数字式传感技术.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第,章数字式传感技术,数字式传感器：,能把被测的模拟量直接转换成数字量的装置。,与模拟传感器相比的特点是,:,测量精度和分辨率更高，抗干扰能力强,稳定性强,;,易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。,常见数字传感器：栅式、编码器、频率输出式、感应同步式,第,3,章 数字式传感器,本章讲述常用的数字式传感器,3.1,光栅传感器,3.7 RC,振荡器式频率传感器,3.2,磁栅传感器,3.8,弹性体频率式传感器,3.3,接触式编码器,3.9,直线式感应同步器,3.4,光电式编码器,3.10,旋转式感应同步器,3.5,电磁式编码器,3.11,旋转变压器,3.6,脉冲盘式传感器,3.12,典型应用举例,3.1,光栅传感器,-,光电传感器,光栅传感器,是利用,光栅,的,莫尔条纹现象,，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从而实现精密测量。,3.1.1,光栅的结构和类型,光栅,主要由,标尺光栅,和,光栅读数,头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，光栅读数头安装在固定部件上。,光栅按其形状和用途分为：,长光栅,和,圆光栅,.,光栅按光线的走向可分为：,透射光栅,和,反射光栅。,1.,长光栅和圆光栅,1,）,光栅尺,（长光栅，直线光栅）,由,标尺光栅,和光栅读数头中的,指示光栅,构成。,用于,长度测量,。,透光线纹宽度：白的部分,b,不透光线纹宽度：黑的部分,a,栅距：,W=,a+b,一般,a=b,常见长光栅的线纹宽度为（,25,，,50,，,100,，,125,，,250,）线,/mm,。,标尺光栅和指示光栅上都有均匀相互平行、透光和不透光相间的线纹，线纹与两光栅相对运动的方向垂直。,2,）圆光栅,刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来,测量角度或角位移,。,根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切,若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。,2.,光栅测量系统（光栅读数头）,光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。驱动线路：对光敏元件输出信号进行功率放大和电压放大。,莫尔条纹,如图,3.3,所示为两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为,时，就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。,光线透过透光部分形成亮带；光栅不透光部分叠加，互相遮挡，形成暗带。在与光栅栅线大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹。,3.1.2,光栅传感器的工作原理,莫尔条纹有如下几个重要特性,:,（）消除光栅刻线的不均匀误差,（）位移的放大特性,（）移动特性,（）光强与位置关系,（）消除光栅刻线的不均匀误差,光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。,光栅尺的刻线非常密集，光电元件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的综合结果它对光栅尺的栅距误差有平均效应，有利于,提高光栅的测量精度,。,几,条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,例,W=0.02mm,接收元件尺寸,1010mm,2,在,10mm,范围内有,500,条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。,（）位移的放大特性,莫尔条纹的间距：,B,两光栅刻线夹角为：,当,时，,越小，,B,越大，这相当于把栅距,W,放大了,1/,倍。例如令,W0.02mm,，,=0.0017rad,，则,B=11.46mm,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,。,（）移动特性,位移移动一个栅距,W,，莫尔条纹也移动一个间距,B,。,主光栅相对指示光栅的转角方向,主光栅移动方向,莫尔条纹移动方向,顺时针方向,逆时针方向,表,3.1,光栅移动与莫尔条纹移动关系表,向上,向左,向右,向下,向左,向右,向上,向下,B,（）光强与位置关系,两块光栅相对移动时，莫尔条纹的光强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,2,。,对应关系,式中：,U,o,光电元件输出的电压信号；,U,m输出信号中的最大电压信号。,U,av,输出信号中的平均直流分量；,由上式可见，,输出电压反映了位移量的大小,。,莫尔条纹的光强变化照射到光电元件上，光信号转换为,图,3.4,所示的电压信号。,光栅位移与光强输出电压的关系,辨向原理,1,）为什么要辨向,当可动光栅（主光栅）无论正向或反向移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。需要两个有一定相位差的莫尔条纹。,2,）辨向原理与辨向电路,微分电路,整形后得到两个方波,U,01,和,U02,两个相差,/2,电压信号,U,01,和,U,02,两个光电元件,相隔,1/4,条纹,设计数器记得脉冲数为,N,，位移,x=N W,光栅测量位移属于增量式测量。,辨向电路原理框图,左移 右移,目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。,细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出,n,脉冲,每个脉冲代表原来栅距的,1/n,。由于细分后计数脉冲频率提高了,n,倍,因此也称之为,n,倍频。,细分类型：,常用的细分方法有四倍频细分、电位器桥细分、复合细分等。,3,.,1,.,3,细分技术,1.,四倍频细分,在相差,B/4,位置上安放两个光电元件，得到两个相差,/2,电压信号（,S,和,C,），,将这两个信号整形、反相得到四个依次相差,/2,的,电压信号。,0,（,S,），,90,（,C,）,180,（,S,）,270,（,C,）。,在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。,(2),细分技术,在相差,B,H,/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,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。,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。优点是，对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。设,Z,点的输出电压为，根据电工基础中的节点电压法可知：,式中 ，若电桥平衡，则,(3.2),如前述，莫尔条纹信号是光栅位置状态的正弦函数。令 与 的相位差为,/2,，光栅在任意位置,x,时，和 可以分别写成,U,sin,和,U,cos,，式,(3.2),可改写成,(3.3),由式,(3.3),可见，选取不同,R,1/,R,2,值，就可以得到任意的值，即在一个节距,W,以内的任何地方经过零触发器输出一个脉冲。虽然从式,(,3.3,),看来，只有在第二、第四象限，才能满足过零的条件，但是实际上取正弦、余弦及其反相的四个信号，组合起来就可以在四个象限内都得到细分。也就是说通过选择,R,1,和,R2,的阻值，理论上可以得到任意多的细分数。,2.,电桥细分法,当,（或,),时，施密特电路被触,发，发出脉冲。,3.,电位器桥（电阻链）细分,实现方法及原理,四细分后得到的四个相位,差为,90,度的交流信号,U,m,sin,U,m,cos,和,-,U,m,sin,-,U,m,cos,。,以这四个交流信号为原函数,（两原函数间各接几个电位器，,构成电位器桥，把,=0-360,度,（,x=0-W,）,分成四个象限。,每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同,的一系列移相信号（新函数）。,3,.,1,.,4,光栅数显装置,在实际应用中，对于不带微处理器的光栅数显装置，完成某些功能的电路往往由一些大规模集成芯片实现。,光栅信号处理芯片（）,该芯片的主要功能是：完成从光栅部件输入信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实现和分辨力的选择等。,3,.,1,.,4,光栅数显装置,逻辑控制芯片（）,该芯片的主要功能是：为整机提供高频和低频脉冲；完成 译码；完成 校验以及超速报警。,3,.,1,.,4,光栅数显装置,可逆计数与零位记忆芯片（）,该芯片的主要功能是：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。,3,.,1,.,4,光栅数显装置,由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。,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。,3,.,1,.,5,光栅传感器的应用,光栅栅距,W,0.01m,，,照明光源采用红外发光二极管,TIL-23,，其发光光谱为,930nm,l000nm,，,接收用,LS600,光电三极管，,两光栅之间的间隙为,0.02nm,0.035mm,，,万能测长仪用途：,万能测长仪可用于对零件外形尺寸进行直接测量和比较测量，还可以使用仪器所附有的专用设备进行各种特殊测量工作。其使用范围如下：,外尺寸平行平面被测件的测量，如量块。,球形平面被测件的测量，如钢球。,柱形平面被测件的测量，如圆柱体直径。,内尺寸平行平面被测件的测量，如卡板。,孔径的测量，如环规。,螺纹,内、外螺纹中径的测量,比较测量,选购卧式投影光学计管（或目视卧式光学计管）及大小活动测钩即可进行比较测量,。,3.2,磁栅传感器,磁栅传感器具有制作简单、复制方便、易于,安装和调整、测量范围宽（,几十,mm,到数十,m,）、,不需要接长、抗干扰能力强等一系列优点，因而,在大型机床的数字检测、自动化机床的自动控制及,轧压机的定位控制等方位得到广泛应用。,1,磁栅传感器的组成：磁栅（磁尺）、磁头、检测电路,3,.,2,.,1,磁栅传感器的组成及类型,磁栅,是在,非导磁材料制成的尺基,上镀一层均匀的,磁性薄膜,，并录上,一定波长的磁信号,。,节距,W,：磁信号的波长。,0.05mm,和,0.2mm,图中,N,与,N,、,S,与,S,重叠部分磁感应强度最强，但极性相反。磁头有,动态磁头,(,速度响应式磁头,),和,静态磁头,（磁通响应式磁头）两种。,动态磁头,有一个输出绕组，只有在磁头和磁栅产生相对运动时才能有信号输出。,静态磁头,有激磁和输出两个绕组，它与磁栅相对静止时也能有信号输出。,静态磁头,磁栅的类型,磁栅可分为,长磁栅,和,圆磁栅,两大类。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。,基本工作原理,-,静态磁头,静态磁头有激磁,N1,和输出,N2,两个绕组，它与磁栅相对静止时也能有信号输出。,激磁绕组,N1,的作用,相当于一个,磁开关,。当对它加以交流电时，达某一额定值时铁心截面较小的那一段磁路每周两次被激励而产生磁饱和，使磁栅所产生的磁力线不能通过铁心。只有当激磁电流小于额定值时，,铁心不被饱和,，磁栅的磁力线才能通过铁心。此时,输出绕组有感应电势受其调制输出,。其频率为激磁电流频率的两倍，,输出电压的幅度与进入铁心的磁通量成正比，即与磁头相对于磁栅的位置有关。,为辨别方向，静态磁头总是,成对使用,其,间距为,(m+1/4)W,，其中,m,为正整数,W,为磁栅栅条的间距。两磁头的激励电流或相位相同,或相差,/4,。输出信号通过鉴相电路或鉴幅电路处理后可获得正比于被测位移的数字输出。,3,.,2,.,2,磁栅传感器的工作原理,2,基本工作原理,-,动态磁头,动态磁头有一个输出绕组，只有在磁头和磁栅产生相对运动时才能有信号输出。,图中的上方显示出磁尺的磁化波形。在,N,和,N,、,S,与,S,重叠部分的磁感应强度的绝对值最大，磁头的输出电压包络线也最高。若磁尺的磁化从,N,到,S,的磁感应强度是呈正弦波变化，则磁头的输出电压也呈受调制波形，见下面出现的调幅波,3,信号处理方式,（）鉴相处理方式,（）鉴幅处理方式,3,.,2,.,3,磁栅数显装置,组成：,磁头放大器（,SF023,）,:,放大、移相、求和,磁尺检测专用集成芯片（,SF6114,）：对励磁低通滤波和功放、对磁头放大器输出信号经滤波后放大、限幅、整形为矩形波、对磁尺检出信号相位微调。,磁尺细分专用集成芯片（,SIM-011,）：,200,、,40,或,20,细分；,1,、,5,、,10m,分辨力,可逆计数器（,WK50395,）,磁栅传感器有两个方面的应用。,可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器。（激光定位录磁）,可以用于自动化控制系统中的检测元件（线位移）。,3,.,2,.,4,磁栅传感器的应用,3.3,接触式编码器,属码盘式编码器，也称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统连接。,编码器在角位移测量方面应用广泛。具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。,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），其关系可表示为,3.3,接触式编码器,接触式编码器由码盘和电刷组成。,3,.,3,.,1,接触式编码器的结构与工作原理,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。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,导电区,(,高电位,1),绝缘区,(,低电位,0),位数越多，分辨的角度越小。,二进制码盘所能分辨的旋转角度为：,=360,o,/2,n,n=4,时，,=22.5,o,如,n8,，这种接触式码盘将难以制作。,四位二进制码与循环码对照表,8421,码制的码盘会产生非单值误差，循环码制则可避免,3.3,接触式编码器,3,.,3,.,2,接触式编码器提高精度的途径,（,1,）循环码盘法（格雷码）,循环码盘结构，采用循环码制可以消除非单值误差。,（,2,）扫描法,扫描法有,V,扫描、,U,扫描以及,M,扫描,3,种。,3.3,接触式编码器,（）优点：能直接输出某种码制的数码，能方便地与微机和数字系统连接，使用十分灵活方便，主要用于各种位移量的测量。,3,.,3,.,3,接触式编码器的优缺点,（）缺点：接触式编码器的分辨率受到电刷的限制，不能做到很高；接触产生磨擦，使用寿命较短；触点接触，不允许高速运转。因此，目前该编码器使用较少。,3.4,光电式编码器,光电编码器的最大特点是,非接触式,的，将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统连接。目前使用较多的编码器。,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。,3,.,4,.,1,光电式编码器的结构和工作原理,3.4,光电式编码器,光电编码器与接触式码盘编码器一样，通常采用,循环码,作为最佳码形，这样可以解决非单值误差的问题。光电码盘的优点是,没有触点磨损，因而允许高速转动；但是其结构较为复杂，光源寿命较短。,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刻着的,透光和不透光,码形。,光源、光电转换元件代替接触式编码器的高低电位、电刷。,3,.,4,.,1,光电式编码器的结构和工作原理,1,光源,2,透镜,3,码盘,4,窄缝,5,光电元件组,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。,光电编码器的精度和分辨率取决于光码盘的精度和分辨率，即取决于刻线数。,码盘径向线宽,6.7x10,-8,rad,，其精度达,1x10,-8,采用,循环码,作为最佳码形，这样可以解决非单值误差的问题。,3.4,光电式编码器,3,.,4,.,2,提高分辨率的方法,光学分解技术,插值法,3.4,光电式编码器,分辨率,：即每转一周所能产生的脉冲数。一般线宽,2030m,；电子细分达,100,倍细分,输出信号的电特性,：形式（代码形式、输出波形）、信号电平以及电源等参数。,频率特性,：对高速转动的响应能力，取决于光敏器件的响应和负载电阻以及转子的机械惯量。一般,3080kHz,，最高达,100kHz,。,使用特性,：包括器件的几何尺寸和环境温度。,3,.,4,.,3,光电式编码器的主要技术指标,3.4,光电式编码器,（）优点：非接触式，可靠性高、分辨率高、精度高，能直接输出某种码制的数码，能方便地与数字系统（微机）连接，允许高速运转，是目前使用最多的一种编码器。,（）缺点：光源寿命较短、结构较复杂。,3,.,4,.,4,光电式编码器的优缺点,3.5,电磁式编码器,电磁式码盘用磁化方法磁化在圆盘上，并按编码图形制作成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低）。,磁头（询问绕组、读出绕组）、非接触,3,.,5,.,1,电磁式编码器的结构和工作原理,3.5,电磁式编码器,（）优点：非接触式，高可靠性、高分辨率、高精度，能直接输出某种码制的数码，能方便地与微机或数字系统连接，对环境条件要求低，寿命长，便于智能化，是很有发展和应用前景的一种编码器。,（）缺点：成本较接触式编码器高，性能价格比较光电式编码器低。,3,.,5,.,2,电磁式编码器的优缺点,3.6,脉冲盘式数字传感器,被称为脉冲盘式编码器又称为,增量编码器,。增量编码器一般只有,3,个码道，它,不能直接产生编码输出,，故它不具有绝对码盘器的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。,3.6,脉冲盘式数字传感器,3,.,6,.,1,脉冲盘式数字传感器的结构与工作原理,增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈（,A,、,B,）的相邻两缝错开半条缝宽，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,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。,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，故这种测量称为增量法。,3.6,脉冲盘式数字传感器,3,.,6,.,2,旋转方向的判别,3.6,脉冲盘式数字传感器,（）优点：非接触式，可靠性高，分辨率高，精度高，广泛应用于各种位移量的测量。,（）缺点：不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才能得到数字编码。光源寿命较短。,3,.,6,.,3,脉冲盘式数字传感器的优缺点,3.7,振荡器式频率传感器,振荡器式频率传感器,属,频率输出式数字传感器,，能直接将被测非电量转换成与之相对应的，且便于处理的频率信号。,振荡器式传感器是利用振荡器的原理，使被测量的变化改变振荡器的振荡频率而进行测量的。常用振荡器有,RC,振荡电路和石英晶体振荡电路。,3.7,振荡器式频率传感器,3,.,7,.,1,振荡器式频率传感器的工作原理,温度,频率传感器就是,RC,振荡器式频率传感器的一种类型。,利用热敏电阻,R,T,测量温度。,R,T,作为,RC,振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种,RC,文氏电桥正弦波发生器。当外界温度,T,变化时，,R,T,的阻值也随之变化，,RC,振荡器的频率因此而改变。,RC,振荡器的振荡频率由下式决定。,3.7,振荡器式频率传感器,振荡器式频率传感器已将被测非电量转换成为频率信号，因此，可采用,两种方式测量,。一种是测量其输出信号的,频率,（频率高）,，另一种是测量其,周期,（频率低）,。,3,.,7,.,2,振荡器式频率传感器的基本测量方法,3.7,振荡器式频率传感器,当被测振荡频率低于所选用的通用计数器的内部石英晶体振荡器的频率（时钟频率）,时，必须采用周期或时间间隔测量功能，或者采用等精度计数器，否则将会由于数字仪器固有,误差而造成极大的测量误差。,3,.,7,.,3,振荡器式频率传感器的使用测量注意事项,3.8,弹性体频率式传感器,若激励力的频率与弹性体的固有频率相同，大小刚好可以补充阻尼损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。,弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，,3.8,弹性体频率式传感器,设弹性物体的质量为，弹性模量为，材料刚度为，则弹性体的初始固有频率 为,式中，为与量纲有关的常量。,3,.,8,.,1,弹性体频率式传感器的工作原理,3.8,弹性体频率式传感器,3,.,8,.,2,弹性体频率式传感器的结构,振弦、磁铁和加紧装置组成,f,0,振弦有效长度,振弦线密度,A ,弦的截面积,弦的应力,3.8,弹性体频率式传感器,3,.,8,.,3,弹性体频率式传感器的激励电路,3.8,弹性体频率式传感器,3,.,8,.,4,弹性体频率式传感器的输入,-,输出特性,3.9,直线式感应同步器（平面变压器）,感应同步器有,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。,旋转式（圆）感应同步器由,转子和定子,组成。,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。,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,1,直线式感应同步器的类型,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,2,直线式感应同步器的结构,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,3,直线式感应同步器的,工作原理,定尺和滑尺在使用时相互平行放置，使其间有一定的,气隙,。使用时，定尺固定不动，滑尺相对定尺移动。当滑尺上的正弦绕组和余弦绕组分别以,1kHZ-10kHZ,的正弦电压激磁时，在定尺绕组上将产生同频率的感应电势。,3.9,直线式感应同步器3,.,9,.,3,直线式感应同步器的工作原理,定尺上的,感应电势,的大小除了与激磁频率、激磁电流和两绕组间的间隙有关外，还与两绕组的,相对位置,有关。,图中,A,点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从,A,点逐渐向左,(,或右,),平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开,1,4,节距的位置,B,点，感应电势减为零；若再继续移动，移到,1,2,节距的,C,点，感应电势相应地变为与,A,位置相同，但极性相反，到达,3,4,节距的,D,点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达,E,点，情况就又与,A,点相同了，相当于又回到了,A,点。,3.9,直线式感应同步器,信号处理方式,按信号处理方式来分，,直线式感应同步器,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,sin,t,和,cos,t,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,u,s,=,U,m,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,u,c,=,U,m,cos,t,）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,=2,x,/,W,称为感应电动势的,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,式中,U,s,=,U,m,sin,；,U,c,=,U,m,cos,；,U,m,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,e,s,=,kU,s,sin,t,cos,e,c,=,kU,c,sin,t,sin,或,e,c,=,kU,c,sin,t cos,（,+/2,）,=-kU,c,sin,t,sin,定尺的总感应电势为,e=e,s,+,e,c,=,kU,s,sin,t,cos,-,kU,c,sin,t,sin,=,kU,m,sin,t,(sin,cos,-cos,sin,),=,kU,m,sin,t,sin(,-,),式中把感应同步器两尺的相对位移,=2,x,/,W,和感应电势的幅值,kU,m,sin(,-,),联系了起来。,w,w,e,e,e,e,e,e,e,e,e,e,3.9,直线式感应同步器,鉴幅式感应同步器数显装置,3,.,9,.,4,直线式感应同步器的数显装置,=2,x,/,W,1平衡位置,x,=,d,时，,e=0,；,2.,移动,x,即,x,，,x,=,x,+,x,，此时,x,d,，定尺误差电势,e,输出，,显示,(0.01mm),改变两组激磁 绕组的激磁电压幅 值，使,d,=,x,e=0,3.,重复,2,步骤,e,=KU,m,（,2,x,/,W,）,sint,3.9,直线式感应同步器,主要性能指标,（）精度：,在整个测量范围内做静态测量时的显示值与被测实际值的最大可能偏离量，用正负偏差来表示。,（）分辨力,系统所能反映的最小位移变化量。数字系统中分辨率与脉冲当量或最低位显示数字一致。脉冲当量,q,是指一个脉冲所对应的机械位移变化量。,（）跟踪速度,系统允许跟踪速度,v,i,=f,i,q f,i,-,增量脉冲频率,q-,脉冲当量,3,.,9,.,4,直线式感应同步器的数显装置,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,5,直线式感应同步器和数显表的型号及参数,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,5,直线式感应同步器和数显表的型号及参数,3.9,直线式感应同步器,图,3.30,所示为直线式感应同步器的安装结构图。,3,.,9,.,6,直线式感应同步器的安装使用注意事项,3.9,直线式感应同步器,为了保证检测精度，感应同步器的安装要求如下（见图,3.31,和图,3.32,）所示。,3,.,9,.,6,直线式感应同步器的安装使用注意事项,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,6,直线式感应同步器的安装使用注意事项,3.9,直线式感应同步器,3,.,9,.,6,直线式感应同步器的安装使用注意事项,3.10,旋转式感应同步器,3,.,10,.,1,旋转式感应同步器的结构,旋转式感应同步器由,定子和转子,两部分组成，它们呈,圆片形,状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，基本工作原理也相同。主要用于,角位移的测量,。,旋转式感应同步器的直径一般有,50mm,、,76mm,、,178mm,和,302mm,等几种。,径向导体数（极数）有,360,、,720,和,1080,几种。,转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定子次级上输出。,旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。,3.10,旋转式感应同步器,3,.,10,.,1,旋转式感应同步器的结构,3.10,旋转式感应同步器,旋转式感应同步器的定子绕组也做成正弦、余弦绕组形式，两者要相差 相角，转,子为连续绕组，如图,3.34,所示。,3,.,10,.,1,旋转式感应同步器的结构,3.10,旋转式感应同步器,特性,旋转式感应同步器具有极数多、易于误差补偿、精度与极数成正比的特性。,3,.,10,.,2,旋转式感应同步器的特性参数,3.10,旋转式感应同步器,型号参数,旋转式感应同步器的型号参数如表,3.6,所示，与之配套的数字显示表的型号参数如表,3.7,所示。,3,.,10,.,2,旋转式感应同步器的特性参数,3.10,旋转式感应同步器,3,.,10,.,2,旋转式感应同步器的特性参数,3.10,旋转式感应同步器,3,.,10,.,2,旋转式感应同步器的特性参数,3.11,旋转变压器,3,.,11,.,1,旋转变压器的结构,常用于数控机床中测量角位移的传感器，结构简单，工作可靠。对工作环境要求不高。,3.11,旋转变压器,（一）两极绕组式旋转变压器的工作原理,3,.,11,.,2,旋转变压器的工作原理,一次侧绕组,二次侧绕组,一次侧绕组、二次侧绕组的相对位置随转子的角位移而发生改变，因而其输出电压的大小也随之变化。,（,a,）为,0,，,u,2,=0,（,b,）,u,2,=Ku,1,sin=KU,m,sinsint,（,c,）最大，,u,2,=Ku,1,=KU,m,sint,K-,变压比,转子绕组电压,u2,的频率与,u1,相同，其幅值随转子和定子的相对角位移,的正弦函数而变化，因此只要测出转子绕组输出电压的幅值，即可得转子相对定子的角位移,的大小。,3.11,旋转变压器,（二）四极绕组式旋转变压器的工作方式,3,.,11,.,2,旋转变压器的工作原理,定子绕组和转子绕组均由匝数相等又互相垂直的两个绕组组成。,A,1,A,2,接一高阻抗，不作为旋转变压器的输出，主要起平衡磁场的作用，并提高测量精度。,1.,鉴相式工作方式：,定子绕组,u,1s,=U,m,sint,u,1c,=U,m,cost,转子绕组,u,2,=KU,m,cos,（,t ,）,2.,鉴幅式工作方式：,定子绕组,u,1s,=U,sm,sint,u,1c,=U,cm,sint,其中：,u,sm,=U,m,sin,u,cm,=U,m,cos,转子绕组,u,2,=KU,m,cos,（,）,sin,（,t,）,3.11,旋转变压器,下面是日本多摩川公司生产的单对极无刷旋转变压器的主要规格参数。,3,.,11,.,3,旋转变压器的主要参数,3.11,旋转变压器,3,.,11,.,4,旋转变压器的应用,3.12,典型应用举例,位置检测用,光电脉冲编码器,，把输出的脉冲 和 分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量（转角 脉冲）就可测出编码盘转过的角度。,进行直线距离测量时，装在伺服电动机轴上，伺服电机又与滚珠丝杠相连，当电机转时，由滚珠丝杠带动工作台或刀具移动，这时编码器转角对应直线移动部件的移动量，,3,.,12,.,1,位置检测,3.12,典型应用举例,3,.,12,.,2,转速测量,脉冲频率法：在给定的时间内对编码器的脉冲计数。转速（,r/min),：,脉冲周期法：计数编码器一个脉冲间隔内（半个脉冲周期）标准时钟脉冲个数来计算转速。转速（,r/min),：,N,1,-t,时间内测得脉冲个数,N-,编码器每转脉冲数,N2-,编码器一个脉冲间隔内（正半周期）标准时钟脉冲输出个数,T-,标准时钟脉冲周期（单位,s,）,N-,编码器每转脉冲数,例：某编码器的额定工作参数是,N=2048,个脉冲,/r,，在,0.2s,时间内测得,8192,个脉冲，求其转速。,答：,例：设某编码器的额定工作参数,N=1024p/r,标准时钟脉冲周期,T=10,-6,s,，测得编码器输出的两个相邻脉冲上升沿之间的标准脉冲输出个数为,1000,个，求其转速。,答：编码器一个脉冲间隔（即半个编码器脉冲周期）内标准时钟脉冲的输出个数为,3.12,典型应用举例,3,.12,.,3,机床闭环控制,利用,感应同步器,作为,反馈元件,的鉴相型闭环伺服应用原理图,3.12,典型应用举例,3,.,12,.,4,定位控制,信号幅值,U,m,sin,（,-,x,）,e=e,s,+,e,c,=-,kU,sin,cos,t,cos,+,kU,cos,cos,t,sin,=,kU,cos,t,(-sin,cos,+cos,sin,),=-,kU,m,cos,t,sin(,-,),3.12,典型应用举例,3,.,12,.,5,随动控制,=,主,从,练习,1,、采用,6,位二进制码盘能分辨的角度为（）。,2,、光栅测量原理是以移动的莫尔条纹的数量来确定位移量的，其分辨率为（）。3,、光栅传感器是利用光栅的（）现象，以线位移和（）为基本测量内容，应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、制造大规模集成电路的设备及检测仪器等。,4,、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距（）。,A,与栅线的宽度成正比,B,与栅线间宽度成正比,C,与夹角近似成正比,D,与栅距近似成正比,5,、采用,4,位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是,0011,，终止位置对应的编码是,0101,，则码盘转动的角度可能是（）,A 45 B 60 C 90 D 120,6,、若某光栅的栅线密度为,50,线,/mm,，主光栅与指示光栅之间的夹角,=0.01rad,，求其莫尔条纹间距,B,为多少？,7,、某光栅的栅线密度为,100,线,/mm,，要使形成莫尔条纹宽度为,10mm,，求栅线夹角 是多少,?,