第 10 章 数字式传感器

1. 第10章 数字式传感器 10.1 光栅传感器 10.2 磁栅传感器 10.3 感应同步器 10.4 角数字编码器 10.5 频率式数字传感器 0755-83376489

2. 第10章 数字式传感器 模拟式传感器——模拟量 传感器— 数字式传感器——数字量 数字式传感器的优点： 测量精度与分辨率高，无读数误差； 抗干扰能力强，稳定性好，易于远距离传输； 易于与微机接口，便于信号处理和实现自动化测控。 数字式传感器分类： 脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编 码器； 数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。 0755-83376489

3. 10.1 光栅传感器 物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等 光栅 线位移长光栅—长度测量 计量光栅：莫尔条纹现象 （透射式和反射式） 角位移圆光栅—角度测量 0755-83376489

4. 10.1 光栅传感器 10.1.1光栅传感器的结构和原理 10.1.1.1结构： 图10-1 黑白透射 式光栅示意图 0755-83376489

5. 10.1 光栅传感器 结构: 照明系统：普通白光源，GaAs固态光源 等； 光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅； 光电接收元件：光电池或光敏三极管。 光栅： 刻线宽度a，刻线间距b，通常a=b=W/2；或a:b=1.1:0.9； 光栅栅距（或光栅常数）W=a+b； 光栅规格：10、25、50、100线/mm。 0755-83376489

6. 10.1 光栅传感器 10.1.1.2工作原理 1．莫尔（Moire）条纹的形成 光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻 线之间保持很小的夹角，由于遮光效应，在近于垂直栅线 方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（Moire）条纹。如 图10-2所示。 Moire条纹的间距B为 （10-1） 图10-2 光栅和横向 莫尔条纹 0755-83376489

7. 10.1 光栅传感器 2. 莫尔（Moire）条纹的基本特性 （1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应 移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对 应关系； （2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间 距B，由B=W/知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于 此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移； （3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合 效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果； （4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分 技术，提高测量分辨率。 0755-83376489

8. 10.1 光栅传感器 10.1.2 光栅传感器的测量电路 10.1.2.1 光栅的输出信号 主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在 固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电 信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关 系。 光电元件输出电压uo可表示为 (10-2) 式中，Uav—输出信号的平均直流分量；Um—输出信号的 幅值 ，Um=Uav。 0755-83376489

9. 10.1 光栅传感器 光栅输出信号的光电转换电路及其输出信号波形如图10-3 所示。 图10-3 光栅输出信号 （a）光电转换系统示意图（b）输出信号波形 0755-83376489

10. 10.1 光栅传感器 光栅传感器测位移x的原理： 当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周 期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉 冲，则位移量x为 x=NW (10-3) 式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。 输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为 (10-4) 由上式可见，当2x/W=n，即x=W/2、W、3W/2、… 时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为 Ku =2Um/W (10-5) 0755-83376489

11. 10.1 光栅传感器 10.1.2.2 辨向原理 计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。 图10-4 光栅辨向原理图 0755-83376489

12. 10.1 光栅传感器 辨向原理： 在相距B/4位置设置两个光电元件1和2，得到两个相位差 /2的Moire条纹正弦电压信号u1和u2，然后送到辨向电路中 去处理。正向移动（A）时，Y1输出脉冲，计数器作加法计 数；反向移动（ ）时，Y2输出脉冲，计数器作减法计 数。由此辨向，进行位移的正确测量。 0755-83376489

13. 10.1 光栅传感器 10.1.2.3 细分技术 细分技术就是当Moire条纹变化一个周期时，输出若干个 计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。 1.机械细分(位置细分或直接细分) 在一个Moire条纹间距上相距B/4依此设置四个光电元件。 当Moire条纹变化一个周期时，可以获得依此相差/2的四个 正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图10-5），实现 四细分。 图10-5 四倍频机械细分法 0755-83376489

14. 10.1 光栅传感器 2.电子细分（正、余弦组合技术） 电子细分只需在一个Moire条纹间距上相距B/4的位置 设置两个光电元件，获得相差/2的两个正弦信号 u1=Umsin(2x/W)； u2=Umcos(2x/W)（10-6） （1）四倍频细分 由u1、u2及其各自的反相信号u3、u4，可以获得依此相 差/2的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四 细分。 0755-83376489

15. 10.1 光栅传感器 （2）电阻电桥细分 图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所 示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载 电阻无穷大，则电桥输出电压uo为 (10-7) 电桥平衡条件 R2u1+R1u2=0 令 2x/W=，则式（10-6）改写为 u1=Umsin和u2=Umcos，代入上式，得 tan= R1/R2（10-8） R1/R2  x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/ 2 图10-6 电阻电桥细分原理 0755-83376489

16. 10.1 光栅传感器 由于R1/R2与位移x有严格的对应关系，用电桥平衡信号 （uo=0）去触发施密特电路，便发出脉冲计数信号。从式 （10-8）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是， 如果同时用u1、u2的反向信号，便可在四个象限中得到任意 的细分组合。图10-7就是这种电阻电桥10细分电路的例子。 图10-7 电阻电桥10细分电路 0755-83376489

17. 10.1 光栅传感器 （3）电阻链细分法 电阻链细分实质上也是电桥 细分，只是结构形式不同而已。 如图10-8所示，对任一输出电 压为零时，有如下关系 （10-9） 10-8 电阻链细分电路 0755-83376489

18. 10.2 磁栅传感器 10.1.3零位光栅和绝对零位 光栅测量系统是一个增量式测量系统，在测量过程中，它 只有相对零位。实际测量过程中需确定一个基准点，即绝对 零位。 零位光栅确定系统的绝对零位。零位光栅是在标尺光栅和 指示光栅的原有刻线之外另行刻制的，最简单的零位光栅刻 线是一条单独刻制的透光亮线。 圆光栅传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测 量。 0755-83376489

19. 10.2 磁栅传感器 10.1.4光栅传感器的应用 光栅传感器因其测量精度高、量程大、易于实现系统的自动化和数字 化，广泛应用于机械工业中数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标 测量、机床运动链的比较和反馈校正以及工件和工模具形状的二维和三 维坐标精密检测等方面。图10-13是透射长光栅传感器结构示意图。 图10-13 透射长光栅传感器 0755-83376489

20. 10.2 磁栅传感器 10.2.1磁栅传感器的结构和工作原理 结构：磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电路等组成，如图10-14所示。 图10-14 磁栅传感器 示意图 0755-83376489

21. 10.2 磁栅传感器 磁信号节距： 长磁栅，=0.05mm，0.02mm两种；磁栅条数在 100~30000之间。 磁头： 动态磁头，非调制性磁头或速度响应式磁头； 静态磁头，磁通响应式磁头或调制式磁头。 0755-83376489

22. 10.2 磁栅传感器 原理： 动态磁头与磁栅间以一定速度相对移动时，磁头线圈输 出正弦感应信号，信号的大小与移动速度有关。结构原理如 图10-16所示。 图10-16 动态磁头结构与读出信号 0755-83376489

23. 10.2 磁栅传感器 静态磁头为多间隙磁头，磁芯上具有两个绕组（激磁绕组N2和输出绕 组N1），它根据激磁绕组所产生的磁感应强度和磁尺上的磁化强度的变 化情况，输出一个与磁尺位置相对应的电信号。静态磁头结构如图10-17 所示。 图10-17 静态磁头结构 0755-83376489

24. 10.2 磁栅传感器 0755-83376489

25. 10.2 磁栅传感器 静态磁头的工作原理如图10-18所示。激磁绕组相当于 一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的 和Rm随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻 Rm在磁芯中的作用相当于一个“磁开关”，对磁尺产生的 磁通起“导通”和“阻断”作用，从而引起输出绕组的磁芯回 路中的磁通变化，产生感应电动势。每一激磁电压周期内 有两次磁通变化，感应电动势频率是激磁电压频率的2 倍，幅值与磁尺所产生的磁通量大小成比例。 0755-83376489

26. 10.2 磁栅传感器 图10-18 静态磁头磁栅传感器工作原理图 0755-83376489

27. 10.2 磁栅传感器 10.2.2磁栅传感器测量系统 磁栅传感器测量系统都采用两个多间隙磁头来读出磁尺上 的磁信号，如图10-14所示。双磁头间隔/4安置，则两磁头 的磁信号相位差/4，输出绕组输出相位差/2的两正弦信号 (10-14) 式中，—磁尺磁信号的空间波长；x—磁头在一个波长内 的位置状态；—输出信号的频率，=2f（激励信号频率 为f /2）；EO1、EO2—两输出信号的幅值，通过调整，可使 EO1=EO2=EO。 0755-83376489

28. 10.2 磁栅传感器 若采用鉴幅方式，则先经检波去掉高频载波，得 (10-15) 再送相关电路进行细分、辨向后输出。 0755-83376489

29. 10.2 磁栅传感器 若采用鉴相方式，用两个相差/4的激磁信号激励，则输 出信号为 (10-16) 将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为 (10-17) 这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化 的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。 0755-83376489

30. 10.2 磁栅传感器 10.2.3磁栅传感器的特点和误差分析 磁栅传感器录制的磁信号的空间波长稍大于计量光栅 的栅距W； 零磁栅录制比零位光栅刻线简单； 存在零位误差和细分误差； 系统总误差在±0.01m以内； 分辨力为1~5m.。 0755-83376489

31. 10.3 感应同步器 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随 位置不同而变化的原理而制成的测位移的传感 器，其输出是数字量，测量精度高，并且能测 1m以上的大位移，因而广泛应用于数控机床。 0755-83376489

32. 10.3 感应同步器 10.3.1感应同步器的结构和工作原理 结构： 直线式:滑尺（平面分段绕组，正、余弦绕 组）和定尺（平面连续绕组） 感应同步器 旋转式(圆盘式)：转子（平面连续绕组）和 定子（平面分段绕组，正、余弦组） 感应同步器的连续绕组和分段绕组相当于变压器的原边绕 组和副边绕组，利用交变电磁场和互感原理工作。 0755-83376489

33. 10.3 感应同步器 图10-19 直线式感应同步器示意图 图10-20 圆感应同步器示意图 0755-83376489

34. 10.3 感应同步器 原理： 图10-21画出一个简化了的直线式感应同步器结构，用来 定性地说明它的输出感应电动势与相对位置之间的关系。 图10-21 感应同步器的相对位置与输出感应电动势的关系 S—正弦绕组；C—余弦绕组；(f)感应电势与位移关系曲线 0755-83376489

35. 10.3 感应同步器 如图（10-21），在滑尺的余弦绕组加上激励电压。由于 绕组导片的长度远大于其端部，导片的长度与气隙之比又远 大于1，因此，为了简化，可以略去定、滑尺绕组的端部影 响，并将导片视为无限长导线。为了进一步简化，把激励的 正弦电压看成带正、负号的“直流”持续增长情况。设其相应 的激励电流方向如图中所示。 图10-21(a)所示，余弦绕组中的电流在定尺绕组中感应的 电动势之和为零。这个位置称为感应同步器的零位置。 当滑尺向右移动一段距离(W／8)，如图10-21(b)的位置 时，保持激励电压不变，如图所示，余弦绕组左侧导片在定 尺绕组中感应的电动势比右侧导片所感应的大，定尺绕组中 感应电动势的总和就不再为零，它的感应电流的方向如图中 所示。 0755-83376489

36. 10.3 感应同步器 可以得出，定尺的感应电动势随着滑尺的右移而增大，在 向右移动W／4位置时(图10-21(c))，达到最大值。 滑尺继续向右移动，定尺的感应电动势又逐渐减小。当移 过W／2位置(图10-21(d))时又回复到零。滑尺再继续向右 移，定尺绕组中又开始有感应电动势输出，但是电动势的极 性改变了。在滑尺右移3W／4位置图(10-21(e))时，定尺绕组 中的感应电动势达到负的最大值。 滑尺继续向右移动，定尺中的感应电动势会逐渐减小。当 移过距离W时，回复到图10-21(a)的位置状态，定尺绕组中 的感应电动势也回复到开始时的零态。只是相对位置右移了 一个周期W。再继续移动将重复以上过程。 0755-83376489

37. 10.3 感应同步器 可见，当滑尺绕组上加上激励电压时，定尺输出感应电动 势是滑尺与定尺相对位置的正弦函数，如图10-21(f)所示， 可以写成 （10-18） 式中，=2x/W，是位移所形成的正弦电压的相位角。 同理，如果滑尺正弦绕组加上与余弦绕组相同的激励电 流，则由于正、余弦绕组在空间位置上相差/2的相位角(即 空间位置相差W/4)，在同样移动情况下，将会在定尺绕组 中产生相同的感应电动势，只不过相位差/2而已。为后面 讨论方便，可以将正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别 写成 （10-19） 0755-83376489

38. 10.3 感应同步器 10.3.2 信号处理方式 1.鉴相法 如果滑尺的正、余弦绕组中的激励电压不是前面简化假设 的“直流”情况，而是交流激励电压，则在定尺中的感应电动 势es和ec将不再是幅值Em恒定、与相对位移成正、余弦关 系，而是幅值交变的正、余弦关系。 实际应用时，在滑尺的正、余弦绕组上供给频率相同、相 位差/2的交流激励电压，即 正弦绕组激磁电压 us=Umsint 余弦绕组激磁电压 uc=Umcost （10-20） 式中，Um—激磁电压幅值。 0755-83376489

39. 10.3 感应同步器 由于定尺和滑尺都是平面绕圈，这种“线圈”又是由导体往 复曲折构成的“匝”，它并不是平面螺线，更不是柱形螺管， 所以感抗L是非常小的，可以略去L而只考虑其电阻R，于是 上列两激励电压在各自的线圈中产生的电流是 (10-21) 这种激励电流在定尺中所感应出的电动势分别为(e= kdi/dt) (10-22) 式中，ks和kc分别为正、余弦绕组与定尺绕组间的耦合系数 0755-83376489

40. 10.3 感应同步器 定尺绕组中感应电动势为滑尺的正、余弦绕组共同产生 的，为 当ks=kc=k时，上式可以写成 (10-23) 上式表明定尺绕组中的感应电动势eo的相位是感应同步器 相对位置角(或位置x)的函数，位移每经过一个节距W，感 应电动势eo则变化一个周期(2)。检测eo的相位，就可以确 定感应同步器的相对位置。因此，这种方法称为鉴相法。 0755-83376489

41. 10.3 感应同步器 2．鉴幅法 如果滑尺绕组的激励电压分别为 正弦绕组 us=Umcoscost 余弦绕组 uc=Umsincost 则在定尺绕组中产生的感应电动势的总和为 eo= ec+es=kUmsintsincoskUm sintcossin = kUmsin()sint = Emsin()sint (10-24) 式(10-24)表明，激励电压的电相角值与感应同步器的相对 位置角有对应关系。调整激励电压的值，使输出感应电动 势eo的幅值为零，此时，激励电压的值就反映了感应同步 器的相对位置。通过检测感应电动势的幅值来测量位置状 态或位移的方法称为鉴幅法。 0755-83376489

42. 10.3 感应同步器 在这种情况下，利用专门的鉴幅电路，检查eo的幅值是否 等于零。若不等于零，则判断()>0或是()<0，通过对 的自动调整，使达到()=0。最后测出稳定后的值，它 就是值。由于= =2x／W，所以 (10-25) 这就是鉴幅法测位移x的原理。 若设在初始状态时=，则e=0。然后滑尺相对定尺存在 一位移x，使+，则感应电动势增量为 （10-26） 由此可见，在位移增量x较小时，感应电动势增量e的幅 值与x成正比，通过鉴别e的幅值，就可以测出x的大小. 0755-83376489

43. 10.3 感应同步器 实际中设计了这样一个电路系统，每当位移x超过一定 值(例如0.0lmm)，就使e的幅值超过某一预先调定的门槛 电平，发出一个脉冲，并利用这个脉冲去自动改变激励电 压幅值，使新的跟上新的。这样继续下去，便把位移量 转换成数字量，从而实现了对位移的数字测量。 0755-83376489

44. 10.3 感应同步器 10.3.3 直线式感应同步器的接长与定尺激励方式 标准型直线式感应同步器定尺的规定长度为250mm，单块 使用时有效长度为180mm左右。因此，当测量长度超过 180mm时，需要用两块以上的定尺接长使用。 定尺接长后输出电动势会减弱。这是因为接长后感应同步 器输出阻抗增大所造成的。为此，当测量长度超过一定值 时，需要对定尺采取串、并联组合的方法来改善信号条件。 3m以下的接长，采用定尺绕组串联接线方式； 3m以上的大行程接长，往往采用分段串联后再并联的 接线方式。 定尺接长时，在接缝区因为磁路的变化将出现误差跳动的 现象。目前我国已能生产长度为lm，精确度达1.5m的定 尺，这将有助于改进直线式感应同步器的接长工作。 0755-83376489

45. 10.3 感应同步器 为了改善滑尺激励的缺点，20世纪70年代中期出现了定 尺激励技术。定尺激励工作方式是在定尺绕组输人一个激 励信号，如Umcost，滑尺绕组中就分别输出两个幅值与 感应同步器位置状态有关的相位差/2的信号 es=kUmsinsint， ec=kUmcossint （10-27） 通过相应的电路处理，就可以测出感应同步器的位置状态 的值，进而确定位置x。 0755-83376489

46. 10.3 感应同步器 定尺激励工作方式的优点： (1)因激励信号的负载是一个恒定负载—定尺，它不需要像滑尺激励方 式那样改变有关参数，电路中没有开关元件，因此，可以有效地加强激 励，提高输出信号电平。 (2)在系统中，定尺是处于强信号电平下，滑尺是处于弱信号电平下。 因此，定尺激励改善了信号通道的信噪比，提高了抗干扰能力。 (3)在感应同步器的制作中，不可能保证滑尺两个绕组的空间位置完全 正交 (相差W/4间隔)，因而也就引人了一定的测量误差。这种误差在滑 尺激励方式中是无法弥补的。但是，在定尺激励方式下，因为它的处理 电路在感应同步器的后面，因此可以对这种误差加以校正。因而有利于 提高细分，实现高精度测量。 (4)在对正、余弦函数信号的处理中不涉及功率，因此，有利于提高电 路工作的稳定性和可靠性。 0755-83376489

47. 10.3 感应同步器 10.3.4 感应同步器的绝对坐标测量系统 感应同步器作为位移测量传感器，当位移量在一个节距W 内时，它是一个闭环的跟踪系统，亦即必须等于，或者接 近于，系统才处于稳定状态，因而具有良好的抗干扰能力 和可靠性。但是，当测量范围超过感应同步器的节距W 时，它仍然属于增量式的数字测量系统。因此，闭环跟踪的 优点就大为削弱了。 为了充分发挥感应同步器的优点且在长距离位移后仍能测 出位移的绝对值，必须在上述感应同步器上加以改进，三重 感应同步器就可以实现大量程范围内的闭环跟踪测量。 0755-83376489

48. 10.3 感应同步器 三重感应同步器如图10-22所示，定尺和滑尺均有粗、中、 细三套绕组。其中细尺和普通定尺、滑尺一样，栅条都是和 位移方向垂直的，其节距Wx=2mm。滑尺的粗、中绕组的栅 条与位移方向平行。定尺的粗、中绕组的栅条相对于位移倾 斜不同的角度： 定尺的中绕组栅条与位移方向夹角=1845； 粗绕组栅条与位移方向夹角=14。 细绕组用来确定1mm内的位置状态,分辨力一般为0.1mm； 中绕组节距Wz=100mm，用来确定1~100mm内的位置状态; 粗绕组节距Wc=4000mm ，用来确定100~4000mm内的位置 状态。 这三套绕组构成一套4000mm范围内的绝对坐标测量系统。 0755-83376489

49. 10.3 感应同步器 图10-22 三重感应同步器 0755-83376489

50. 10.3 感应同步器 10．3．5 误差分析 感应同步器的误差： 零位误差 是指在只有一组激励绕组的情况下定尺输出 零电压时的实际位移量与理论位移量之差。 引起零位误差的原因可能有刻划误差、安装误差、变形误 差以及横向段导电片中的环流电动势的影响等。 0755-83376489