角度与角位移测量传感器

5.1.2 感应同步器信号处理
对感应同步器的信号处理，根据工作要求和精度的不同有鉴相 型、鉴幅型、幅相型等。下面介绍鉴相型和鉴幅型两种方法。
1. 鉴相型 鉴相型是根据感应电势的相位来鉴别位移量。
如果在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别供给频率相同，相位 相差90º的交流励磁电百度文库，即
Us Um sint
实用传感器技术教程
1
2020/1/17
第5章 角度与角位移测量传感器
5.1
感应同步器
1.2
5.2 光电编码器
1.2
5.3 旋转变压器
5.4
自整角机
5.5
角度与角位移测量传感器性能比较
2020/1/17
2
角位移测量技术是几何量测量技术的一个重要 组成部分，在国民经济和国防建设中具有广泛 的应用和重要的作用。如：飞机、舰船、火箭、 飞船常用惯性导航仪表来保证航行方向角的准 确性；弹道式导弹的发射需要掌握发射点和落 点的方位角；火炮以对其垂直角和水平角的控 制，保证命中目标。
增量型编码器的分辨率以码盘上光栅的线数或每转脉冲数 （CPR）表示，即码盘每旋转一周，光电检测器产生的计数脉 冲数。
2020/1/17
25
5.2.1 光电编码器原理与分类
2. 绝对型光电编码器
2 3
1
2
光电器件
0
3
1 光电器件 0
4
4
7
7
5
6
(a)
5
6
(b)
图5-7 绝对编码器码盘
2020/1/17
20
5.1.3 感应同步器应用
给定值
计算机 数显仪
伺服电机
测试台
圆感应 同步器
2020/1/17
图5-4 测试台水平倾角位置控制系统
21
5.1.3 感应同步器应用
旋转式感应同步器
正
弦
cos
激
励
信
sin
号
数字 输出
数显仪
前置放大器
图5-5 旋转式感应同步器及其数显系统原理
2020/1/17
22
2020/1/17
30
5.3 旋转变压器
5.3.1 旋转变压器基本原理 1. 正余弦旋转变压器
外壳
分解器定子
变压器定子绕组
2020/1/17
电动机轴
分解器 转子绕组
分解器
分解器转子
定子绕组
31
变压器 转子绕组
变压器转子 变压器定子
5.3 旋转变压器
u1
u3
u2
u4
(a)
(b)
图5-11 正余弦旋转变压器的原理结构
26
5.2.2 光电编码器主要参数
光电编码器主要技术参数如下 （1）输出脉冲数/转 编码器的轴旋转一圈所输出的脉冲数。 （2）最高频率响应 在1秒内能响应的最大脉冲数。 （3）最高转速 可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲能够被
响应。
2020/1/17
27
5.2.2 光电编码器主要参数
（4）信号输出方式 1）电压输出 由共射级晶体管电路输出，其输出电压随输出电流变化有所
变化。 2）集电极开路输出 直接从晶体管的集电极输出，使用时需要外加电源。 3）推挽输出 当输出信号“1”时，上端晶体管导通，下端晶体管截止；当
输出信号“0”时，上端晶体管截止，下端晶体管导通。推挽输 出方式能够增加输出驱动能力，可以增加信号的传输距离。
2020/1/17
28
5.2.2 光电编码器主要参数
2. 感应同步器工作原理
感应同步器的工作原理是基于电磁感应现象，当激磁 绕组用一定频率的正弦电压激磁时，将产生同频率的 交变磁 通，感应绕组与这个交变磁通耦合，便产生同 频率的交变电势。这个电势的幅值与激磁频率、耦合 长度、激磁电流、两绕组间隙、两绕组的相对位置等 多因素有关。
2020/1/17
7
17
5.1.2 感应同步器信号处理
它们在定尺绕组上感应电势为
es

kUs
sin
2 x cost
W
ec

kUc
cos 2 x cost
W
（5-8） （5-9）
定尺绕组上总的感应电势为
e

kU
s
sin
2 x
W
cos
t

kUc
cos
2
W
x
cos
t
k cost(Us sinx Uc cosx )
（5-1）
Uc Um cost
（5-2）
2020/1/17
14
5.1.2 感应同步器信号处理
式中，Um为励磁电压峰值。
两个励磁电压在定尺绕组上感应出电势分别为
es

kUm
sin
2 x
W
cost
（5-3）
ec

kUm
cos
2 x
W
sin t
（5-4）
式中，W为二倍节距； x为定尺与滑尺相对位移。
2020/1/17
16
5.1.2 感应同步器信号处理
2. 鉴幅型
如果滑尺上正弦绕组和余弦绕组供以同频、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信号位移量，称 为鉴幅型。
当加到滑尺绕组的励磁电压为
us Us sint
uc Uc sint
（5-6） （5-7）
2020/1/17
2020/1/17
定尺绕组中感应电势的变化
定尺
A点
B点 滑 尺 的 C点 位 置
D点
E点
电磁 耦合度
感应 A 电压
B C
8
E D
移动 距离
3. 电气参数及特点
（1）精度
精度是根据基本误差的大小确定的。感应同步器的基本误差包 括零位误差和电气误差两种。由于感应同步器是线性感应元件， 它的磁路和电路都不会饱和，因此，无论是连续绕组励磁，还 是分段绕组励滋，其误差部是一样。
2020/1/17
19
5.1.2 感应同步器信号处理
设在原始状态时，θd＝θx。当位移增量Δx较小时，其 感应电势增量为
e

kUm
sin
x
cost

kUm
2
W
x cost
（5-14）
上式说明，位移增量Δx较小时，感应电势增量Δe与Δx 成正比。通过鉴别Δe即可测出Δx的大小。
2020/1/17
2020/1/17
29
5.2.3 光电编码器应用
零位（最高位）
入布 出布 其它动作 译码 译码 译码
出布（230°）
布面 入布（115°）
光源
最低位（173°）
图5-8 Z电机旋转一周的相位分解图
信号 脉冲 整
形 光电 编码器
整 零位 形 脉冲
CP 计数器
CLR
图5-9 电脑绣花机控制信号产生电路
按照误差产生的原因来说，可分成三大类：原理性误差、工艺 性误差和条件性误差。原理性误差是由于设计的不完善而固有 的，例如谐波磁场和谐波磁动势的存在而产生的误差。工艺性 误差是由于工艺不完善、产生的几何尺寸精度不够导致的误差， 例如刻线不准，表面不平、不均匀等等。条件性误差是由于测 试或运行时外界条件不当而引起的。
2020/1/17
3
5.1 感应同步器
感应同步器是一种电磁感应式多级位置传感器，它的 工作原理是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而 发生变化。由于它的多级结构，能够在电与磁两方面 对误差起到补偿作用，所以感应同步器具有很高的精 度。由于测量对象的不同，感应同步器根据它不同的 运动方式，可以分为圆感应同步器和长感应同步器。 圆感应同步器用于检测角度和角位移，长感应同步器 用来检测直线位移。
同步器的运行相当于开路状态。
2020/1/17
11
3. 电气参数及特点
（3）励磁电压
感应同步器的励磁电压一般都较低，大约为零点几伏至几 伏。因为绕组导体截面很小，励磁电流一般为0.1～0.5A。励磁 电源频率一般为2～10kHz。
（4）输出电压
由于感应同步器转子和定子之间的气隙很大，初、次级两 边的耦合相当松。通常以输出最大电压U2m和电压传送比VTR 表征输出电压的大小。由于感应同步器转子和定子之间的耦合 较松，所以最大输出电压U2m通常在几毫伏到十几毫伏之间。 感应同步器在规定间隙条件下，激磁电压的基波分量与最大空 载输出地基波分量之比称为电压传送比。它变化范围很大，通 常在几十到几百之间。
2020/1/17
12
3. 电气参数及特点
（5）零位及零位电压 感应同步器的零位定义为：两相绕组单相激磁，连续 绕组输出，或者连续绕组激磁，两相绕组输出时，其 输出电压的基波同相分量为零时，两相绕组和连续绕 组之间的相对位置。感应同步器处于零位时的输出电 压称为零位电压。
2020/1/17
13
5.2 光电编码器
光电编码器作为一种高精度的角度测量的传感器，它 是集光、机、电、精密技术与一体的高技术结晶。通 过光电转换，可将传输给轴的机械量、旋转位移等参 量转换成相应的电脉冲或数字量输出。它具有体积小、 重量轻、功能全、频率高、分辨率高、可靠性好、耗 能低、坚固耐用等特点。目前，作为传感元件它已经 广泛应用于天文望远镜、军事雷达、定向陀螺仪、机 器人及精密转台等系统中。
2020/1/17
23
5.2.1 光电编码器原理与分类
发光管
码盘
狭缝
接收元件
2020/1/17
轴
图5-6 光电编码器结构原理
24
5.2.1 光电编码器原理与分类
1. 增量型光电编码器
增量型编码器在码盘转动时，通过对狭缝遮挡和透过光产生的 光脉冲计数来测量码盘转动的角度。通常，增量型编码器的码 盘另外增加一个码道用于产生定位或零位信号，通过零位信号 及码道输出的脉冲数就可以判断码盘当前的位置。
2020/1/17
32
5.3.2 旋转变压器信号处理
把旋转变压器输出的这两相载有位置信息的电压变换 成为可识别的角度数据的操作，称为轴角变换，也叫 作位模转换。旋转变压器输出的是两相调幅的正弦波， 其中能够描述角度信息的物理量是幅值和相位。依据 检测信息形式的不同，把旋转变压器输出信号的处理 方式分成鉴相和鉴幅两种类型。
2020/1/17
15
5.1.2 感应同步器信号处理
叠加后，在定尺绕组上总的感应电势为
e es ec kUm sin(t x )
（5-5）
式中，θx=2πx/W称为感应电势的相位角，它在一个周期内与定 尺和滑尺的相对位移x有一一对应关系。
由此可见，通过鉴别感应电势的相位，可以测出定尺与滑尺之 间的相对位移。
2020/1/17
9
3. 电气参数及特点
（2）阻抗
图5-3（a）所示 为感应同步器的等效电路。由于感应同步器磁 路基板的磁导率很低，几乎和空气的磁导率一样，整个磁路的 磁导率很小，因此在通常的激磁信号频率f＝2～10kHz的频率 范围内，绕组的感抗远小于电阻，大约感抗只有电阻的2％。这 样，初级励磁电压绝大部分都落在电阻上，用来产生电动势的 仅是很小的一部分。因而，初级励磁电流与次级电流近乎同相， 而次级输出电动势和初级励磁电压的相位移角度几乎相差90º。 感应同步器中各向量之间的关系如图5-3（b）所示。
定尺和滑尺组成。定
尺为连续绕组，定尺 两相邻导片间的间距
e
定尺

称为节距，用字母τ
表示，二倍节距称为
一个周期。因此，对
于电角度来说，τ相
当于180º。滑尺是
分段绕组，两段绕组
分别为正弦绕组us，
滑尺
余弦绕组uc，正弦
us
uc
绕组和余弦绕组之间
错开90º相角，即相
差1/4周期。
2020/1/17
6
5.1.1感应同步器结构与工作原理
2020/1/17
33
5.3.2 旋转变压器信号处理
1. 鉴相式
鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器定子绕组中感应电势的 相位来确定转子角度的检测方式。这种测角方式是在旋转变压 器的正余弦输出端接入一个相移相加器，将正弦或余弦输出信 号中的一路相移π/2的电角度，再和剩余的另一路相加，对相 加后的函数进行检测得到转子的磁极位置。
4）线驱动输出 按照RS-422A标准的数据传送电路，可使用双绞线电缆 进行长距离传送。
（5）轴允许负荷 表示可加在轴上的最大负荷，有径向负荷和轴向负荷 两种。径向负荷对于轴来说是垂直方向的受力，与偏 心、偏角等有关。轴向负荷对于轴来说是水平方向的 受力，与推、拉轴的力有关。这两个力的大小，影响 轴的机械寿命。
2020/1/17
10
I1 r1 U1
3. 电气参数及特点
r2
E2
U2
jI1 x1
I1r1 U1
I1
2
图5-3 感应同步器向量图
E2 / U2
(a)
(b)
可见，感应同步器的阻抗主要是电阻，阻抗的绝对值也很小，
一般在几欧姆到几十欧姆。对于感应同步器，只需要测量两
个阻抗：定子开路阻抗Zs和转子开路阻抗Zr,实际上，感应
（5-10）
2020/1/17
18
5.1.2 感应同步器信号处理
利用函数变压器使励磁电压幅值为
Us Um cosd （5-11）
Uc Um sind （5-12）
式中，θd为励磁电压的电相角，则感应电势可写成
e kUm cost sin(x d ) （5-13）
可见，感应同步器定尺绕组上感应电势与定尺和滑尺间的 相对位移角θx与励磁电压角之差相关联。
2020/1/17
4
5.1.1感应同步器结构与工作原理
1. 感应同步器结构 旋转式感应同步器和直线式感应同步器在结构 上都由两部分构成，即固定部分和运动部分。 旋转式感应同步器构成部分称为定子和转子， 直线式感应同步器称为定尺和滑尺。
2020/1/17
5
5.1.1感应同步器结构与工作原理
如图5-1所示，它由