光栅编码器

Z4
U3

Z3 Z1 Z2
一、旋转变压器

2. 原理 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机 相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率 通常为400Hz、500Hz、1000Hz及 5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时， 转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函 数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。 前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用 于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变 压器，适用于小角位移的相对测量。
三、传感器的发展方向

2. 传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等 方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传 感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、 面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感 元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的 传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等 电路集成一体具有多种功能——实现了横向和纵 向的多功能。
化学传感器



按输出的信号分：
非电量型 有接点型(微动开关，接触开关， 行程开关) 无接点型(光电开关，接近开关)
传感器
二值型
电阻型（电位器，电阻应变片）
电量 模拟型 电压，电流型（热电偶,Cds电池）
电感，电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型）
数字型
代码型（旋转编码器，磁尺）
二、传感器的基本特性
指示光栅 标尺光栅 d f d f d W θ
W/2
d f d f d
d
W/2
B
d
一、光栅位移传感器

莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每 移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条
纹间距B

2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距 B与两光栅条纹夹角之间关系为
式中: k =w1/w2——旋转变压器的变压比 w1、w2——转子、定子绕组的匝数
一、旋转变压器
线性旋转变压器实际 上也是正余弦旋转变压器， D1 不同的是线性旋转变压器 采用了特定的变压比k和 接线方式，如右图。这样 使得在一定转角范围内 （一般为±60°），其输 出电压和转子转角θ成线 Z2 性关系。此时输出电压为
2.3 角位移检测传感器

一、旋转变压器 二、光电编码器
一、旋转变压器



D3 D4 1. 结构如图所示 U2 旋转变压器一般做 D1 成两极电机的形式。 在定子上有激磁绕组 U1 和辅助绕组，它们的 轴线相互成90°。在 D2 转子上有两个输出绕组 ——正弦输出绕组和余弦输出绕组， 这两个绕组的轴线也互成90°，一 般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短 接。

一、光栅位移传感器

二、感应同步器 三、磁栅位移传感器
一、光栅位移传感器
1、光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
一、光栅位移传感器

2、工作原理
把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间 有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条 纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的 方向排列，如图所示。

2.鉴相测量方式 将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电 2 x 压为
U 1 U 0 sin

在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为
U U 0 sin
2 x
U 2 U 0 cos
2 x

cos t
sin t


t
则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺 的相对位置χ变化而变。读出输出信号的相位，就可 确定磁头的位置。
2 x U 2 U 0 cos

U 1 U 0 sin
2 x
两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一 个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检 测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受 到录磁节距λ的限制，若要提高分辨率就必须采 用较复杂的信频电路，所以不常采用。
三、磁栅位移传感器
第二章 检测与传感器



2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
概述 线位移检测传感器 角位移检测传感器 速度、加速度传感器 测力传感器 传感器的正确选择和使用 检测信号的采集与处理
2.1 概述

一、定义及分类：
1、定义：传感器是将力、温度、位移、速 度等量转换成电信号的元件。“传感器技 术是机电一体化的第一基础” 2、分类 物理传感器 按能量变换的功能分：
一、旋转变压器

3. 测量方式 当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相 差为90°的交变激磁电压时，便可在转子绕组中 得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为 激磁电压U1和U2的感应电势之和，即
U 1 Um sin t
U 2 Um cost
U 3 kU1 sin kU 2 sin( 90 o ) kUm cos( t )
Us Um sin sin t Uc Um cos sin t 则： U 2 U' U"
2 2
KUm sin( ) sin t
由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦 变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得 定尺和滑尺之间的相对位移。
三、磁栅位移传感器
B

W 2 sin 2
W
3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。
一、光栅位移传感器

通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强 的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图 所示。
U
o W/2 W 3W/2 2W
Um
U0
x
其电压为：U
U 0 Um sin 2x W
一、光栅位移传感器

将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和 可逆计数器计数，则可用数字形式显示出 位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测 量分辨率等于栅距。
二、感应同步器


2.感应同步器的工作原理 在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为 2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频 率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和 定尺的相对位置有关。 设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压 为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单 独供电时，在定尺上感应电势为
Uc Um cost
KU m sin t cos KU m cos t sin KU m sin( t )
从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺 的相对位移x：
x
360
o
T
二、感应同步器

2.鉴幅工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和 相同相位，但幅值不等的两个交流电压：
二、感应同步器

3. 测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出 电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有 鉴相式和鉴幅式两种工作法。
二、感应同步器

(1)鉴相式工作法 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同 幅值，但相位相差90o的两个电压，设
则
Us Um sin t ' " U2 U2 U2
Z1


U1 D2
D3
D4
U3 Z3 Z4
U 3 kU1 sin 1k cos
二、光电编码器
1.增量式 编码器结构

二、光电编码器

2.增量式编码器工作原理

鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明 检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B 两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。ห้องสมุดไป่ตู้工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转 动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当 主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝 对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压 为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的 透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输 出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光 电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电 变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑 电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方 向。
二、感应同步器

1.感应同步器结构
定尺
l 4
节距2τ （2mm）
基板(钢、铜) 绝缘粘胶 铜箔 耐切削液涂层 铝箔
节距τ （0.5mm）
sin
cos
滑尺
二、感应同步器

包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方 法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的 方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着 两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。 当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与 定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安 装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。
三、传感器的发展方向

1. 新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律， 由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、 开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新 原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多 功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之， 传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为 主的过程。
' KUs cos x 360 o KUs cos U2
T
二、感应同步器

余弦绕组单独供电所产生的感应电势为
" KUc sin x 360 o KUc sin U2
T
由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线 性叠加，所以定尺上总的感应电势为
' U" KUs cos KUc sin U2 U2 2
二、感应同步器

式中 ： K——定尺与滑尺之间的耦合系数； ——定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角 度） o
x )360 2x ( T T


T——节距，表示直线感应同步器的周期，标准 式直线感应同步器的节距为2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进 行位置检测。
二、传感器的基本特性
(2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即
S0
(3).迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞， 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示
y x
Hm 100 %
U U 0 sin
U0——输出电压系数； ——磁尺上磁化信号的节距； 式中： χ——磁头相对磁尺的位移； ω——励磁电压的角频率。
在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向

sin t
三、磁栅位移传感器

3.测量方式 (1)鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤 掉后则得到相位差为π/2的两组信号
三、传感器的发展方向

3. 传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器 的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转 换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处 理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步 将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上， 就成为智能传感器。
2.2 线位移检测传感器


1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态 下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器 静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、 迟滞和重复性等。 (1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特 性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值 之比，即
γL Δmax 100% yFS
H
yFS
二、传感器的基本特性
(4).重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全 量程连续多次重复测量时，所得输出——输入曲线的 不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的 百分数表示，即
Rm 100% 近似计算 γR yFS
2~3 2 R yi y n 1 精确计算 yFS

1.磁栅式位移传感器的结构
0
3
S S
0 a b 2
N N S S N N S S N N
x
4
λ
1
输出信号 1—磁性膜 2—基体 5 7 3—磁尺 4—磁头 5—铁芯 6—励磁 6 绕组 7—拾磁绕组 励磁电源
三、磁栅位移传感器

2.原理： 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为 励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入 励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电 压为： 2x
二、传感器的基本特性
5.分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入 零点附近的分辨力称为阈值。
6.零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂， 零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
二、传感器的基本特性

2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输 入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以 通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动 态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时 间、频率响应范围、临界频率等。