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1、第3章 数字式传感器,3.1 光栅传感器3.2 编码器3.3 感应同步器,3.1 光 栅 传 感 器,3.1.1 光栅的结构及工作原理 1.光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅，图3-1为透射光栅的示意图。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。,图13 1 透射光栅示意图,2.光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者
2、的栅线之间形成一个很小的夹角，如图3-2所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图3-2可见，在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。,图3-2 光栅莫尔条纹的形式,莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间
3、的关系为,（3-1）,越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这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。,（2）莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,3.1.2 光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整
4、的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。,1.光栅读数头 光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头的结构示意图见图3-3。,前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图3-2看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到
5、渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数(如图3-4所示)，如以电压输出，即,（13-2）,式中：uo光电元件输出的电压信号；Uo输出信号中的平均直流分量；Um输出信号中正弦交流分量的幅值。,由式（3-2）可见，输出电压反映了位移量的大小。,图3-4 光栅位移与光强、输出电压的关系,2.光栅数显表 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现
6、数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。,（1）辨向原理 采用图3-3中一个光电元件的光栅读数头，无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。图13-5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。,从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿
7、A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲,正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2 的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲,则说明u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。,图3 5 辨向逻辑工作原理,(2)细分技术 在前面讨
8、论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法，这种细分法也是许多其它细分法的基础。,在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2
9、的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。,3.2 编 码 器,将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：,脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正
10、向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，能方便地与数字系统（如微机）连接。编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等，后两种为非接触式编码器。非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。,3.2.1 光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码
11、圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构如图3-6所示。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。码盘构造如图3-7所示，它是一个6位二进制码盘。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。,编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。对于图3-7所示的6位二进制码
12、盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度5.6。,图3-6 光电式编码器示意图,图3-6 码盘构造,采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或
13、延后改变，就会造成粗误差。为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。表3-1 给出了四位二进制码与循环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。图13-8所示的是一个6位的循环码码盘。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。,表3-1 四位二进制码与循环码对照表,图3-8 6位循环码码盘,循环码是一
14、种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。按表3-1 所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为,或,式中：R循环码；C二进制码。,(3-3),根据上式用与非门构成循环码-二进制码转换器，这种转换器所用元件比较多。如采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码或任意进制码。大多数编码器都是单盘的，全部码道则在一个圆盘上。但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精度也难以达到。如要达到1左右的分辨率，至少采用 20 位的码盘。对于一个刻划直径为 400mm的20位码盘，其外圈分划间隔不到1.2m，可见码盘的制作不是一件易事，而且光线经过这么窄的狭缝会
15、产生光的衍射。这时可采用双盘编码器，它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。,3.2.2 磁编码器 磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成，它的构成如图3-9所示。多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成形；另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关，而与电流平行的磁场无关。,图3 9 磁编码器的基本结构,1磁鼓；2气隙；3磁敏传感部件；4磁敏电阻元件,电磁式编码器的码盘上按照一定
16、的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器，输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。,3.3 感 应 同 步 器,3.3.1 结构原理 感应同步器
17、有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成，如图3-10所示。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成，如图3-11所示。在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90相角，故又称为正弦、余弦绕组。工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量。,图3-10 长感应同步器示意图(a)定尺；(b)滑尺,图3-11 圆感应同步
18、器示意图(a)定子；(b)转子,3.3.2 信号处理方式 按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。1.鉴相方式 滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开1/4定尺的节距，激励时加上等幅等频，相位差为90的交流电压，即分别以sint和cost来激励，这样，就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量，故叫鉴相型。,当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为,式中，k为耦合系数。当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcost）,感应电势为,按叠加原理求得定尺上总感应电动势为,式中的=2x/称为感应
19、电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距，变化一个周期（2）。,2.鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。加到滑尺两绕组的交流励磁电压为,(3-7),(3-8),式中 Us=Um sin；Uc=Um cos；Um激励电压幅值；给定的电相角。,它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为,es=kUs sint sinec=kUc sint cos,定尺的总感应电势为,e=es+ec=kUs sint sin+kUc sint cos=kUm sint(cos cos+sin
20、sin)=kUm sint cos(-),式中把感应同步器两尺的相对位移x=2/和感应电势的幅值kUm cos(-)联系了起来。,3.3.3 感应同步器位移测量系统 图3-12为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列，经过脉冲相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波0和指令信号方波1。参考信号方波0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。感应同步器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波2。指令信号1和反馈信号2同时送给鉴相器，鉴相器既判断2和1相位差的大小，又判断指令信
21、号1的相位超前还是滞后于反馈信号2的相位。,图3 12 鉴相测量方式数字位移测量装置方框图,假定开始时1=2，当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的感应电压的相位2（即反馈信号的相位）发生变化。此时12，由鉴相器判别之后，将有相位差=2-1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。此误差信号控制门电路“开门”的时间，使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。通过门电路的脉冲，一方面送给可逆计数器去计数并显示出来；另一方面作为脉冲相位变换器的输入脉冲。在此脉冲作用下，脉冲相位变换器将修改指令信号的相位1，使1随2而变化。当1再次与2相等时，误差信号=0，从而门被关闭。当滑尺相对定尺继续移动时，又有=2-1作为误差信号去控制门电路的开启，门电路又有脉冲输出，供可逆计数器去计数和显示，并继续修改指令信号的相位1，使1和2在新的基础上达到1=2。因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中，就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来。,
