1、数字式传感器,根据传感器输出的信号是模拟信号还是数字信号，我们可以把传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器是指传感器的输出信号为模拟量，如我们前面介绍的电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等；数字式传感器是指传感器的输出信号是数字量。与模拟式传感器相比，数字式传感器的优点是：测量精度和分辨率更高，稳定性更好，抗干扰能力更强，易于与微型计算机接口相连，组成智能控制系统，也方便信号的传输和处理。数字式传感器的种类多样，一般来说，按输出信号的形式可以分为编码型数字式传感器和脉冲型数字式传感器。编码型数字式传感器把被测量转换为数字编码输出，脉冲型数字式传感器把被测量转换为脉冲数字输出。
2、按照其工作原理，目前常用的数字式传感器有以下三类：光栅传感器、感应同步器和编码器。数字式传感器一般用来测量线位移和角位移。计量光栅型传感器。计量光栅型传感器是利用光栅的莫尔条纹现象来工作的，主要用于位移和角位移的测试，应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、大规模集成电路制造设备和高精度测试仪器等，它具有测量结构简单、测量精度高、易于与计算机连接等优点，因此得到了广泛的应用。,一、光栅的结构和莫尔条纹现象在一块长方形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9-1所示为透射光栅的示意图。,图9-1中，a为栅线的宽度(不透光)，b为栅线间宽(透光)，a+bW
3、称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常abW2，也可刻成ab1109。目前，常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。把两块栅距相等的光栅(光栅1、光栅2)面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，如图92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92可见，在dd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ff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。当夹角减小时，条纹间
4、距BH增大；反之，条纹间距BH减小。,项目九数字式传感器传感器与检测技术项目化教程图9-1透射光栅的示意图图9-2莫尔条纹莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。图9-3莫尔条纹的间距BH与,图9-1,图9-2,图9-3,两光栅线纹夹角之间的位置图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。它们之间的位置关系如图9-3所示。,莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为式中：W为光栅栅距(mm)；为光栅线纹夹角(rad)。由此可见，越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1倍，即光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的精
5、度和灵敏度。例如01，则1573，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，这说明光栅具有位移放大作用，从而无论是肉眼还是光电设备都可以清楚地得到测量数据。,图9-3,两个光栅中一个光栅固定不动，称为指示光栅；另一个移动的光栅称为标尺光栅，又称为主光栅。主光栅相对指示光栅的移动位移就是被测位移。因此，被测位移每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距BH，这时在指示光栅后面的光电元件就可以得到一个脉冲信号，通过计数脉冲信号的数目n，就可以得到被测位移x的大小。它们之间的关系为,式中：W为光栅栅距(mm)；为光栅线纹夹角(rad)；BH为莫尔条纹宽度(mm)；n为计数脉冲信
6、号的数目。这就是光栅传感器的基本工作原理，其分辨率为光栅栅距。,2莫尔条纹移动方向光栅每移动一个光栅间距W，莫尔条纹同时移动一个条纹宽度BH。如果光栅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是由光栅的大量刻线形成，光栅的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内许多刻线综合的结果，因此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。例如，光栅的某一刻线的加工误差为0，因此引起的测量误差
7、为,利用光栅莫尔条纹现象，可以通过测量莫尔条纹的移动数，来测量两光栅的相对位移；可以通过测量莫尔条纹的移动方向，测量光栅的移动方向；可以利用莫尔条纹的误差平均效应，进行精密位移测量。,二、光栅传感器的组成光栅传感器作为一个完整的测量装置，主要由光栅、光电转换装置和调理电路组成，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位移量转换成相应的电信号；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
8、间有微小的空隙，其空隙的大小为d。 式中：W为光栅栅距；为光源光的波长。,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如图9-4所示。根据前面的分析，我们知道莫尔条纹是一个明暗相间的带。由图9-2可以看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。标尺光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2，当用光电元件接收莫尔条纹移动时产生的光强变化，如以电压输出，可得到如图9-5所示的曲线，接近于正弦周期函数。其值可以用公式表示为,式中：u0为光电元件输出的电压信号
9、；Uo为输出信号中的平均直流分量；Um为输出信号中正弦交流分量的幅值；x为光栅位移；W为光栅栅距。,由公式(9-5)可知，光电元件输出的电压信号反映了位移量的大小。当x从0变化到W时，相当于角度变化360，如果光栅再移动一个栅距时，相当于角度又变化了360。设其变化的频率为f，则fxW,式中：f为输出信号变化的频率；x为光栅位移；W为光栅栅距。,图9-4光栅读数头的结构示意图1光源；2透镜；3标尺光栅；4指示光栅；5光电元件,图9-4,图9-5光栅位移与光强、输出电压的关系因此，测得频率f，就可以得到光栅位移x的大小。,图95,2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的过程。位移是
10、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)辨向原理若采用图9-4中一个光电元件的光栅读数头，无论标尺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，因此，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96所示为辨向的工作原理及其他逻辑电路。在相隔BH4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，,图9-6,得到两个相位差2的电信号u1
11、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u和u2。图96辨向的工作原理及其逻辑电路,1，2光电元件；3，4光栅A(A)：光栅移动方向；B(B)：与A(A),对应的莫尔条纹移动方向从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿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
12、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。,(2)细分技术在前面讨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的一个周期内，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1n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称为n倍频。细分方法有机械细分法和电子细分法两
13、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他细分法的基础。,所谓四倍频细分法，就是在相差BH4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。当然也可以在相差BH4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分，如图97所示。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，但是它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求，电路简单，是一种常用的细分技术。,图9-7四倍频细分法光电元件安装示意图,图9-7,在四倍频细分中
14、，可以得到四个相位差为2的输出信号，分别为Umsin、-Umsin、Umcos和-Umcos，(其中2xW)。在02之间，还可以分成n等份。设n48，那么，在02、2、32和322之间，各个区间都可以分为12等份，实现了48点细分，如图98所示。,图9-8,图9-848点细分原理图,48点电位器细分电路如图99所示,图9-9,图9-948点电位器细分电路,因此，通过任一点i(电位器编号)的电阻值的比RiRi因此，通过任一点i(电位器编号)的电阻值的比值为同理，对于n倍频细分电路，第i个电位器滑动点两边的电阻值之比由式(98)确定。,由2in时，Ui0使过零比较器电平翻转，输出细分信号。用电桥细
15、分法可以达到比较高的精度，但是电路比较复杂，对电路中元器件的精度和稳定性要求较高。同样，还可以实现细分的方法有：电平细分法，调制信号细分法和锁相细分法等，具体实现方法请参考相关资料。,光栅传感器在使用中，还存在一个绝对零位点的问题，因为光栅传感器断电后计数值不能保存，重新启动后不能正常工作。解决的方法可以用机械的方法设置绝对零位点，但是这种方法精度低，安装使用不方便。目前，通常采用零位光栅法，即在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零点标志，从而使系统成为一个准绝对测量系统。,零位光栅分单刻线的零位光栅和多刻线的零位光栅。单刻线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，即在主光栅和指示
16、光栅某一侧再刻制一对互相平行的零位光栅刻线，与主光栅用同一光源，经光电元件转换后形成绝对零位的输出信号。多刻线的零位光栅通常是由一组非等间隔、非等宽度的黑白条纹按一定的规律排列组成。当零位光栅从重叠位置开始相对移动时，透过线缝的光通量随位移的变化而变化，经光电元件转换后形成绝对零位的输出信号。,三、光栅传感器的应用光栅型传感器具有测量结构简单、测量精度高、易于与计算机连接等优点，因此广泛应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、大规模集成电路制造设备和高精度测试仪器等。,1光栅式万能测长仪图9-10所示是一种光栅式万能测长仪工作原理图。其主光栅采用透射式黑白光栅，光栅栅距W001mm，指示光栅采用四
17、裂相光栅，发射光源采用红外发光二极管，接收采用光电三极管，两光栅之间的间隙为002mm0035mm，利用四裂相指示光栅获得四路信号，经放大、整形、细分和辨向电路，进入可逆计数器计数，同时由显示电路显示。,图9-10,2圆形光栅传感器在角位移测量中的应用在角位移测量中常采用圆形光栅对变量进行测量，其基本结构主要有光栅转盘、光电二极管、光敏三极管、光电脉冲转换电路、转轴、壳体及接线盒等部件。两组光电二极管和光敏三极管在测量空间以一定相位(可定为90相位)关系分别置于光栅转盘两侧，光栅转盘与机械转角同步转动，使光敏三极管随机械转角变化导通或截止，并通过光电变换电路模块输出具有一定相位差的两组增量式脉
18、冲信号。其基本结构与光电变换原理如图9-11所示。,图9-11,图9-10光栅式万能测长仪工作原理图图9-11圆形光栅基本结构与光电变换原理,光栅测量的光电变换电路原理图如图9-12所示。,图9-12,图9-12光栅测量的光电变换电路原理图,在光栅上设置一个特定点代表零位脉冲信号z，如图9-13所示，当机械转角的变化引起光栅随之转动，使得VT1(顺时针转角)或者VT3(逆时针转角)接收光，电路分别输出两组具有一定相位差(一般为90)的脉冲信号f1和f2。脉冲f1、f2及z三信号一般为标准的TTL电平。输出的脉冲信号f1、f2及零位脉冲信号z如图9-13所示。,图9-13,任务二感应同步器,感应
19、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组成的，分为直线式和旋转式两类，可用来测量直线或转角位移。1957年美国的RW特利普等在美国取得感应同步器的专利，原名是位置测量变压器，感应同步器是它的商品名称，初期用于雷达天线的定位和自动跟踪、导弹的导向等。在机械制造中，感应同步器常用于数字控制机床、加工中心等的定位反馈系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。它对环境条件的要求较低，能在有少量粉尘、油雾的环境下正常工作。感应同步器具有以下优点。,1)具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作
20、，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。目前，长感应同步器的精度可达到1-5m，分辨力为0-05m，重复性为0-2m。直径为300 mm的圆感应同步器的精度可1，分辨力为0-05，重复性为0-1。,2)抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。,3)使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护罩防止铁屑进入其气隙。,4)可以作长距
21、离位移测量。根据测量长度的需要，可将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持(或稍低于)单个定直尺的精度。目前，几米到几十米的大型机床工作台位移的线测量，大多采用感应同步器来实现。,5)工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中的测量装置等。圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台及各种回转伺服控制系统中。,一、感应同步器的结构,感应同步器有直线式和旋转式两种，两者原理相同。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，如图9-14所示。对于直线式感应同步器多选用导磁
22、材料，其热膨胀系数与所安装的主体相同，常采用优质碳素结构钢。由于这种材料导磁系数高，矫顽磁力小，即能增强激励磁场，又不会有过大的剩余电压。为了保证刚度，一般基板厚度为10 mm。定尺与滑尺上的平面绕组用电解铜箔构成导片，要求厚薄均匀、无缺陷，一般厚度选用,图914直线式感应同步器示意图,(a)定尺；(b)滑尺0-1mm以下，容许通过的电流密度为5 Amm2。定尺与滑尺上绕组导片和基板的绝缘膜的厚度一般小于0-1mm，绝缘材料一般选用酚醛玻璃环氧丝布和聚乙烯醇缩本丁醛胶或用聚酰胺做固化剂的环氧树脂，这些材料黏着力强、绝缘性好。滑尺绕组表面上贴一层带绝缘层的铝箔，起静电屏蔽作用，将滑尺用螺钉安装在
23、机械设备上时，铝箔还起着自然接地的作用。它应该足够薄，以免产生较大的涡流。,为防止环境的腐蚀性气、液对绕组导片的腐蚀，一般要在导片上涂一层防腐绝缘漆。旋转式感应同步器由转子和定子组成，如图9-15所示,图9-15,其制作过程是先用01mm厚的敷铜板刻制或用化学腐蚀方法制成绕组，再将它固定到10mm厚的圆盘形金属或玻璃钢基板上，然后涂敷一层防静电屏蔽膜。定子和转子之间的间隙为0203mm。转子绕组为单相连续扇形分布，每根导片相当于电动机的一个极，相邻导片间距为一个极距。定子绕组为扇形分段排布，极距与转子的相同。,(a)定子；(b)转子,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
24、段绕组分为两组，在空间上相差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电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该动势随定尺与滑尺(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。,二、感应同步器的工作原理,当滑尺绕组上用正弦电压激励时，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动势。感应电动势的大小与激励频率，耦合长度，激励长度，激励电流和绕组间的间隙及相对位置有关，其工作原理示意图如图9-16所示。,图9-16,图9-17所示是绕组相对位置与感应电动势的关系图，当
25、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动势之和为0。,图9-17,滑尺向右移动，余弦绕组左侧的导片对定尺绕组导片的感应比右侧导片所感应的大，定尺绕组感应电动势之和不为0。当滑尺移动到14节距处时，感应电动势达到最大滑尺如果继续向右移动，定尺绕组中的感应电动势会逐渐减小，当滑尺移动到12节距时感应电动势为0。如果继续向右，感应电动势继续变大，但是感应电流的方向会改变，到34节距时，定尺绕组中的电流变成负的最大值。继续移动，耦合状态就会周期性的重复。同理，滑尺正弦绕组在移动过程中的情况也和余弦绕组相同。根据以上分析，定尺中的感应电动势随着滑尺的相对移动呈周期性
26、变化，定尺的感应电动势是感应同步器相对位置的正弦函数，分别对滑尺的正弦和余弦绕组上加激励电压usUmsint和ucUmcost时，则定尺上的感应电动势分别为Es和Ec。,式中：k为耦合系数；为与位移x等值的电角度，=2x。当余弦绕组单独激励时(激励电压为ucUmcost)，感应电动势为按叠加原理求得定尺上总感应电动势为因此，在一个节距W之内，定尺和滑尺的相对位移和定尺上总感应电动势有一一对应的关系，每经过一个节距，便变化一个周期(2)。对于不同的感应同步器，其输出信号的处理方法有3种。,鉴相法,鉴相法就是根据感应电动势的相位来测量位移。采用鉴相法，必须在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频
27、率和幅值相同，但是相位差为2的正弦激励电压。滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开14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，定尺上总感应电动势如式(9-9)所示。这样，就可以根据感应电动势的相位来鉴别位移量，故称为鉴相型。,图9-18所示为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图,图9-18,脉冲发生器输出频率为定值的脉冲序列，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经过激励供电线路，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、余弦绕组激励。感应同步器定尺绕组中产生的
28、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，又判断指令信号1的相位超前还是滞后于反馈信号2的相位。,假定开始时12，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
29、变化。当1再次与2相等时，误差信号0，,鉴幅法就是根据感应电动势的幅值来测量位移的方法。即在感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组上分别加频率和相位相同、但幅值不等的正弦激励电压，就可根据感应电动势的振幅来鉴别位移量。设加到滑尺两绕组的交流激励电压为式中：UsUmsin；UcUmcos；Um为激励电压幅值；为给定的电相角。它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为,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12。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,2
30、鉴幅法,定尺的总感应电动势为,图9-19所示为采用鉴幅法测量系统原理图。正弦振荡器产生正弦信号，通过DA转换器产生幅值按UsUmsin和UcUmcos变化的信号，再经过匹配变压器分别加至感应同图9-19采用鉴幅法测量系统原理图步器滑尺的正弦绕组和余弦绕组。设开始时系统处于平衡状态，定尺绕组输出电压为零。当滑尺相对定尺移动时，定尺绕组产生的信号经放大和滤波后送入鉴幅器电路。当滑尺的移动超过一个脉冲当量的距离时，门电路被打开，时钟脉冲通过门电路到达可逆计数器进行计数；同时，另一路送到转换计数器控制DA转换器的模拟开关以接通多抽头正、余弦变压器的相应抽头，改变滑尺绕组的激励电压使定尺绕组的输出电压小
31、于鉴幅器的门槛电压值，使门电路关闭，计数器停止工作。这时可逆计数器的输出就是滑尺移动的距离。,图9-19,3脉冲调宽法,脉冲调宽法是在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压，可认为感应电动势为,当用感应同步器来测量位移时，与鉴幅法相类似，可以调整激励脉冲宽度值，用跟踪。当用感应同步器来定位时，则可用来表征定位距离，作为位置指令，使滑尺移动来改变，直到，即E0时停止移动，以达到定位的目的。,三、感应同步器的应用,1圆感应同步器 圆感应同步器是一种角度传感器，由定子和转子组成，定子固定在不动体上，转子与转轴相连。利用定子和转子两个平面形绕组的互感随位置而变化的电磁感应原理，将机械转角位移精确地
32、转换成电信号。圆感应同步器产品如图9-20所示。,图9-20,图9-21一体化圆感应同步器,图9-21,一体化圆感应同步器是将圆感应同步器的转子、定子组合在一起，引出轴或孔整体封装提供给用户，解决了一般用户安装调试中的一系列技术问题。一体化圆感应同步器可作为测角模块配套使用，也可单独作为角度传感器使用，其结构如图9-21所示。由于圆感应同步器具有精度高、性能稳定、抗干扰性强、结构简单，且耐油、耐污，对环境的适应性强、易于维护、使用寿命长等一系列优点，因而它在机械加工、测量仪器、自动控制、数字显示等系统中得到极其广泛的应用。,2基于感应同步器的传动链精密测量系统,基于感应同步器的传动链精密测量系
33、统采用了差频和填充二次细分方法，首先对感应信号进行差频处理，再将位移信号转载到一频率较低的信号上，然后采用微机细分以提高测量精度。采用微机控制的大规模集成电路完成信号的二次细分，可使系统结构简单，可靠性提高，同时数据处理也极为方便。系统的激励及差频电路组成如图9-22所示,图9-22,激励信号频率为f0，由8254通道0产生；参考信号频率为fc，由8254通道1产生。通道0和1均工作于方式3(分频器工作方式)。方波信号f0经过激励电路变为幅值相等、相位差为90的正、余弦信号，分别加到感应同步器滑尺两相绕组上。另一路方波信号fc经过滤波后变为同相频率正弦信号，然后与前放输出的复合信f0fv进行差
34、频。差频电路输出信号频率为fd(f0-fc)fv，信号经放大、整形后送入计数电路。,任务三绝对编码器与增量编码器,将机械转动的模拟量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，主要分为绝对编码器(码盘式编码器)和增量编码器(脉冲盘式编码器)。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连接。增量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。,编码器按其
35、结构形式的不同有接触式、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。,一、绝对编码器,1接触式码盘编码器接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。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(如8421码、循环码等)图形的盘式印刷电路板，如图9-23所示。电刷是一种活动触头结构，在外力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘
36、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。图9-23四位二进制码盘,图9-23,(a)8421码的码盘；(b)四位循环码的码盘涂黑处为导电区，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。当码盘转动某一角度后，电刷就输出一个数码；码盘转动一周，电刷就输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为3602n，若n4，则225。位数越多，可分辨的角度就越小，若取n8，则14。当然，可分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要
37、求就越严格。当n达到一定位数后(一般为n8)，这种接触式码盘将难以制作。表9-1所示是四位二进制码盘的电刷在不同位置时对应的数码表。,表9-1四位二进制码盘的电刷在不同位置时对应的数码表角度电刷位置二进制码循环码十进制数0a000000000 b000100011 2c0010001123d001100103 4e010001104 5f0101011156g011001016 7h011101007,角度电刷位置二进制码循环码十进制数8i100011008 9j100111019 10k101011111011l1011111011 12m1100101012 13n1101101113 1
38、4o1110100114 15p1111100015,8421码制的码盘，由于电刷安装不可能绝对精确，所以必然存在机械偏差，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(电刷从h区过渡到i区)，即由7变为8时，如果电刷进出导电区的先后是不一致的，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有如下。,(1)采用循环码(格雷码),采用循环码制可以消除非单值误差。循环码码盘的结构如图9-23(b)所示。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在一个码道上有数码的改变，这一特点就可以避免制造或安装不精确带来的非单值误差。,由循环
39、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。因此采用循环码码盘比采用8421码码盘的准确性和可靠性要高得多。循环码是一种无权码，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9-1所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为,式中：R为循环码；C为二进制码。,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。如采用存储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。但若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。若要达到1左右的分辨率，至少需采用20位的码盘
40、。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。,扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。它是在最低值码道上安装一电刷，其他位码道上均安装两个电刷：一个电刷位于被测位置的前面，称为超前电刷；另一个放在被测位置的后面，称为滞后电刷。若最低位码道有效位的增量宽度为x，则各位电刷对应的距离依次为x、2x、4x、8x等。这样在每个确定的位置上，最低位电刷输出电平反映了它真正的位置，由于高电位有两只电刷，就会输出两种电平，根据电刷分布
41、和编码变化规律，可以读出真正反映该位置的高位二进制码对应的电平值。当低一级码道上电刷真正输出的是“1”时，高一级码道上的真正输出必须从滞后电刷读出；若低一级码道上电刷真正输出的是“0”，高一级码道上的真正输出则要从超前电刷读出。由于最低位轨道上只有一个电刷，它的输出则代表真正的位置，这种方法就是V扫描法。这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的(见图9-24)。,(2)扫描法,图9-24,由于8421码制的二进制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。当某一个二进制码的第i位是1时，该二进制码的第i+1位和前一个数码的i+1位的状态是一样的，故该数码的第i+1位的真正输出要
42、从滞后电刷读出。相反，当某个二进制码的第i位是0时，该数码的第i+1位的输出要从超前电刷读出。图9-24V扫描法工作原理示意图,a)盘码和电刷布置；(b)码盘结构展开图；(c)逻辑电路,2光电式编码器,接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平，其结构如图9-25所示。,图9-25,光电式编码器的最大特点是非接触式的，因此，它的使用寿命长，可靠性高。光电式编码器是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘
43、编码器是一样的。不同的是光电式编码器的码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，,装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘上的高、低电位用光源代替。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(开关高低电平)电信号。光电式编码器与接触式码盘编码器一样，可以采用循环码或V扫描法来解决非单值误差的问题。为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到
44、一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法)来进一步提高分辨率。例如，若码盘已具有14条(位)码道，在14位的码道上增加1条专用附加码道，如图9-26所示。,图9-26,附加码道的扇形区的形状和光学的几何结构与前14位有所差异，且使其与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦波输出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。各正弦信号再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号。于是产生了附加的低位的几位有效数值。图中所示的19位光电式编码器的插值器产生16个正弦信号
45、。每两个弦信号之间的相位差为8，从而在14位编码器的最低有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相当于附加5位二进制数的输出，使编码器的分辨率从214提高到219，角位移小于3。,二、增量编码器,增量编码器又称为脉冲盘式编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生几位编码输出，故它不具有绝对码盘中盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。,图9-27增量编码器的结构示意图,图9-27,在增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，分为外圈和内圈，外圈是用来产生计数脉冲的增量码道，外围上缝隙的多少决定了编码器的分辨率，缝隙越多，分辨率越高。内圈上也有和外圈上相同数量的缝隙，但是内外
46、圈的相邻两缝错开了半条缝宽，内圈作为辨向码道；另外，在某一径向位置(一般在内外两圈之外)，开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如图9-27所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差90的两相(A、B两路)脉冲和一个零位(C相)脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身的精度。为了辨别码盘的旋转方向，可以采用图9-28所示的电路，利用A、B两相脉冲来实现。,图9-28码盘辨向原理示意图,光电元件A、B输出信号经放大整形后，产生P1和P2脉冲。
47、将它们分别接到D触发器的D端和CP端，由于A、B两相脉冲(P1和P2)脉冲相差90，D触发器FF在CP脉冲(P2)的上升沿触发。正转时P1脉冲超前于P2脉冲，FF的Q1表示正转；当反转时，P2超前于P1脉冲，FF的Q0表示反转。可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反向的计数控制信号，即可将光电脉冲变成编码输出。C相脉冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量法称为增量法。除了光电式的增量编码器外，目前，相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们都得到了广泛的应用。,三、光电式编码器的应用1
48、钢带光电式编码数字液位计钢带光电式编码数字液位计(见图9-29)是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍应用的一种测量设备。在量程超过20m的应用环境中，液位测量分辨率仍可达到1mm，可以满足计量的精度要求。这种测量设备主要由编码钢带、读码器、卷带盘、定滑轮、牵引钢带用的细钢丝绳及伺服系统等构成。编码钢带的一端(最大量程读数的一端)系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘
49、在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编码，经处理后进行就地显示或以串行码的形式发送给其他设备。,图9-29钢带光电式编码数字液位计示意图,图930编码钢带,如果最低码位(最低码道数据宽度)为1m(透光和不透光的部分各为1m)，则需要15个码道，即最高码位(最高码道数据宽度)为16384m，编码钢带的最大有效长度可达32768m。这种编码钢带的加工工艺的难度较大，强度也较低，使用起来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。如果将最低码道的数据宽度增加到5mm，次最低码道的数据宽度将为10mm，在最低码道上应用插值细分技术也可以获得1m的分辨率。这样一来，在量程为20m的条件下，码道数量将减少到12个。,
