《测试技术》6.数字传感器

测试技术基础机械工程及自动化学院12/13/2023检测技术第六章数字式传感器光栅传感器感应同步器12/13/2023数字传感器的特点：数字式传感器具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。易于实现高速动态测量、处理和自动化。采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。12/13/20236.1光栅

数字式传感器12/13/2023一.光栅传感器的构成及原理1.光栅的构成：光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。

【演示】数字式传感器12/13/2023数字式传感器12/13/20232.栅距：光栅的栅距Ｗ＝ａ＋ｂ，a、b分别为透光和不透光条纹的宽度，通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。数字式传感器12/13/20233.莫尔条纹现象当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹，如图所示。

莫尔条纹的形成莫尔条纹的宽度可按下式计算：设a=b=W/2，则(W/2)/B=sin(θ/2)，所以，B=W/(2sin(θ/2))，当θ很小时，sin(θ/2)=θ/2，故有：B=W/θ，称作莫尔条纹的宽度，又称为节距。数字式传感器12/13/20234.莫尔条纹的特点①平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。数字式传感器②对应关系：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。③放大作用：由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ较小时，可使θ<<1，则B>>W。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝0.5º＝0.009rad，则：B=0.01/0.009≈1mm，放大100倍。若θ=0，则不产生莫尔条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。对于圆光栅，同样有这些特点。12/13/20235.光栅传感器的结构

对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件，如图所示。数字式传感器12/13/2023二.光栅位移数字转换的基本原理1.光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：数字式传感器12/13/2023

输出表达式：

Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]

式中，2π/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：①辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；②精度低；分辨力只为一个栅距W。怎么解决这两个问题呢？数字式传感器12/13/20232.辨向原理：用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90°空间角，B:2π=B/4:π/2），如图所示，可以解决辨向问题。当条纹上移时，V2落后于V190°。当条纹下移时，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之间的相位关系可以判别运动方向。数字式传感器12/13/20233.细分技术（解决精度问题）当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。

1234硅光电池正向脉冲反向脉冲H1H2差动放大差动放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8数字式传感器12/13/2023四个光电元件间隔B/4安装，1，3，2，4分别接入两个差分放大器用以消除共模干扰，这样可以得到两个相差90度的信号sin和cos，经整型等到方波信号，再反相得到A,B,C,D四路方波信号，将四路方波信号再微分，得到四个脉冲,将A,B,C,D与

进行逻辑组合，可由两个输出端输出正向位移脉冲信号和反向位移脉冲信号。当正向运动时，由正向上升沿微分得到正向脉冲，经逻辑到输出；反之亦然。利用这种方法，可在一个周期内输出四个脉冲，所以又称之为四倍频电路，其分辨率提高四倍，当栅距w=10μm时，分辨力为2.5μm，即脉冲当量为2.5μm，当w=4μm,其分辨力可为1μm。数字式传感器12/13/20236.2感应同步器感应同步器也是一种用来测量位移量的数字式传感器，它的工作原理与变压器的工作原理类似。数字式传感器12/13/2023一.感应同步器的结构感应同步器由两个平面形印刷绕组组成，平面绕组是用铜箔加工而成，粘在钢板上或铸铁制成的基体上，两个绕组相当于变压器的两个线圈。感应同步器有两种，一种是直线感应同步器，用来测量线位移，两个绕组分为定尺绕组和滑尺绕组。另一种是圆感应同步器，用来测量角位移。两个绕组分为定子绕组和转子绕组。定尺和转子的绕组为连续绕组，相当于变压器的副边，用于输出与位移有关的信号。滑尺和定子的绕组为分段绕组（又称为正、余弦绕组），工作时输入激磁电压，用以产生交变磁场。>>数字式传感器12/13/2023>>当定尺和滑尺产生相对线位移时，或定子与转子产生相对角位移时，两绕组间的耦合状态发生变化，这时，在定尺和转子绕组上感应出一个与位移有关的电压信号，由此可以测定位移量的大小。滑尺绕组上的正弦绕组和余弦绕组在空间上相差π/2，或kπ±π/2。这个空间角如下确定：设定尺的节距为w2=2(a2+b2),相当于空间角2π，对应于一个周期，则滑尺两绕组（正弦绕组，余弦绕组）之间的距离:k为整数,在这里w2相当于一个周期2π∴l1相当于对于圆感应同步器，其定子的正余弦绕组同样满足相差90°数字式传感器12/13/2023二.工作原理以直线感应同步器为例，当两绕组位置相对固定时，滑尺绕组中的激磁电流使定尺绕组中产生一个感应电势，其大小为：M为互感系数

如果假设绕组的自感系数很小，且激磁频率较低，则滑尺激磁绕组可视为纯电阻，则激磁电流为：,所以有K称为电磁耦合系数数字式传感器12/13/2023随着两绕组间的位置关系不同，定尺中的感应电势大小是不同的，我们可以具体分析如下：当滑尺与定尺间的相对位置按下面规律变化，以正弦绕组为例：滑尺位于A点：这时两绕组完全重合，通过定尺的耦合磁通最大，这时定尺绕组中产生的感应电势最大。滑尺移至B点：滑尺跨在定尺的两侧，定尺中的感应电势相互抵消为零。滑尺位于C点：滑尺与定尺重合，但感应电势方向与A点相反，达到反方向最大。D点：定尺中感应电势为零。E点：感应电势又变为最大，输出变化一周期。数字式传感器12/13/2023因此，对于正弦绕组激磁而残生的感应电势的大小为：

cosθ为位置系数，同理，若设，则可推出对于余弦绕组激磁而产生的而总电势为：这里讨论是在理想情况下近似的，实际的输出中还存在有其它高次谐波及干扰。一般情况下，激磁电压↑，感应电势↑；但激磁电压↑太大（i增大），引起发热，致使不能正常工作。V=1～2V.【演示】数字式传感器感应电势为：12/13/2023数字式传感器12/13/2023三.感应同步器的工作方式感应同步器工作方式通常分为：鉴相型鉴幅型数字式传感器12/13/2023鉴相型工作方式鉴相型工作方式是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式。激磁方式：对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同，但相位相差90°的交流方波。这时定尺总电势为：数字式传感器12/13/2023这相当于一个相位调制波，当位移X发生变化时，输出信号的相位发生变化。由上述讨论可知，输出信号的幅值与激磁电压（相当于载波）的频率有关。激磁频率越高，输出幅值越大，且可使测量速度提高。但若激磁频率过高，则导致感抗增加，容抗减小，使测量精度下降。从上面讨论还可以看出，在一个节距w内，感应输出电压的相位θ与滑尺和定尺间位移x相对应，每当位移变化一个节距，θ变化2π角度，输出信号的相位变化一个周期，因此，必须采用累加计数的办法求总的位移量。

数字式传感器12/13/2023鉴幅型工作方式－通过输出电压幅值变化来测量位移。激磁方式：滑尺的正、余弦绕组分别加以频率相同、相位相同、但幅值不等（按正、余弦规律变化）的交流电压。

数字式传感器定尺感应电势：12/13/2023可见，当激磁电压不变，固定，则输出信号幅值与相对位移x有关。

设初始

；如果，说明由位移存在，若设法改变

，使，则通过计算的变化量便可求得x的大小。数字式传感器12/13/2023四、感应同步器位移－数字测量系统。时钟脉冲发生器绝对相位基准（分频器）相对相位基准（脉冲移相器）绝对零点显示可逆计数器译码、显示鉴相器门电路90度移相功放功放放大滤波整形滑尺定尺1.鉴相型测量系统数字式传感器12/13/2023各部分作用：时钟脉冲发生器：产生一定频率的脉冲，一般w＝2mm时，可采用

4MHz的晶振。绝对相位基准：实际上是一个分频器，将脉冲发生器的输出进行分频，然后产生两个相位相差90°的激磁信号，分别送给滑尺的正余弦绕组。定尺绕组感应电势E=Kω

VmCOS(ωt－θ)，经放大、滤波、整形送给鉴相器，送鉴相器的有效信号为相对相位基准：实际上是一个分频电路和加减脉冲电路组成（脉冲移相器）。它输出一个与前一时刻位移对应的相位信息θ给监相器。鉴相器：用来判别感应同步器的输出信号

θ与相对相位基准电路输出之间相位差的大小，其理想输入输出特性曲线见右图：数字式传感器12/13/2023鉴相器的输出控制一个门电路Δθ=θ-θ1，可以根据测量精度设计Δθ=θ0时，Ej=Ej0=开关电平，将门电路打开，使计数脉冲通过，鉴相器还要鉴别相位差为正还是为负，以便实行加或减计数。在门电路打开后计数脉冲得以通过，一方面去计数器，另一方面控制相对相位基准进行移相，使Δθ→0。

具体工作过程如下：初始状态：则：Δθ=θ-θ1=0

开始运动：（不变），门打开，计数一次，同时使θ1→θ0使Δθ＝0，门关死。继续运动：门打开同时使：θ1→2θ0。使Δθ＝0。门关闭。波形示意图数字式传感器12/13/2023每出现一个计数脉冲，相当于位移引起的相位为θ0，若θ0＝1.8°，w＝2mm，则最小位移：数字式传感器12/13/20232.鉴幅型测量系统：正弦振荡器数/模转换器匹配变压器放大滤波转换计数器周期零点显示可逆计数器译码.显示鉴幅器（门槛电路）门电路时钟脉冲发生器滑尺定尺数字式传感器12/13/2023其中数模转换器由多抽头正，余弦变压器和电子开关组成，多抽头正，余弦变压器的工作原理见下图：数字式传感器12/13/2023变压器的抽头由最小分辨角即最小位移来确定，假使最小分辨角θ0＝1.8°，则每个抽头对应一个编号，当转换计数器计数为某一值

j时，则对应的第j个抽头的输出与匹配变压器相连接，为滑尺绕组提供激磁电压，这时定尺绕组输出为：

当滑尺与定尺相对位移X为0时，输出E＝0，随着位移的增加，

增加，输出幅值Em增加，当Δθ＝θ0时，幅值为某一值E0，经鉴幅器提供一个开门电平，使门电路打开。计数脉冲通过门电路，使可逆计数器计数，并使转换计数器加1或减1，（视或而定）

去控制模数转换器的电子开关将下一个抽头接通，使输出为零，门电路关死，停止计数，或又产生相对位移，上面工作过程重新进行。数字式传感器12/13/2023两种工作方式的比较：无论那种方式，其精度都要受到感应同步器的精度的限制。鉴相式采用脉冲移相，比较容易得到较高的细分；而鉴幅式的细分受到多抽头变压器的限制。因此，鉴相式的测量精度要高于鉴幅式，可达0.001mm/脉冲，而鉴幅式则只能达到0.01mm/脉冲。鉴相式的运动速度受到激磁电压的频率限制，而鉴幅式的运动速度则受制于电子开关及变压器抽头切换速度。数字式传感器12/13/20236.3光电盘和编码盘光电盘数字式传感器光电盘是一种最简单的光电式转角测量元件。光电盘测量系统的结构和工作原理如下页图“光电盘的工作原理”所示，它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整形放大电路和数字显示装置组成。12/13/2023数字式传感器12/13/2023数字式传感器12/13/2023光电盘和光栏板可用玻璃研磨抛光制成，经真空镀铬后用照相腐蚀法在镀铬层上制成透光的狭缝，狭缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘在其圆周上开出一定数量的等分槽缝，或在一定半径的圆周上钻出一定数量的小孔，使圆盘形成相等数量的透明和不透明区域。光栏板上有两条透光的狭缝，缝距等于光电盘槽距或孔距的1/4，每条缝后面放一只光电管。数字式传感器12/13/2023光电盘装在回转轴上，轴的另一端装有齿轮，该齿轮与驱动齿轮或齿条啮合时，可带动光电盘旋转。回转轴也可以直接被主轴或丝杠驱动。光电盘置于光源和光电管之间，当光电盘转动时，光电管把通过光电盘和光栏板射来的忽明忽暗的光信号转换为电脉冲信号，经整形、放大、分频、计数和译码后输出或显示。由于光电盘每转发生的脉冲数不变，故由脉冲数即可测出被测轴的转角或转速。也可根据传动装置的速比换算出直线运动机构的直线位移。根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序，可以判别光电盘的旋转方向。由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受环境干扰，所以多用在简易型和经济型数控机床上。数字式传感器12/13/2023数字式传感器编码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。2.编码盘

12/13/2023光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。前页图所示为四位二进制码盘，码盘上各圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑（图中表示为红色）白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘