第10章 数字式传感器

光栅2）面向对叠合在一起，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θ，如图 d
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， f
这些条纹叫莫尔条纹。
d
由图可见，在d - d线上，两块光 f
栅的栅线重合，透光面积最大，
形成条纹的亮带，
它是由一系列光
d 栅2
四棱形图案构成的；在f - f线上，
• 基板上通过粘合剂4粘有一层铜箔。铜箔厚 度在0.1mm以下，通过蚀刻得到所需的绕组 3的图形。
• 在铜箔上面是一层耐腐蚀的绝缘涂层1.
• 根据需要还可在滑尺表面再贴一层带绝缘层 的铝箔5，以防止静电感应。
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第二节 光 栅
➢ 光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相 间排列构成的光器件。
第十章 数字式传感器
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第10章 数字式传感器
10.1 感应同步器 110..22 光 栅 10.3 编 码 器 10.4 频率式传感器
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数字式传感器:能把被测（模拟）量直接转换 成数字量输出的传感器
数字式传感器具有下列特点： 1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大； 2.抗干扰能力强，稳定性好； 3.信号易于处理、传送和自动控制； 4.便于动态及多路测量，读数直观； 5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。
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 数头的结构示意图见下图。
➢ 按光栅表面结构的不同，又可分为幅值(黑白)光栅和相 位(闪耀)光栅。前者特点是栅线与缝隙是黑白相间的， 多用于照相复制法进行加工；后者的横断面呈锯齿状， 常用刻划法加工。本节主要讨论黑白透射式计量光栅
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1. 光栅结构
a
b
在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，右 图为透射光栅的示意图。
滑尺上布有断续绕组，分正弦 ( l l ' ) 和余弦( z z ' ) 两部分，即两 绕组相差90度电角度。为此，两相绕组中心线距应 为 l1(n/21/4)W 2 ，其中n为正整数。两相绕组节距相同， 均为W1＝2(a1＋b1)
通常，定尺的节距W2为2mm。定尺绕组的导片宽度要考虑消除
高次谐波，可按 a2 nW2/来选择，其中 为谐波次数，n为
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。
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光栅1 d f d f BH d
莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。
(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
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光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数 显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量） 转换成响应的电信号；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，两者之间有微小的空隙。
图中a为栅线的宽度（不透光），b
为栅线间宽（透光）， a+b=W称为 光栅的栅距（也称光栅常数）。通
常 a=b=W/2 ， 也 可 刻 成 a∶b=1.1∶0.9 。 目 前 常 用 的 光 栅
每毫米刻成10、25、50、 100、 250条线条。
W
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2. 光栅测量原理
W
把两块栅距相等的光栅（光栅1、
正整数，显然a2<W2/2
滑尺的节距W1通常与W2相等，绕组的导片宽度同样按 a1 nW2/
来选取
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结构组成
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• 图10-2为定尺和滑尺的截面结构图。
• 基板2通常由钢板制成。为了保证测量的精 度，对它的表面几何形状，外形尺寸及热处 理等都有一定的要求。
动方向也相反。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
W
2
θ 越 小 ， BH 越 大 ， 这 相 当 于 把 栅 距 W 放 大 了 1/θ 倍 。 例 如 θ=0.1°，则1/θ≈573，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 ， 说 明 光 栅 具ห้องสมุดไป่ตู้有 位 移 放 大 作 用 ，
从而提高了测量的灵敏度。
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（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅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短周期误 差的影响。
数字量的传感器。
➢ 感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构 对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位
移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命 长、接长便利等优点。
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• 图10-1为直线式感应同步器的绕组结构。由两个绕组构成。 定尺长度为250mm均匀分布的连续绕组，节距W2＝2（a2＋b2）
➢ 按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线 比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用 于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光 栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与 控制中。
➢ 按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分， 而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和 测量位移的圆光栅。
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• 主要介绍在测量和控制系统中广泛应用的数 字式传感器：
• 直接以数字量形式输出的传感器，如绝对编 码器；
• 以脉冲形式输出的传感器，如增量编码器、 感应同步器、光栅等；
• 以频率形式输出的传感器；
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第一节 感应同步器
➢ 感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成