，共四十七页，2022年，8月28日二、弹性振动体频率式传感器任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，介绍弹性振动体频率式传感器的基本结构及其激励电路。振弦式传感器测量应力的原理如下图所示。振弦式传感器包括振弦、激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一瑞与被测量物体的运动部分连接，并使振弦拉紧。作用于振弦上的张力就是传感器的被测量振弦的张力为F时，其固有振动频率可用下式表达：L—振弦的有效长度；ρ—振弦的线密度；A—弦的截面积，σ—弦的应力。第四十三页，共四十七页，2022年，8月28日振弦的激振方式有连续激振和间歇激振两种。连续激振方式如下图(a)所示。连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈1产生感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈2以维持振弦的连续振