第8章 数字量传感器及应用（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

第8章 数字量传感器及应用 知识目标 通过本课题的学习，要求熟悉常用的数字式传感器基本结构，了解数字式传感器的基本工作原理，了解对数字信号处理的方法。 技能目标 通过本课题的学习，要求掌握数字式传感器的特性，正确操作和维护数字式传感器。 8.1 栅式数字传感器 光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊应用。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应用。 8.1.1光栅的类型和结构 图8-2 光栅刻线 1.长光栅 按栅线形状的不同，长光栅可分为黑白光栅和闪耀光栅。 图8-3 黑白光栅 图8-4 闪耀光栅刻线断面 2.圆光栅 图8-5 圆光栅 8.1.2 光栅的工作原理 1. 莫尔条纹 计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。主光栅的刻线一般比指示光栅长，如图8-6所示。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θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块栅的缝隙相交处形成暗带，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。 图8-6 光栅与莫尔条纹示意图（θ≠0） 2.莫尔条纹的特点 ⑴放大作用 由式8-1可知，θ越小，B越大，这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍，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。 ⑵平均效应 莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。 ⑶运动方向 当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图8-6中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹则向上移动。 ⑷对应关系 两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。 ⑸莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数 图8-7 光栅位移与光强关系 8.1.3. 光栅式传感器的测量电路 1.光电转换 光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成，如图8-8所示。 图8-8 光栅读数头结构示意图 图8-9 光电元件输出波形 2.辨向原理 3.细分技术 8.2 数字编码器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲盘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。码盘式编码器也称为绝对编码器，它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。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码。 8.2.1 接触式码盘编码器 1.结构与工作原理 图8-12 接触式四位二进制码盘 2.消除非单值误差的办法 ⑴采用循环码(格雷码) 循环码盘结构如图8-12(b)所示。采用循环码制可以消除非单值误差。 ⑵扫描法 扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。 8.2.2光电式编码器 图8-13 光电编码器示意图 8.2.3 电磁式编码器 图8-14 磁编码器的基本结构 8.2.4 脉冲盘式数字传感器 脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。 1.增量编码器的结构和工作原理 图8-15 脉冲盘式编码器示意图 2.旋转方向的判别 图8-16 辨向原理 8.3 感应同步器 感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位移感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。 8.3.1 直线式感应同步器的结构和工作原理 1.载流线圈所产生的磁场 图8-17 载流线圈产生的磁场分布示意图 图8-18探测线圈内的感应电动势 2.直线式感应同步器的基本结构 图8-19 绕组结构 3.线式感应同步器的工作原理 图8-20 感应同步器工作原理图 4.直线感应同步器输出信号的检测 ⑴鉴相型 —根据感应电动势的相位来鉴别位移量 当正弦绕组单独励磁时，设励磁电压 定尺绕组中的感应电动势 （8-3） 当余弦绕组单独励磁