第六七章 位移检测
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莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划 误差有平均抵消作用, 能在很大程度上消除栅距的局 部误差和短周期误差的影响。
第6章 位移检测 3.运动对应关系
第6章 位移检测
传感器原理及应用
三、光栅的信号输出 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的 变化, 则将光信号转换为电信号, 输出的幅值可 用光栅位移量x的正弦函数表示,
传感器原理及应用
第6章 位移检测
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、 电容式、 霍尔式等传感器来检测, 精度可达0.5-1.0%, 其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些, 有些可达100mm。 小位移传感器测微小位移, 从几微米到几个毫米, 如物体振动的振幅测量等。
大的位移常用光栅、编码器等传感器来测量 , 其特点 是易实现数字化.
第6章 位移检测
d
w2
(两光栅的距离 )
图6.5.3 黑白透射光栅电路
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2.光栅测量原理 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的 夹角时, 产生出亮暗相间的条纹, 为“莫尔条纹”.
第6章 位移检测
长光栅横向莫尔条纹
第6章 位移检测 莫尔条纹
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
光栅式传感器
光栅式传感器的特点： 精度高； 大量程测量兼有高分辨率；
可实现动态测量；
具有较强的抗干扰能力。
第6章 位移检测 计量光栅的种类
传感器原理及应用
光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行等宽而又等间距 的刻线。
按光栅的表面结构不同有幅值(黑白)光栅和相位(闪耀) 光栅。 长光栅 圆光栅 用于长度或几何的测量， 刻线相互平行； 用来测量角度或角位移， 在圆盘玻璃上刻线；
第6章 位移检测
在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差 π/2的电信号u1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u1′和u2′。
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
S 0 空气隙的导磁横截面积 （m 2）；
0故Rc可忽略， 2 Rm R 0 S0
N 2 N 2 0 S0 L Rm 2
气隙长度（m）； 0 空气隙的导磁率（ L / m） .
第6章 位移检测
电感式传感器分为三种类型： （1）改变气隙厚度的自感传感器，称为变间隙式电感传感 器，如图（a）; (2)改变气隙截面的自感传感器，称为变截面式电感传感器， 如图(b); (3)螺管式的自感传感器如图（c）.
第6章 位移检测
传感器原理及应用
数字式传感器可以测线位移，也可以测角 位移，还可用来计数。 如 : 计数型传感器加上计数器可用来检测 输送带上的产品个数。 常用的数字式位置检测传感器，如光栅传 感器、光电式编码器和感应同步器等。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
6.5 光栅传感器 用于长度和角度的精密测量以及数控系统的 位置检测等. 光栅按工作原理和用途，可分为物理光栅和 计量光栅。 物理光栅是利用光栅的衍射现象，用于光谱 分析和光波波长的检测。 计量光栅则利用光栅的莫尔条纹现象，应用 于线位移和角位移的检测。
使其单边工作，则在相同的初始气隙下，测杆移动相同 的位移时，电感变化量为
N 2 0 S 0 L L1 L2 2 0 ( 0 ) 当 0 时，则 N 2 0 S 0 L L 0 2 0 2 0 其灵敏度 K L L0 0
第6章 位移检测
传感器原理及应用
数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点：
测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能 力强，便于与微机接口，适宜远距离传输等。
两种类型： 一种是以编码方式产生代码型的数字信号； 另一种是输出计数型的离散脉冲信号。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
代码型数字传感器又称编码器，它输出的信 号是数字代码，每一个代码对应一个输入量的 值。 有绝对式光电编码器和接触式码盘等。 计数型数字传感器又称脉冲数字传感器， 它输出的脉冲数与输入量成正比。
U (
3.铁心向下移动， Z1 Z0 Z , Z2 Z0 Z , 输出电压
U ( Z 0 Z 1 Z U 0 )U 0 2Z 0 2 Z0 2
Z 0 Z 1 Z U 0 )U 0 2Z 0 2 Z0 2
第6章 位移检测
传感器原理及应用
6.5 光栅传感器 前面介绍的传感器大部分是模拟式传感器， 与计算机等数字系统配接时，必须经过 A ／ D 转换器将模拟信号转换成数字信号，才能输入 到计算机等数字系统。这样增加了系统的复杂 性，而且 A ／ D 转换器的转换精度受到位数和 参考电压精度的限制，系统的总精度也将受到 限制。 数字式传感器能够直接将非电量转换为数 字量，这样就不需要 A ／ D 转换，直接用数字 显示。
L N 2 0 S 0
0
2
2L
0
位移较小时，输出特性呈线 性关系， 灵敏度 K L 2 L0 0
L1，L2总是接成差动形式，总 的电感变化量 L L1 L2 N 0 S 0 (差动传感器输出特性 ) 0 2 2
2
第6章 位移检测
莫尔条纹测位移的特点:
(1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距 W 时 , 莫尔条纹移动 一个间距BH, 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹 夹角θ之间的关系为:
BH=W/sin（θ/2）≈W/θ
θ越小, BH越大。相当于把栅距放大了1/θ倍, 提高了测量的灵敏度。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
(2)误差的平均效应
第6章 位移检测
6.1.2 输出特性
N 2 0 S 0 N2 L Rm 2
N 2 0 S0 L dL d 2 2
L
N 2 N 2 0 S 0 Rm 2
K
K
N 2 0 S0 L dL d 2 2
N 2 0 S0 L dL K 灵敏度： d 2 2
形成莫尔条纹的光学原理
长光栅莫尔条纹的周期：
B
式中：
W1W2 W W 2W1W2 cos
2 1 2 2
W1 W2
—— 标尺光栅
—— 指示光栅 —— 两光栅的夹角
第6章 位移检测
传感器原理及应用
莫尔条纹
莫尔条纹的重要特性：
运动对应关系
位移放大作用
误差平均效应
第6章 位移检测
传感器原理及应用
第6章 位移检测
长光栅： 根据栅线型式的不同，分为黑白光栅和闪烁光栅。 黑白光栅：只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅。 闪烁光栅：对入射光波的相位进行调制，也叫相位光栅。 根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。 透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，常用光学玻璃和制版 玻璃。 反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上。 圆光栅： 根据栅线刻划的方向，分径向光栅和切向光栅。 径向光栅：栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心。 切向光栅：全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。 按光栅的走向，圆光栅只有透射光栅。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
计量光栅的种类
光栅放大图
长光栅
第6章 位移检测
传感器原理及应用
计量光栅的种类
计量光栅的分类
第6章 位移检测
6.5.2 光栅传感器的结构及工作原理
1. 光栅的结构
光栅传感器又称光栅读数头, 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。 两光栅互相重叠, 两者之间有微小的空隙, 其中 一片固定, 另一片随着被测物体移动, 可实现位移测 量。
第6章 位移检测 光栅传感器
传感器原理及应用
辨向电路原理框图
第6章 位移检测
3 1 2 4
BH 4 B B
u
u1
3W 4
u2
0
W W 4 2
W
x
A
u1
u 2
Y1 A
A
u1 u 2
A
Y2
1 、2 —光电元件；3 、4 —光栅； A( A )—光栅移动方向； B( ) —与 A ( B )对应的莫尔条纹移动方向 A
经微分电路转换成脉冲信号 , 再经过辨向电路 和可逆计数器计数 , 则可以数字形式实时地显 示出位移量的大小。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2．
位移是向量 , 因而对位移量的测量 , 除
了确定大小之外, 还应确定其方向。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
可动光栅片向前或向后移动时, 莫尔条纹作明暗交替 的变化, 无法判别光栅移动的方向, 不能正确测量出 有往复移动时位移的大小。 必须在测量电路中加入辨向电路。
第6章 位移检测 6.1 自感式位移传感与测试
电感式传感器： 将被测量转换成电感（或互感）变化的传感器。 电感式传感器是建立在电磁感应定律基础上的，它 把被测位移转换为自感系数L的变化，然后将L接入 一定的转换电路，位移变化转换成电信号。
6.1.1 自感式传感器的工作原理及分类 也称电感式传感器或可变磁阻式传感器。
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 u2′的电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，
第6章 位移检测
N2 L Rm
Rm Rc R l 2 s 0 S 0
l 铁心和衔铁的磁路长度 （m）；
铁心和衔铁的导磁率（ 1 / m） ;
S 铁心和衔铁的横截面（ m 2） ;
铁心和衔铁通常为高导 磁率的材料， 其导磁率远大于空气隙 的导磁率，即
第6章 位移检测
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
U=U0+Umsin(π/2+2πX/W)
U-为光电元件输出的电压信号;
U0-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-主光栅与指示光栅之间的瞬时位移；
第6章 位移检测
传感器原理及应用
将输出的电压信号经过放大、整形变为方波 ,
第6章 位移检测
第六章 位移及速度检测
位移分为线位移和角位移。 线位移是指物体沿某一直线移动的距离，一般称线唯一的测量为长度测量。 角位移是指物体绕某一点转动的角度，一般称角位移的测量为角度测量。 根据位移测量范围变化的大小. 可分为：微小位移测量、小位移测量和大位移测量。 根据传感器的转换结果，可分为两类，一类是将位移量转换为模拟量； 如自感式位移传感器、电涡流传感器、电容传感器、霍尔传感器等。 另一类是将位移量转换成数字量，如光栅式位移传感器、光电码盘 感应同步器等。
N 2 0 dL K 常数 dS0 2
第6章 位移检测
6.1.3 差动自感传感器原理
N 2 0 S0 L0 衔铁上移 2 0 L1 N 0 S0 N 0 S0 ; L2 （ 2 0 ） （ 2 0 ）
2 2
0 , 略去 2得到
二、电感式位移计的测量电路
U U A U B Z1 1 ( )U 0 Z1 Z 2 2
第6章 位移检测
1.衔铁处于中间位置， Z1 Z2 Z0, 输出电压
U ( Z0 1 )U 0 2Z 0 2
2.铁心向上移动， Z1 Z0 Z , Z2 Z0 Z ,同情况下单边工作有以下优点； 1.衔铁在中间位置附近，差动方式比单边方式灵敏度提高一倍； 2.差动方式有温度自补偿作用和抗外磁场干扰能力强的优点 3.差动工作方式下需要的补偿小，非线性度高。
第6章 位移检测
6.1.4 自感式位移计 一、轴向电感式位移计的结构
这种传感器自由行程较大，且结构简单， 安装容易，缺点是灵敏度低， 且不宜测量快速变化的位移。
第6章 位移检测 3.运动对应关系
第6章 位移检测
传感器原理及应用
三、光栅的信号输出 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的 变化, 则将光信号转换为电信号, 输出的幅值可 用光栅位移量x的正弦函数表示,
传感器原理及应用
第6章 位移检测
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、 电容式、 霍尔式等传感器来检测, 精度可达0.5-1.0%, 其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些, 有些可达100mm。 小位移传感器测微小位移, 从几微米到几个毫米, 如物体振动的振幅测量等。
大的位移常用光栅、编码器等传感器来测量 , 其特点 是易实现数字化.
第6章 位移检测
d
w2
(两光栅的距离 )
图6.5.3 黑白透射光栅电路
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2.光栅测量原理 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的 夹角时, 产生出亮暗相间的条纹, 为“莫尔条纹”.
第6章 位移检测
长光栅横向莫尔条纹
第6章 位移检测 莫尔条纹
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
光栅式传感器
光栅式传感器的特点： 精度高； 大量程测量兼有高分辨率；
可实现动态测量；
具有较强的抗干扰能力。
第6章 位移检测 计量光栅的种类
传感器原理及应用
光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行等宽而又等间距 的刻线。
按光栅的表面结构不同有幅值(黑白)光栅和相位(闪耀) 光栅。 长光栅 圆光栅 用于长度或几何的测量， 刻线相互平行； 用来测量角度或角位移， 在圆盘玻璃上刻线；
第6章 位移检测
在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差 π/2的电信号u1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u1′和u2′。
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
S 0 空气隙的导磁横截面积 （m 2）；
0故Rc可忽略， 2 Rm R 0 S0
N 2 N 2 0 S0 L Rm 2
气隙长度（m）； 0 空气隙的导磁率（ L / m） .
第6章 位移检测
电感式传感器分为三种类型： （1）改变气隙厚度的自感传感器，称为变间隙式电感传感 器，如图（a）; (2)改变气隙截面的自感传感器，称为变截面式电感传感器， 如图(b); (3)螺管式的自感传感器如图（c）.
第6章 位移检测
传感器原理及应用
数字式传感器可以测线位移，也可以测角 位移，还可用来计数。 如 : 计数型传感器加上计数器可用来检测 输送带上的产品个数。 常用的数字式位置检测传感器，如光栅传 感器、光电式编码器和感应同步器等。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
6.5 光栅传感器 用于长度和角度的精密测量以及数控系统的 位置检测等. 光栅按工作原理和用途，可分为物理光栅和 计量光栅。 物理光栅是利用光栅的衍射现象，用于光谱 分析和光波波长的检测。 计量光栅则利用光栅的莫尔条纹现象，应用 于线位移和角位移的检测。
使其单边工作，则在相同的初始气隙下，测杆移动相同 的位移时，电感变化量为
N 2 0 S 0 L L1 L2 2 0 ( 0 ) 当 0 时，则 N 2 0 S 0 L L 0 2 0 2 0 其灵敏度 K L L0 0
第6章 位移检测
传感器原理及应用
数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点：
测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能 力强，便于与微机接口，适宜远距离传输等。
两种类型： 一种是以编码方式产生代码型的数字信号； 另一种是输出计数型的离散脉冲信号。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
代码型数字传感器又称编码器，它输出的信 号是数字代码，每一个代码对应一个输入量的 值。 有绝对式光电编码器和接触式码盘等。 计数型数字传感器又称脉冲数字传感器， 它输出的脉冲数与输入量成正比。
U (
3.铁心向下移动， Z1 Z0 Z , Z2 Z0 Z , 输出电压
U ( Z 0 Z 1 Z U 0 )U 0 2Z 0 2 Z0 2
Z 0 Z 1 Z U 0 )U 0 2Z 0 2 Z0 2
第6章 位移检测
传感器原理及应用
6.5 光栅传感器 前面介绍的传感器大部分是模拟式传感器， 与计算机等数字系统配接时，必须经过 A ／ D 转换器将模拟信号转换成数字信号，才能输入 到计算机等数字系统。这样增加了系统的复杂 性，而且 A ／ D 转换器的转换精度受到位数和 参考电压精度的限制，系统的总精度也将受到 限制。 数字式传感器能够直接将非电量转换为数 字量，这样就不需要 A ／ D 转换，直接用数字 显示。
L N 2 0 S 0
0
2
2L
0
位移较小时，输出特性呈线 性关系， 灵敏度 K L 2 L0 0
L1，L2总是接成差动形式，总 的电感变化量 L L1 L2 N 0 S 0 (差动传感器输出特性 ) 0 2 2
2
第6章 位移检测
莫尔条纹测位移的特点:
(1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距 W 时 , 莫尔条纹移动 一个间距BH, 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹 夹角θ之间的关系为:
BH=W/sin（θ/2）≈W/θ
θ越小, BH越大。相当于把栅距放大了1/θ倍, 提高了测量的灵敏度。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
(2)误差的平均效应
第6章 位移检测
6.1.2 输出特性
N 2 0 S 0 N2 L Rm 2
N 2 0 S0 L dL d 2 2
L
N 2 N 2 0 S 0 Rm 2
K
K
N 2 0 S0 L dL d 2 2
N 2 0 S0 L dL K 灵敏度： d 2 2
形成莫尔条纹的光学原理
长光栅莫尔条纹的周期：
B
式中：
W1W2 W W 2W1W2 cos
2 1 2 2
W1 W2
—— 标尺光栅
—— 指示光栅 —— 两光栅的夹角
第6章 位移检测
传感器原理及应用
莫尔条纹
莫尔条纹的重要特性：
运动对应关系
位移放大作用
误差平均效应
第6章 位移检测
传感器原理及应用
第6章 位移检测
长光栅： 根据栅线型式的不同，分为黑白光栅和闪烁光栅。 黑白光栅：只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅。 闪烁光栅：对入射光波的相位进行调制，也叫相位光栅。 根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。 透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，常用光学玻璃和制版 玻璃。 反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上。 圆光栅： 根据栅线刻划的方向，分径向光栅和切向光栅。 径向光栅：栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心。 切向光栅：全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。 按光栅的走向，圆光栅只有透射光栅。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
计量光栅的种类
光栅放大图
长光栅
第6章 位移检测
传感器原理及应用
计量光栅的种类
计量光栅的分类
第6章 位移检测
6.5.2 光栅传感器的结构及工作原理
1. 光栅的结构
光栅传感器又称光栅读数头, 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。 两光栅互相重叠, 两者之间有微小的空隙, 其中 一片固定, 另一片随着被测物体移动, 可实现位移测 量。
第6章 位移检测 光栅传感器
传感器原理及应用
辨向电路原理框图
第6章 位移检测
3 1 2 4
BH 4 B B
u
u1
3W 4
u2
0
W W 4 2
W
x
A
u1
u 2
Y1 A
A
u1 u 2
A
Y2
1 、2 —光电元件；3 、4 —光栅； A( A )—光栅移动方向； B( ) —与 A ( B )对应的莫尔条纹移动方向 A
经微分电路转换成脉冲信号 , 再经过辨向电路 和可逆计数器计数 , 则可以数字形式实时地显 示出位移量的大小。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2．
位移是向量 , 因而对位移量的测量 , 除
了确定大小之外, 还应确定其方向。
第6章 位移检测
传感器原理及应用
可动光栅片向前或向后移动时, 莫尔条纹作明暗交替 的变化, 无法判别光栅移动的方向, 不能正确测量出 有往复移动时位移的大小。 必须在测量电路中加入辨向电路。
第6章 位移检测 6.1 自感式位移传感与测试
电感式传感器： 将被测量转换成电感（或互感）变化的传感器。 电感式传感器是建立在电磁感应定律基础上的，它 把被测位移转换为自感系数L的变化，然后将L接入 一定的转换电路，位移变化转换成电信号。
6.1.1 自感式传感器的工作原理及分类 也称电感式传感器或可变磁阻式传感器。
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 u2′的电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，
第6章 位移检测
N2 L Rm
Rm Rc R l 2 s 0 S 0
l 铁心和衔铁的磁路长度 （m）；
铁心和衔铁的导磁率（ 1 / m） ;
S 铁心和衔铁的横截面（ m 2） ;
铁心和衔铁通常为高导 磁率的材料， 其导磁率远大于空气隙 的导磁率，即
第6章 位移检测
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
U=U0+Umsin(π/2+2πX/W)
U-为光电元件输出的电压信号;
U0-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-主光栅与指示光栅之间的瞬时位移；
第6章 位移检测
传感器原理及应用
将输出的电压信号经过放大、整形变为方波 ,
第6章 位移检测
第六章 位移及速度检测
位移分为线位移和角位移。 线位移是指物体沿某一直线移动的距离，一般称线唯一的测量为长度测量。 角位移是指物体绕某一点转动的角度，一般称角位移的测量为角度测量。 根据位移测量范围变化的大小. 可分为：微小位移测量、小位移测量和大位移测量。 根据传感器的转换结果，可分为两类，一类是将位移量转换为模拟量； 如自感式位移传感器、电涡流传感器、电容传感器、霍尔传感器等。 另一类是将位移量转换成数字量，如光栅式位移传感器、光电码盘 感应同步器等。
N 2 0 dL K 常数 dS0 2
第6章 位移检测
6.1.3 差动自感传感器原理
N 2 0 S0 L0 衔铁上移 2 0 L1 N 0 S0 N 0 S0 ; L2 （ 2 0 ） （ 2 0 ）
2 2
0 , 略去 2得到
二、电感式位移计的测量电路
U U A U B Z1 1 ( )U 0 Z1 Z 2 2
第6章 位移检测
1.衔铁处于中间位置， Z1 Z2 Z0, 输出电压
U ( Z0 1 )U 0 2Z 0 2
2.铁心向上移动， Z1 Z0 Z , Z2 Z0 Z ,同情况下单边工作有以下优点； 1.衔铁在中间位置附近，差动方式比单边方式灵敏度提高一倍； 2.差动方式有温度自补偿作用和抗外磁场干扰能力强的优点 3.差动工作方式下需要的补偿小，非线性度高。
第6章 位移检测
6.1.4 自感式位移计 一、轴向电感式位移计的结构
这种传感器自由行程较大，且结构简单， 安装容易，缺点是灵敏度低， 且不宜测量快速变化的位移。