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1、Cha.17 数字式传感器,数字式传感器一般是指把被测物理量转换成数字量输出的传感器。它是测量技术、微电子技术和计算技术的综合产物，是传感器技术的发展方向之一，主要包括光栅传感器、磁栅传感器、码盘、感应同步器等。广义说，所有模拟式传感器的输出都可经过模数转换而得到数字量输出，这种传感器则可称为广义数字式传感器。数字式传感器的优点是测量精度高、分辨率高、输出信号抗干扰能力强和可直接输入计算机处理等。本章学习几种常用数字式位置传感器的结构和原理，如角编码器、光栅传感器等，并讨论他们在直线位移和角位移中测量和控制的应用。,一、位置测量的方式,1、直接测量和间接测量,位置传感器有直线式和旋转式两大类。
2、若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量的长光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。,1).直接测量,直接测量的误差较小。图为利用光栅传感器测量数控机床工作台位移量的现场。,工作台,光栅,工作台运动方向,2).间接测量,在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移。间接测量须使用丝杠-螺母
3、、齿轮-齿条等传动机构。,工作台,丝杠,编码器,饲服电机,x,传动机构,通过滚珠丝杠螺母副、齿轮-齿条副等传动机构能够将旋转运动转换成直线运动。但应设法消除传导过程产生的间隙误差。,齿距,齿条,齿轮,x,齿轮-齿条副,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠螺母副能够减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。,螺母,丝杠,x,传动分析,若：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，则：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度v又为多少？,螺母,丝杠,螺距,x=？,N=10圈,2、增量式和绝对式测量,在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此
4、信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。绝对式测量中，每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。,增量式测量得到的脉冲波形,二、数字式角编码器（码盘）,编码器主要分为脉冲盘式（增量式）和码盘式（绝对式）两大类：增量式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。而绝对式编码器能直接输出某种码制的数码。绝对编码器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
5、式和电磁式三种，后两种为非接触式编码。目前，使用最多的是光电编码器。,角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）,1、绝对式码盘工作原理（以接触式为例）接触式码盘由码盘和电刷组成。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。,红色处为导电区，若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
6、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,四位二进制数码。由此可知，码盘所能分辨的角度为360/2 n，若n4，则22.5。位数越多，可分辨的角度越小，若取n8，则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 n8)，这种接触式码盘将难以制作。,绝对式接触式编码器演示,4个电刷,4位二进制码盘,+5V输入 公共码道,8-4-2-1码制码盘,8-4-2-1码制的码盘，由于电刷安装不可能绝对精确可能存在机械偏差，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，即由 7 变为 8 时，如果电刷
7、进出导电区的先后可能是不一致的，此时就会出现815间的某个数字。这就是所谓的非单值误差。消除非单值误差的办法采用循环码(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。,绝对式光电编码器,高位,低位,在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。以装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷。
8、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）相对应的电信号。,2、角编码器的应用,角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，还可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。,安装套,编码器的安装方式,1.编码器的套式安装,安装轴,2.编码器的轴式安装,编码器在伺服电机中的应用,利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。,角位移测量转速测量 控制位置测量 控制,编码器在定位加工中的应用,1绝对式编码器2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具,数
9、控加工中心,编码器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,角编码器的输出为当前刀具号,角编码器与旋转刀库连接,刀具,用不同的刀具加工复杂的工件,三、光栅传感器,1、光栅传感器的类型和结构,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。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。长光栅的光栅副是由主光栅又称标尺光栅(固定不动)和指示光栅（可移动）组成。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。常用的栅线每毫米有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
10、距W为Wa+b。通常取a=bW/2。,尺身,尺身安装孔,扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,反射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,2、透射式计量光栅的工作原理,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，如下图所示。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。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。,光栅的刻线宽度W,莫尔条纹的宽度L,如果改
11、变角，两条莫尔条纹问的距离L也随之变化。条纹间距L与栅距W和夹角有如下关系：,当指示光栅移动时，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L。越小，L越大，当小于1以后，可使LW，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。,莫尔条纹光学放大作用举例,有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则 分辨力=栅距=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观
12、察光强的变化）而莫尔条纹的宽度 LW/=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm 由于较大（是栅距的32倍），因此可以用小面积的光电元件“观察”莫尔条纹光强的变化。,莫尔条纹演示,莫尔条纹特点,(1)、位移的放大作用莫尔条纹间距把栅距放大了（1/）倍,提高了测量的灵敏度，该特点为利用光栅测位移的基本理论依据。(2)、位移的严格对应关系莫尔条纹的移动方向和移过的条纹数与栅距的移动方向（指示光栅的移动方向）和移过的栅距个数严格一一对应，该特点为利用光栅测位移提供了现实保证。(3)、误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对个别线纹的刻划误差有平均抵
13、消作用，根据该特点应适当增加光栅栅线密度。,1）光电转换 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,3、测量电路,上的光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。,
14、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/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。,U1和U2信号经整形后得到方波U1/和U2/。U2/作为门控信号与U1/的微分信号一起输入到与门Y1，与U1/反相后的微分信号一起输入到与门Y2。假设光栅右移时，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/反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。这样就实现了左右移动的方向辨别和移动
15、脉冲的输出。,Y1,Y2,3）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。倘若要求读出位移为0.1m，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。此时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/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/
16、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。,光栅细分举例,有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则：分辨力=W/4=（1mm/50）/4=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数的情况下，将分辨力提高了3倍。,光栅辨向&细分电路,光栅专用数据转接器（光栅辨向&细分）,内部包含放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换电路等。,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）,数显表,2自由度光栅数显表,X位移显示,Z（Y）位移显示,3自由度光栅数显表,安装
17、有长光栅的数控机床加工实况,防护罩内为长光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,四、感应同步器 感应同步器是1960年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移及角位移）传感器，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。按其用途可分为两大类：测量线位移的直线式感应同步器（由定尺和滑尺组成）；测量角位移的旋转式感应同步器（由转子和定子组成）。,直线式感应同步器,旋转式感应同步器,1、直线式感应同步器的基本结构 定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴
18、有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上；短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间隙。感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是均匀、连续的感应绕组；滑尺上是分段绕组，分段绕组分为两组，布置成在空间相差/2或3/4相角，又称为正、余弦绕组。感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。,节距（2mm）,定尺,滑尺,sin,cos,感应绕组,正弦励磁绕组,余弦励磁绕组,节距(0.5mm
19、),2直线式感应同步器的工作原理,在滑尺的正弦绕组中，施加频率为f的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动1/4节距后，两绕组反向时，感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性的重复变化一次，其感应电势随位置按余弦规律变化。同样，若在滑尺的余弦绕组中，施加频率为f的交变电流时，定尺绕组上也感应出频率为f的感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化。,由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以
20、定尺上总的感应电势为式中 K定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）,。感应同步器是利用感应电压的变化来进行位置检测的。根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相和鉴幅两种方法，前者是通过检测感应电压的相位来测量位移，后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移。,3.测量方法1）鉴相法 当滑尺的两个励磁绕组分别施加同频率和同幅值，但相位相差90o的两个电压时，定尺感应电势相应随滑尺位置而变。设，则 从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移x的变化转成感应电势相角 的变化。因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：,2）鉴幅法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加同频率和同相位，但幅值不等的两个交流电压根据线性叠加原理，定尺上总的感应电势Uo为两个绕组单独作用时所产生的感应电势Uo和Uo之和。即,式中 感应电势的幅值；Um 滑尺励磁电压最大的幅值；滑尺交流励磁电压的角频率，=2f；指令位移角。由上式知，感应电势U2的幅值随 作正弦变化，当 时，Uo=0。随着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量Uo的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。,
