传感器与自动检测技术（第二版）数字式传感器

数字式传感器本章学习的主要内容：7.1光栅传感器7.2磁栅传感器7.3光电编码器7.4感应同步器

数字传感器是将被测量（一般是位移量）转化为数字信号，并进行精确测量和控制的传感器。数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部7.1光栅传感器

光栅传感器是光电式传感器的一个特殊应用。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。光栅传感器的优点：结构简单测量精度高易于实现自动化和数字化等7.1.1光栅传感器的类型与特性按应用需要分：透射式：光源与光电元件在光栅尺两侧→透射光1－光源2－准直透镜3－标尺光栅4－指示光栅5－光电元件

此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。透射式光栅结构图7.1.1光栅传感器的类型与特性按应用需要分：反射式：光源与光电元件在光栅尺同一侧→反射光1－标尺光栅2－指示光栅3－场镜4－反射镜5－聚光镜6－光源7－物镜8－光电元件该光路适用于黑白反射光栅。反射式光栅结构图按用途分：直线型（长光栅）：主光栅为直尺形→直线位移旋转型（圆光栅）：主光栅为圆盘形→角位移标尺光栅光栅传感器实物图读数头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆7.1.2光栅的结构与测量原理1.莫尔条纹

在日常生活中经常能见到莫尔（Moire）现象。如将两层窗纱、蚊帐、薄绸叠合，就可以看到类似的莫尔条纹。

莫尔条纹是指两块光栅重叠时，出现光的明暗相间的条纹。光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。直线型莫尔条纹动画演示旋转型莫尔条纹动画演示光栅尺（标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅）a+b=W：光栅的栅距（或光栅常数）通常有a=b=W/2

指示光栅标尺光栅透光线纹宽度不透光线纹宽度莫尔条纹的间距B两光栅刻线间夹角（弧度）光栅栅距当时，有莫尔条纹的间距α莫尔条纹的斜率当标尺光栅移动方向向左时，莫尔条纹的移动方向？向上！标尺光栅相对指示光栅的转角方向——顺时针当标尺光栅移动方向向右时，莫尔条纹的移动方向？向下！思考：标尺光栅相对指示光栅的转角方向为逆时针时，标尺光栅移动方向与莫尔条纹移动方向的关系？方向性：当夹角θ很小时，莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直放大性：夹角θ很小→B≈W

/θ>>W→光学放大→提高灵敏度准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活同步性：光栅移动一个栅距W

→莫尔条纹移动一个间距B光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分构成。

光栅读数头包括：

光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。标尺光栅2.光电转换2.光电转换

透射式光栅传感器结构图1－主光栅2－指示光栅3－硅光电池4－聚光镜5－光源

当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。输出波形是一近似的正弦曲线。对应性：莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2π，再由光电元件转换成一个周期正弦变化的电信号。注意事项：光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。光电元件的输出电压u与光栅相对位移x的关系：输出信号中的直流分量7.1.3光栅传感器应用技术1.辨向原理辨向原理图辨向：判别光栅移动方向，正确测量往复移动时的位移。1、2－光电元件（相隔1/4条纹间距）3-莫尔条纹4-指示光栅π/2整形Y1Y2辨向电路uo1、uo2整形→微分电路：将矩形波→尖峰波微分电路与门非门→Y1Y2uo1滞后于uo2Y1Y2加计数脉冲Y1Y2uo1超前于uo2Y1Y2减计数脉冲脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。被测物体位移＝栅距×脉冲数【例】若先输出11个加计数脉冲，而后输出5个减计数脉冲，再输出3个加计数脉冲，可知位移方向为

，移动了个栅距。9正向2.电子细分当光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移过一个间距B时，输出一个计数脉冲——分辨力为W问题的提出：

如何在现有仪器条件下提高分辨力？细分（倍频）：当光栅相对移动一个栅距即莫尔条纹移过一个间距时，等间距地输出若干个计数脉冲，提高分辨力。

常采用的细分方法有：四倍频细分、电桥细分、复合细分等。（1）四陪频细分

将辨向原理中相隔B／4的两个光电元件的输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为π/2的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲信号，实现所谓四倍频细分。

在上述两个光电元件的基础上再增加两个光电元件，每两个光电元件间隔1／4条纹间距，同样可实现四倍频细分。（2）电桥细分

在四倍频细分中，可以得到四个相位差为π／2的输出信号，分别为sinφ，cosφ，－sinφ和－cosφ（其中φ＝2πx／W），在φ＝0～2π之间，还可细分成n等分。电桥细分原理图48点电位器电桥细分电路

由，时使过零比较器电平翻转，输出细分信号。

使用中，为了克服断电时计数值无法保留及重新供电后测量系统不能正常工作的弊病，要设置绝对零位点。目前通常采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零位参考标志的方法，即零位光栅，它使光栅成为一个准绝对测量系统。

最简单的零位光栅刻线是一条宽度与主光栅栅距相等的透光狭缝c，即在主光栅和指示光栅某一侧另行刻制一对互相平行的零位光栅刻线，与主光栅用同一光源照明，经光电元件转换后形成绝对零位的输出信号。它近似为一个三角波单脉冲。零位光栅典型输出曲线多刻线的零位光栅7.1.4光栅传感器的选择

光栅传感器广泛应用于机床加工设备，在数控机床系统中选择传感器一般考虑：1.精度的选择2.测量范围和量程3.机床结构和电气连接形式7.1.5光栅传感器的应用实例

光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。

其分辨率高达纳米级，测量速度高达480m/min，测量长度高达100m以上，可实现动态测量，易于实现测量及数据处理自动化，且具有较强的抗干扰能力。三自由度光栅数显表机床导轨位置检测动画演示§8－2磁栅传感器光栅式万能测长仪7.2磁栅传感器7.2.1磁栅传感器及特性

磁栅传感器是利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅尺外形图

磁栅传感器由磁尺（或磁盘）、磁头和检测电路组成。磁头的作用是把磁尺上的信号转换成电信号；此电信号再由检测电路变换和细分后进行计数输出。7.2.2磁栅的结构与工作原理1.磁栅

磁栅是用不导磁的金属，或是用表面涂覆有一层抗磁材料的钢材做尺基，在尺基的表面上均匀地涂覆一层磁性薄膜，然后用记录磁头在磁性薄膜上记录节距为W的正弦波或矩形波。磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁栅的类型长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形1－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO

磁栅尺2.工作原理

磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。根据读出信号方式不同，磁头可分为动态和静态两种。

动态磁头又称速度响应式磁头。它仅有一组输出绕组，只有在磁头与磁栅间有连续相对运动时才有信号输出。磁头的输出为正弦信号，在N、N处达正向峰值，在S、S处达负向峰值。1－磁头2－磁栅3－输出信号波形

静态磁头又称磁通响应式磁头。它可用于磁头与磁栅间无相对运动的测量。它有两个绕组，一个为激磁绕组W1，另一个为输出绕组W2。1－磁头2－磁栅3－输出信号波形

一般在激磁绕组上加交变的励磁电流，频率为5kHz或25kHz，幅值约为200mA。励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而感应电动势的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，为：Um：幅值系数；x：磁头与磁栅的相对位移；：机械位移相角W：磁栅的节距；ω：激磁信号的两倍频率。

在实际应用时，为了增大输出并提高稳定性，通常将多个磁头以一定的方式串联起来做成一体，称为多间隙静态磁头。

多隙磁通响应式磁头的典型结构7.2.3磁栅传感器应用技术

一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号，两磁头的间距为（n±1/4）W（n为正整数），两组磁头激磁信号的相位差为π/4。由于输出绕组的信号频率是激磁信号频率的两倍，所以两组磁头输出信号的相位差为π/2。磁栅传感器工作原理动画演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形为什么要采用两个静态磁头来读取磁栅上的磁信号？

若激磁绕组加上同相的正弦激磁信号，则两组磁头的输出信号为：

经检波滤除高频载波后可得：与光栅传感器两个光电元件输出信号完全相同u1’和u2’为两组磁头输出信号u1和u2的幅值

u1’和u2’为与位移量x成比例的信号，经处理即可得到位移量。鉴幅法：利用输出信号的幅值大小来反映磁头磁尺的相对位移量。鉴幅法鉴幅型磁栅传感器的原理框图辨向原理、细分方法与光栅传感器也完全相同

若激磁绕组上所加正弦激磁信号的相位差为π/4，或将输出信号移相π/2，则两组磁头的输出信号变为：

将与相加，在的条件下，鉴相法

输出信号u是幅值不变，但相位与磁头磁栅相对位移量有关的信号。读出输出信号的相位，就可以得到位移量。鉴相法：利用输出信号的相位大小来反映磁头磁尺的相对位移量。鉴相法常用的测量电路框图激磁绕组所加正弦激磁信号相位差π/4ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图7.2.4磁栅传感器的应用实例激磁绕组加同相正弦激磁信号，输出信号移相π/2磁栅测量系统压板磁头磁尺数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺信号航空插头光电编码器外形图7.3光电编码器其他光电编码器外形图

编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。7.3.1光电编码器的分类及其特性

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，已有各种系列产品可供选用。7.3.2光电编码器的工作原理

旋转式光电编码器有两种——绝对编码器和增量编码器。绝对式光电编码器的结构示意图1－光源；2－透镜；3－编码盘；4－狭缝；5－光电元件1.绝对编码器

编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。

码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。

当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号。

绝对编码器大多采用格雷码盘，格雷码盘两个相邻数的码变化只有一位码是不同的。格雷码和自然二进制码的比较表D十进制B二进制R格雷码D十进制B二进制R格雷码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000绝对式光电编码器原理动画演示工位定位示意图1－绝对式编码器2－电动机3－转轴4－转盘5－工件6－刀具绝对编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘上的码道数n

有关，分辨力即最小能分辨的角度为：

分辨率即分辨力与最大量程的比值为：位置信息一直可用，即使在掉电或电源出现故障时

利用光学分解技术可以获得更高的分辨力。如图所示为一个具有光学分解器的19位光电编码器。该编码器的码盘具有14（位）内码道和1条专用附加码道。

插值器将输入的正弦信号和余弦信号按不同的系数加在一起，形成数个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信号经过过零比较器转换成一系列脉冲，从而细分了光敏元件的输出，产生了附加的最低有效位。对应于14位中最低位码道的每一位，光敏元件将产生一个完整的输出周期

19位光电编码器的插值器产生16个正弦波形。每两个正弦信号之间的相位差为π／8，从而在14位二进制编码器的最低有效位间隔内产生32个精确等分点。分辨率2．增量编码器

增量编码器一般只需三条码道。码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，是用来产生计数脉冲的增量码道（）；中间一圈码道上有与外圈码道数目相同但错开半个的扇形区，作为辨向码道（）；第三圈码道（Z）上只有一条透光的狭缝，作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位（清零）信号。增量编码器的输出波形（a）码盘正转时（b）码盘反转时

在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形π/2；反转时，增量计数脉冲滞后π/2。增量码道辨向码道零位信号结构示意图l－均匀分布透光槽的编码盘2－LED光源3－光栏板上狭缝4－sin信号接收器5－cos信号接收器6－零位读出光电元件7－转轴8－零位标记槽增量式编码器原理动画演示光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（n+1/4）倍，n为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，又称为sin、cos元件。Sin信号Cos信号零位信号增量编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数n

有关，分辨力为：分辨率为:在掉电或电源出现故障时位置信息丢失透光区不透光区零位标志增量式绝对式哪一个是增量式，哪一个是绝对式？增量式、绝对式有何区别？7.3.3光电编码器的应用技术1.计数电路从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时，A道脉冲比B道滞后π/2。用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相'与'，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为π/N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。2.细分电路四倍频细分电路原理图（a）电路原理图（b）各点波形（正转时）减计数脉冲加计数脉冲增量编码器的辨向原理和细分电路同光栅传感器7.3.4光电编码器的选择选择光电编码器时主要应考虑以下技术指标：1.分辨力2.输出电信号特性3.频率特性4.使用特性1.测量转速（1）平均转速：在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数；（2）瞬时速度：计数器的计数脉冲来自时钟。（a）用编码器测量平均速度（b）用编码器测量瞬时速度转速越高分辨力越高转速越高分辨力越低7.3.5光电编码器的应用实例光电编码器转速测量动画演示t－测速采样时间N1－采样时间内测得脉冲个数N－编码器每转脉冲数N=？测量平均转速2.测量线位移

用旋转式光电增量编码器来测量线位移是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。（a）通过丝杆将直线运动转换成旋转运动（b）用齿轮齿条来实现直线－旋转运动转换2.测量线位移（c）采用皮带传动来实现线位移与角位移之间变换（d）采用摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换数控加工中心在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号用不同的刀具加工复杂的工件在伺服电机中的应用应用方面：转速测量转子磁极位置测量角位移测量7.4感应同步器7.4.1感应同步器及其特性

感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。圆感应同步器与角度数显表外形图

感应同步器可分为两大类：测量直线位移的直线式感应同步器和测量角位移的旋转式感应同步器。前者由定尺和滑尺组成，后者由转子和定子组成。优点：精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、对工作环境要求低、维护方便、制造工艺简单等。感应同步器数显表7.4.2感应同步器的结构与工作原理1.结构组成

直线式感应同步器由两个绕组构成。定尺是长度为250mm均匀分布的连续绕组，节距。滑尺上布有断续绕组，分正弦（）和余弦（）两部分，即两绕组相差90°电角度。

通常，定尺的节距W2为2mm，滑尺的节距W1通常与W2相等。(a)定尺绕组(b)W形滑尺绕组(c)U形滑尺绕组直线式感应同步器的绕组结构直线式感应同步器的截面结构图1、基板2、绝缘层3、导片4、耐腐绝缘层5、绝缘粘合剂6、铝箔滑尺定尺基板材料一般采用低碳钢或玻璃等非导磁性材料，然后粘贴绝缘层和铜箔，再进行表面防护处理，在滑尺表面贴上一层铝箔，以防止静电感应。感应同步器的解剖图2.感应同步器的类型

因被测量不同，感应同步器可分为直线（位移）式和旋转式两类。直线式感应同步器最常见的有标准型、窄型和带型。标准型直线式感应同步器外观尺寸带型感应同步器外形图（参考东方仿真）

旋转式感应同步器的转子相当于直线式感应同步器的定尺，定子相当于滑尺。目前旋转式感应同步器按直径大致可分成302mm、178mm、76mm、50mm四种。极数（径向导体数）有360、720和1080数种。

旋转式感应同步器外形图3.感应同步器的工作原理

工作原理：当滑尺绕组采用正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。

当滑尺位于A点时，余弦绕组左右侧的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的感应电势之和为零。

当滑尺向右移时，定尺绕组中的感应电势之和就不为零，而是开始增大。当滑尺移到1／4节距位置B点时，感应电势达到最大值。

若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势逐渐减少。到1／2节距即C点时，感应电势变为零。

再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，但电流方向改变。当滑尺右移至3／4节距即D点时，定尺中的感应电势达到负的最大值。

同理，由滑尺正弦绕组产生的感应电势如图中曲线2所示。

在移动一个节距后即到E点时，两绕组的耦合状态又周期地重复如图A点所示状态。

——定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数

若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压和，则定尺上的感应电势和可用下式表达：Kω：耦合系数；θ=2πx/W2：与位移x等值的电角度

若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有鉴相法、鉴幅法和脉冲调宽法三种。感应同步器原理动画演示滑尺与定尺相对运动时的输出波形1)鉴相法：根据感应电势的相位来测量位移。

在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加幅值和频率相同、相位差900的励磁电压us和uc，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：定尺上的总感应电势为：与磁栅传感器的鉴相法相似2）鉴幅法：根据感应电势的幅值来测量位移。

在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加同频、反相且幅值不等的正弦激磁电压us和uc，即：两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：根据叠加原理，感应电势为：

调整激磁电压φ值，使φ=θ，则定尺上输出的总感应电势为零。激磁电压的φ值反映了感应同步器定尺与滑尺的相对位置。感应电势的幅值3）脉冲调宽法

前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦激磁电压，而脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压，即本质上也是一种鉴幅法（a）激磁方波电压把us、uc分别用傅里叶级数展开，可得

若把加到滑尺正弦绕组上，则定尺感应电势应为各次谐波所产生的感应电势之和，即（b）感应电势

若把加到滑尺余弦绕组上，同样可得到定尺感应电势为各次谐波产生的感应电势之和，即、的波形均为一系列的尖脉冲。

从、表达式中可知，感应电势除基波分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若使用性能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基波成分，这时可认为感应电势为：

当用感应同步器测量位移时，与鉴幅法类似，可以调整激磁脉冲宽度φ值，用φ跟踪θ。

当用感应同步器来定位时，则φ用来表征定位距离，作为位置指令，使滑尺移动来改变θ，直到θ=φ，即e=0时停止移动，以达到定位的目的。7.4.3感应同步器的应用技术1．鉴相法测量系统

作用：通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字量。通常由位移－相位转换、模数转换和计数显示三部分组成。1）位移－相位转换

由绝对相位基准（n倍分频器）、90°移相器、功率放大器及放大滤波整形等电路组成。

功能：通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。鉴相法测量系统原理框图位移-相位转换模数转换计数显示2）模数转换

功能：将代表位移量θ（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。由相对相位基准（脉冲移相器）、鉴相器、相差门槛及计数脉冲门等电路组成。3）计数显示

计数显示由显示计数器，加、减计算逻辑，“＋”、“一”符号逻辑，显示过零逻辑，译码显示，置数开关及绝对零点显示等电路构成。

鉴相法测量系统的工作原理：当系统工作时，θ≈θ´，相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置“0”，则所在位置为“相对零点”。假定以此为基准，滑尺向正方向移动，△θ的相位发生变化，θ

与

θ´之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差△θ，并输出反映θ´滞后于θ的高电平。该两输出信号控制脉冲移相器，使产生相移，θ´趋近于θ。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时θ≈θ´。在这个相位跟踪过程中，插入到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示。2