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1、第第8 8章章 传感器与检测技术的基本知识传感器与检测技术的基本知识本章学习的主要内容：本章学习的主要内容：8.1 8.1 光栅式传感器光栅式传感器8.2 8.2 光电编码器光电编码器8.3 8.3 磁栅式传感器磁栅式传感器8.4 8.4 感应同步器感应同步器数字传感器在数控机床中的应用数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器安装角编码器安装在夹具的端部在夹具的端部8.1 8.1 光栅传感器光栅传感器 光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。光栅作为光学器件，很早
2、就有光栅作为光学器件，很早就有,物理光栅主要利用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，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。它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。结构简单结构简单测量精度高测量精度高易于实现自动化和数字化等易于实现自动化和数字化等8.1.1 8.1.1 光栅光栅传感器的类型和特性传感器的类型和特性按用途分：按用途分：直线型：主光栅为直尺形直线型：主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型：主光栅为圆盘形旋转型：主光栅为圆盘形旋转运动旋
3、转运动按应用需要分：按应用需要分：透射式：光源与光电元件在两侧透射式：光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式：光源与光电元件同一侧反射式：光源与光电元件同一侧反射光反射光透射式光栅结构图透射式光栅结构图1 1反射主光栅反射主光栅2 2指示光栅指示光栅3 3场镜场镜4 4反射镜反射镜5 5聚光镜聚光镜6 6光源光源7 7物镜物镜8 8光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。（2 2）反射式光栅）反射式光栅反射式光栅结构图反射式光栅结构图光栅传感器实物图光栅传感器实物图扫描头（与移动部件固定）扫描头（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆8.1.2 8.
4、1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性1.1.莫尔条纹莫尔条纹 在日常生活中经常能见到莫尔在日常生活中经常能见到莫尔（Moire）现象。如将两层窗纱、蚊帐、薄）现象。如将两层窗纱、蚊帐、薄绸叠合，就可以看到类似的莫尔条纹。绸叠合，就可以看到类似的莫尔条纹。光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。直线型莫尔直线型莫尔条纹动画演示条纹动画演示旋转型莫尔旋转型莫尔条纹动画演示条纹动画演示2.2.光电转换光电转换 为了进行莫尔条纹读数，在光路系统中为了进行莫尔条纹读数，在光路系统中除了主光栅与指示光栅外，还必须有光源、除了主光栅与指示光栅外，还必须有光源、聚光镜和光电元件
5、等。聚光镜和光电元件等。透射式光栅透射式光栅传感器结构图传感器结构图 当两块光栅相对移动时，光电元件上的当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。输出波形是一光强随莫尔条纹移动而变化。输出波形是一近似的正弦曲线。近似的正弦曲线。8.1.3 8.1.3 光栅传感器应用技术光栅传感器应用技术1.1.辨向原理辨向原理辨向原理图辨向原理图UZ1UZ2UZ3去加法计数器去加法计数器去减法计数器去减法计数器UZ1UZ2UZ3 脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。数，根据正负可以辨向。得出：得出：被测物体位移栅距被测物体位移栅距
6、脉冲数脉冲数【例例】先正向移动先正向移动1111个脉冲，而后反向移动个脉冲，而后反向移动5 5个脉个脉冲，再正向移动冲，再正向移动2 2个脉冲，可算出位移个脉冲，可算出位移8 8个栅距。个栅距。2.2.电子细分电子细分（1 1）四陪频细分）四陪频细分 将辨向原理中相隔将辨向原理中相隔B4的两个光电元件的的两个光电元件的输出信号反相，就可以得到输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为个依次相位差为/2的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲信号，实现所谓四倍频细分。信号，实现所谓四倍频细分。在上述两个光电元件的基础上再增加两在上述两个光电元件的基础上再增加两个
7、光电元件，每两个光电元件间隔个光电元件，每两个光电元件间隔14条纹条纹间距，同样可实现四倍频细分。间距，同样可实现四倍频细分。要得到一条通过点要得到一条通过点5的正弦（或余弦）曲线的正弦（或余弦）曲线 ，则必须在，则必须在 及及 所对所对应的电压间加一电位器，其电阻值应的电压间加一电位器，其电阻值 。第第 个电位器电刷两边的电阻值个电位器电刷两边的电阻值 与与 之比之比由下式确定：由下式确定：48点电位器电桥细分电路点电位器电桥细分电路 由由 ，时使过零比较器电时使过零比较器电平翻转，输出细分信号。平翻转，输出细分信号。使用中，为了克服断电时计数值无法保留，使用中，为了克服断电时计数值无法保留
8、，重新供电后，测量系统不能正常工作的弊病，重新供电后，测量系统不能正常工作的弊病，可以用机械等方法设置绝对零位点。目前通常可以用机械等方法设置绝对零位点。目前通常采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零位参考标志的方法零位参考标志的方法零位光栅，它使光栅零位光栅，它使光栅成为一个准绝对测量系统。成为一个准绝对测量系统。最简单的零位光栅刻线是一条宽度与主光最简单的零位光栅刻线是一条宽度与主光栅栅距相等的透光狭缝栅栅距相等的透光狭缝c，即在主光栅和指，即在主光栅和指示光栅某一侧另行刻制一对互相平行的零位示光栅某一侧另行刻制一对互相平行的零位光栅刻线，与主光
9、栅用同一光源照明，经光光栅刻线，与主光栅用同一光源照明，经光电元件转换后形成绝对零位的输出信号。它电元件转换后形成绝对零位的输出信号。它近似为一个三角波单脉冲。近似为一个三角波单脉冲。3.机床结构和电气连接方式机床结构和电气连接方式8.1.5 8.1.5 光栅传感器的应用实例光栅传感器的应用实例 光栅传感器通常作为测量元件应用于机床光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等量速度、加速度、振动等。其分辨率高达纳米级，测量速度高达其分辨率高达纳米级，测量速度高达 480m/min;测量长度高达测量长度高达
10、100m以上，可实现以上，可实现动态测量动态测量,易于实现测量及数据处理自动化，易于实现测量及数据处理自动化，具有较强的抗干扰能力。具有较强的抗干扰能力。机床导轨位置检测动画演示8 82 2 磁栅传感器磁栅传感器8 8.2 2 磁栅传感器磁栅传感器8.2.1 8.2.1 磁栅传感器及特性磁栅传感器及特性 磁栅式传感器利用磁栅与磁头的磁作用进磁栅式传感器利用磁栅与磁头的磁作用进行测量的位移传感器。行测量的位移传感器。当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹去，重新录制。还可以安装在机床上后再录去，重新录制。还可以安装在机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床
11、本身制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。利的。磁栅传感器由磁尺（或磁盘）、磁头和检磁栅传感器由磁尺（或磁盘）、磁头和检测电路组成。磁头的作用是把磁尺上的信号转测电路组成。磁头的作用是把磁尺上的信号转换成电信号；此电信号再由检测电路变换和细换成电信号；此电信号再由检测电路变换和细分后进行计数输出。分后进行计数输出。8.2.2 8.2.2 磁栅的结构与工作原理磁栅的结构与工作原理1.1.磁栅磁栅 磁栅是用不导磁的金属，或是用表面涂覆磁栅是用不导磁的金属，或是用表面涂覆有一层抗磁材料的钢材做尺基，在尺基的表有一层抗磁
12、材料的钢材做尺基，在尺基的表面上均匀地涂覆一层磁性薄膜，然后用记录面上均匀地涂覆一层磁性薄膜，然后用记录磁头在磁性薄膜上记录节距为磁头在磁性薄膜上记录节距为W W的正弦波或的正弦波或矩形波。矩形波。磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理去信号处理 电路电路固定孔固定孔2磁栅的类型磁栅的类型长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量直线位移）（测量角位移）测量角位移）尺形尺形带形带形同轴形同轴形1磁头 2磁栅 3屏蔽罩 4基座 5软垫2.2.磁头磁头 根据读出信号方式不同，磁头可分为动态根据读出信号方式不同，磁头可分为动态和静态两种。和静态两种。动态磁头又称速
13、度响应式磁头。它仅有动态磁头又称速度响应式磁头。它仅有一组输出绕组；只有在磁头与磁栅间有连续一组输出绕组；只有在磁头与磁栅间有连续相对运动时才有信号输出。磁头的输出为正相对运动时才有信号输出。磁头的输出为正弦信号，在弦信号，在N、N处达正向峰值，在处达正向峰值，在S、S处处达负向峰值。达负向峰值。动态磁头工作原理动态磁头工作原理 静态磁头又称磁通响应式磁头。它可用静态磁头又称磁通响应式磁头。它可用在磁头与磁栅间无相对运动的测量，它有两在磁头与磁栅间无相对运动的测量，它有两个绕组，一为激磁绕组个绕组，一为激磁绕组W1，另一为输出绕组，另一为输出绕组W2。只有在激磁信号每周期两次过零时，铁心不只有
14、在激磁信号每周期两次过零时，铁心不被饱和，磁栅上的信号磁通才能通过输出绕组被饱和，磁栅上的信号磁通才能通过输出绕组的铁心而产生感应电势。的铁心而产生感应电势。输出电压可用下式表达：输出电压可用下式表达：静态磁头工作原理静态磁头工作原理 在实际应用时，为了增大输出和提高稳定在实际应用时，为了增大输出和提高稳定性，通常采用多间隙静态磁头。性，通常采用多间隙静态磁头。多隙磁通响应式磁头的典型结构多隙磁通响应式磁头的典型结构8.2.3 8.2.3 磁栅传感器应用技术磁栅传感器应用技术 在应用中，一般采用两个多间隙静态磁头在应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号，两磁头的间距为（来读取磁
15、栅上的磁信号，两磁头的间距为（n1/4）W（n为正整数），两组磁头激磁信号的相位差为正整数），两组磁头激磁信号的相位差为为 /4。磁栅传感器工作原理动画演示磁栅传感器工作原理动画演示 若激磁绕组加上同相的正弦激磁信号，若激磁绕组加上同相的正弦激磁信号，则两组磁头的输出信号为：则两组磁头的输出信号为：经检波滤除高频载波后可得：经检波滤除高频载波后可得：鉴幅型磁栅传感器的原理框图鉴幅型磁栅传感器的原理框图 和和 是与位移量是与位移量x成比例的信号，经处成比例的信号，经处理即可得到位移量，这便是所谓鉴幅法。理即可得到位移量，这便是所谓鉴幅法。若激磁绕组上所加正弦激磁信号的相位差若激磁绕组上所加正弦激
16、磁信号的相位差为为 /4，或将输出信号移相，或将输出信号移相 /2，则两组磁，则两组磁头的输出信号变为：头的输出信号变为：将将 与与 相加，在相加，在 的条件下，的条件下，鉴相法常用的电路框图鉴相法常用的电路框图8.2.4 8.2.4 磁栅传感器的应用实例磁栅传感器的应用实例ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图鉴相型磁栅数显表的原理框图信号航空插头信号航空插头光电编码器外形图光电编码器外形图8 8.3 3 光电编码器光电编码器 拉线式角编码器拉线式角编码器利用线轮，能将直利用线轮，能将直线运动转换成旋转线运动转换成旋转运动。运动。8.3.1 8.3.1 光电编码器的分类及其特性光电编码器的
17、分类及其特性 光电编码器，是一种通过光电转换将输出光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。的传感器。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。合式三种。8.3.2 8.3.2 光电编码器的工作原理光电编码器的工作原理 旋转式编码器有两种旋转式编码器有两种增量编码器和增量编码器和绝对编码器。绝对编码器。绝对式光电编码器的结构示
18、意图绝对式光电编码器的结构示意图1 1光源；光源；2 2透镜；透镜；3 3编码盘；编码盘；4 4狭缝；狭缝；5 5光电元件光电元件1.1.绝对编码器绝对编码器 编码器光源产生的光经光学系统形成一编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。面成径向排列的光敏元件相耦合。码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。对应每一码道有一个光敏元件。当码盘处于不同位置时各光敏元件根当码盘处于不同位置时各光敏元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号。据受光照
19、与否转换输出相应的电平信号。光电编码器大多采用格雷码盘，格雷码光电编码器大多采用格雷码盘，格雷码盘的两个相邻数的码变化只有一位码是不盘的两个相邻数的码变化只有一位码是不同的。同的。格雷码和自然二进制码的比较表格雷码和自然二进制码的比较表绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器原理动画演示工位定位示意图工位定位示意图1 1绝对式编码器绝对式编码器2 2电动机电动机 3 3转轴转轴 4 4转盘转盘 5 5工件工件 6 6刀具刀具 利用光学分解技术可以获得更高的分辨利用光学分解技术可以获得更高的分辨力。如图所示为一个具有光学分解器的力。如图所示为一个具有光学分解器的19位位光电编码器。光电编码器
20、。该编码器的码盘具有该编码器的码盘具有14（位）内码道和（位）内码道和1条专用附加码道。条专用附加码道。附加码道光敏元件输出附加码道光敏元件输出 插值器将输入的正弦信号和余弦信号插值器将输入的正弦信号和余弦信号按不同的系数加在一起，形成数个相移不按不同的系数加在一起，形成数个相移不同的正弦信号输出。同的正弦信号输出。1919位光电编码器的插值器产生位光电编码器的插值器产生1616个正弦个正弦波形。每两个正弦信号之间的相位差为波形。每两个正弦信号之间的相位差为8 8，从而在，从而在4 4位二进制编码器的最低有效位间隔位二进制编码器的最低有效位间隔内产生内产生3232个精确等分点。个精确等分点。2
21、增量编码器增量编码器 增量编码器一般只需三条码道，分别是：增量编码器一般只需三条码道，分别是：用来产生计数脉冲的增量码道（用来产生计数脉冲的增量码道（）；辨）；辨向码道（向码道（）；给计数系统提供一个初始）；给计数系统提供一个初始的零位信号（的零位信号（Z Z）增量编码器的输出波形增量编码器的输出波形（a a）码盘正转时（）码盘正转时（b b）码盘反转时）码盘反转时 在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形脉冲波形/2 2；反转时，增量计数脉冲滞；反转时，增量计数脉冲滞后后/2 2。增量式编码器原理动画演示增量式编码器原理动画演示UZ1UZ2UZ3去加法计数
22、器去加法计数器8.3.3 8.3.3 光电编码器的应用技术光电编码器的应用技术1.1.计数电路计数电路去减法计数器去减法计数器UZ1UZ2UZ32.2.细分电路细分电路 四倍频细分电路原理图四倍频细分电路原理图（a）电路原理图）电路原理图 （b）各点波形（正转时）各点波形（正转时）电路图可得如下逻辑表达式：电路图可得如下逻辑表达式：由四倍频细分电路原理图可知，在由四倍频细分电路原理图可知，在 信信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。出，这样就实现了四倍频的加计数。8.3.4 8.3.4 光电编码器的选择光电编码器的选择选择
23、光电编码器时主要要考虑以下技术指标：选择光电编码器时主要要考虑以下技术指标：1.1.分辨力分辨力2.2.输出电信号特性输出电信号特性3.3.频率特性频率特性4.4.使用使用特性特性8.3.5 8.3.5 光电编码器的应用实例光电编码器的应用实例1.1.典型产品应用介绍典型产品应用介绍 LEC型小型光电增量编码器的外形图。型小型光电增量编码器的外形图。每转输出脉冲数为每转输出脉冲数为205000，最大允许转，最大允许转速为速为5000rmin。小型光电编码器外形图小型光电编码器外形图 小型光电编码器的最高分辨力为小型光电编码器的最高分辨力为2048脉脉冲转；电源电压有冲转；电源电压有5V、12V
24、和和15V三种，三种，输出有电压输出、集电极开路输出（输出有电压输出、集电极开路输出（OC门）门）和差分线性驱动器输出三种。和差分线性驱动器输出三种。为了避免长距离传送时的噪声干扰，可采为了避免长距离传送时的噪声干扰，可采用差分线性驱动器输出。用差分线性驱动器输出。2.2.测量转速测量转速（1 1）平均转速：在给定的时间间隔内对编码）平均转速：在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数；器的输出脉冲进行计数；（2 2）瞬时速度：计数器的计数脉冲来自时钟。）瞬时速度：计数器的计数脉冲来自时钟。（a）用编码器测量）用编码器测量 平均速度平均速度（b）用编码器测量）用编码器测量 瞬时速度的原理框图
25、瞬时速度的原理框图光电编码器转速测量动画演示光电编码器转速测量动画演示3.3.测量线位移测量线位移 用旋转式光电增量编码器来测量线位移用旋转式光电增量编码器来测量线位移是一种有效的方法。这时，须利用一套机械是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。装置把线位移转换成角位移。（a a）通过丝杆将直线运动转换成旋转运动）通过丝杆将直线运动转换成旋转运动（b b）用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换）用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换（c c）用皮带传动来实现线位移与角位移）用皮带传动来实现线位移与角位移之间变换之间变换（d d）用摩擦传动来实现线位移与角位移）用摩擦传动来实现线位移
26、与角位移之间变换之间变换用旋转式增量编码器测量线位移示意图用旋转式增量编码器测量线位移示意图8 8.4 4 感应同步器感应同步器8.4.1 8.4.1 感应同步器及其特性感应同步器及其特性 感应同步器是应用电磁感应原理把位移感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。量转换成数字量的传感器。感应同步器可分为两大类：测量直线位感应同步器可分为两大类：测量直线位移的直线式感应同步器和测量角位移的旋转移的直线式感应同步器和测量角位移的旋转式感应同步器。前者由定尺和滑尺组成，后式感应同步器。前者由定尺和滑尺组成，后者由转子和定子组成。者由转子和定子组成。8.4.2 8.4.2 感应同步器
27、的结构与工作原理感应同步器的结构与工作原理1.1.结构组成结构组成 直线式感应同步器的绕组结构，它由直线式感应同步器的绕组结构，它由两个绕组构成。定尺是长度为两个绕组构成。定尺是长度为250mm均匀均匀分布的连续绕组，节距分布的连续绕组，节距 。滑尺上布有断续绕组，分正弦（。滑尺上布有断续绕组，分正弦（）和余弦（）和余弦（）两部分，即两绕组相）两部分，即两绕组相差差90电角度。为此，两相绕组中心线距应电角度。为此，两相绕组中心线距应为为 ，其中，其中 为正整数。为正整数。(a)定尺绕组定尺绕组 (b)W形滑尺绕组形滑尺绕组 (c)U形滑尺绕组形滑尺绕组2.2.感应同步器的类型感应同步器的类型
28、因被测量不同，感应同步器可分为直线因被测量不同，感应同步器可分为直线（位移）式和旋转式感应同步器两类。直线（位移）式和旋转式感应同步器两类。直线式感应同步器最常见的有标准型、窄型和带式感应同步器最常见的有标准型、窄型和带型。型。标准型直线式感应同步器外观尺寸标准型直线式感应同步器外观尺寸 旋转式感应同步器的转子相当于直线式旋转式感应同步器的转子相当于直线式感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，目前感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，目前旋转式感应同步器按直径大致可分成旋转式感应同步器按直径大致可分成302mm、178mm、76mm、50mm四种。极数（径向四种。极数（径向导体数）有导体数）有360、
29、720和和1080数种。数种。旋转式感应同步器外形图旋转式感应同步器外形图2.2.感应同步器的感应同步器的工作原理工作原理 感应同步器的工作原理：当滑尺绕组用正弦电感应同步器的工作原理：当滑尺绕组用正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。感应同步器工作原理示意图感应同步器工作原理示意图 当滑尺位于当滑尺位于A点时，余弦绕组左右侧的点时，余弦绕组左右侧的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的感应电势之和为零。感应电势之
30、和为零。当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定尺绕组导片的感应要比右侧导片所感应的大。尺绕组导片的感应要比右侧导片所感应的大。定尺绕组中的感应电势之和就不为零。当滑定尺绕组中的感应电势之和就不为零。当滑尺移到尺移到14节距位置节距位置B点时，感应电势达到点时，感应电势达到最大值。最大值。若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势逐渐减少。到势逐渐减少。到12节距即节距即C点时，感应电点时，感应电势变为零。势变为零。再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，但电流方向改变。当滑尺右移至但电流方向改变。当滑
31、尺右移至34节距即节距即D点时，定尺中的感应电势达到负的最大值。点时，定尺中的感应电势达到负的最大值。在移动一个节距后即在移动一个节距后即E点时，两绕组的耦点时，两绕组的耦合状态又周期地重复如图合状态又周期地重复如图A点所示状态。点所示状态。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压上正弦电压 和和 ，则定尺上的感应电势，则定尺上的感应电势 和和 可用下式可用下式表达：表达：若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有鉴相法、鉴幅法和脉冲调宽法三种。方式有鉴相法、鉴幅法和脉冲调宽法三种。1)1)鉴相法鉴相法 在滑尺的正弦、余弦绕组上供给
32、幅值和频率在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差相同、相位差90900 0的励磁电压的励磁电压u us s和和u uc c，两个励磁，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：绕组在定尺绕组上感应电势分别为：定尺上的总感应电势为：定尺上的总感应电势为：2 2）鉴幅法）鉴幅法 在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压但幅值不等的交流励磁电压u us s和和u uc c，即：，即：两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：根据叠加原理，感应电势为：根据叠加原理，感应电势为：3 3）脉冲调宽法）脉
33、冲调宽法 前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦激磁电压，而脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余激磁电压，而脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压，即弦绕组上分别加周期性方波电压，即 其波形如图其波形如图8-338-33（a a）所示。把）所示。把u us s，u uc c分分别用傅里叶级数展开，可得别用傅里叶级数展开，可得 若把若把 加到滑尺正弦绕组上，则定尺感加到滑尺正弦绕组上，则定尺感应电势应电势 应为各次谐波所产生的感应电势之应为各次谐波所产生的感应电势之和，即和，即图图8-33 8-33 波形图波形图（a a）激磁方波电压）激磁方波电压 （
34、b b）感应电势）感应电势 若把若把 加到滑尺余弦绕组上，同样可加到滑尺余弦绕组上，同样可得到定尺感应电势为各次谐波产生的感应电得到定尺感应电势为各次谐波产生的感应电势之和，即势之和，即 从从 、表达式中可知，感应电势除表达式中可知，感应电势除基波分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若基波分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若使用性能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基使用性能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基波成分，这时可认为定尺的感应电势为：波成分，这时可认为定尺的感应电势为：8.4.3 8.4.3 感应同步器的应用技术感应同步器的应用技术1鉴相法测量系统鉴相法测量系统 鉴相法测量系统通常由位移相位
35、转换，鉴相法测量系统通常由位移相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。模一数转换和计数显示三部分组成。1 1）位移相位转换位移相位转换 如图它由绝对相位基准（如图它由绝对相位基准（n n倍分频器）、倍分频器）、9090移相器。功率放大器及放大滤波整形等移相器。功率放大器及放大滤波整形等电路组成。电路组成。功能是通过感应同步器将位移量转换为功能是通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。电的相位移。鉴相法测量系统原理框图鉴相法测量系统原理框图2 2）模数转换）模数转换 功能是将代表位移量功能是将代表位移量（定尺输出电压的相（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。它由图中的相对位）的变化再转换
36、为数字量。它由图中的相对相位基准（脉冲移相器）、鉴相器、相差门槛相位基准（脉冲移相器）、鉴相器、相差门槛及计数脉冲门等电路组成。及计数脉冲门等电路组成。鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放大、滤波、整形后的输出信号经放大、滤波、整形后的输出信号e，以及相，以及相对相位基准输出信号对相位基准输出信号。3 3）计数显示）计数显示 相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器、它是把加、减脉冲数转换为电个数模转换器、它是把加、减脉冲数转换为电的相位变化。它由的相位变化。它由n倍分频器和加减脉冲电路倍分频器和加减脉冲电路组
37、成，有三个输人和一个输出。输人是加、减组成，有三个输人和一个输出。输人是加、减脉冲，输出是方波，其相位为脉冲，输出是方波，其相位为。计数显示由图中显示计数器，加、减计算计数显示由图中显示计数器，加、减计算逻辑，逻辑，“”、“一一”符号逻辑，显示过零逻符号逻辑，显示过零逻辑，译码显示，置数开关及绝对零点显示等电辑，译码显示，置数开关及绝对零点显示等电路构成。路构成。2鉴幅法测量系统鉴幅法测量系统 鉴幅法测量鉴幅法测量系统的作用是通过感应同步系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。鉴幅法测量系统原理图鉴幅法测量系统原理图 工作原理：正弦振
38、荡器产生一个工作原理：正弦振荡器产生一个10kHz的正的正弦信号，经由多抽头的正、余弦变压器和模拟开弦信号，经由多抽头的正、余弦变压器和模拟开关组成的数模转换器产生幅值按关组成的数模转换器产生幅值按 和和 变化的激磁电压，再经匹配变压器分别加至感应变化的激磁电压，再经匹配变压器分别加至感应同步器滑尺的正、余弦绕组。同步器滑尺的正、余弦绕组。若开始时系统处于平衡状态，定尺绕组输出若开始时系统处于平衡状态，定尺绕组输出电压为零。当滑尺相对定尺移动时，将产生输出电压为零。当滑尺相对定尺移动时，将产生输出信号，此信号经放大和滤波后送人鉴幅器。当滑信号，此信号经放大和滤波后送人鉴幅器。当滑尺的移动超过一
39、个脉冲当量的距离时，门电路被尺的移动超过一个脉冲当量的距离时，门电路被打开，时钟脉冲经门电路到可逆计数器迸行计数；打开，时钟脉冲经门电路到可逆计数器迸行计数；同时，另一路送到转换计数器控制数模转换同时，另一路送到转换计数器控制数模转换器的模拟开关以接通多抽头正、余弦变压器器的模拟开关以接通多抽头正、余弦变压器的相应抽头，改变的相应抽头，改变 和和 使定尺绕使定尺绕组的输出电压小于鉴幅器的门槛电压值，使组的输出电压小于鉴幅器的门槛电压值，使门电路关闭，计数器电路停止工作。这时可门电路关闭，计数器电路停止工作。这时可逆计数器的输出即为滑尺移动的距离。逆计数器的输出即为滑尺移动的距离。8.4.4 8
40、.4.4 感应同步器的应用实例感应同步器的应用实例1.1.点位控制系统点位控制系统 点位控制系统主要是控制刀具或工作台点位控制系统主要是控制刀具或工作台从某一加工点到另一加工点之间的准确定位，从某一加工点到另一加工点之间的准确定位，而对点与点之间所经过的轨迹则不加控制。而对点与点之间所经过的轨迹则不加控制。输入装置计数器门电路放大器步进电机工作台脉冲发生器感应同步器光电阅读机或数码拨盘等点位控制系统原理方框图点位控制系统原理方框图2 2.位置随动系统位置随动系统 位置随动系统不仅要求在加工过程中位置随动系统不仅要求在加工过程中实现点到点的准确定位，而且要保证运动实现点到点的准确定位，而且要保证
41、运动过程中逐点的定位精度，即对运动轨迹上过程中逐点的定位精度，即对运动轨迹上的各点都要求能精确地跟踪指令。的各点都要求能精确地跟踪指令。计数器数模转换放大整流力矩电动机 工作台滑尺定尺D/A计算机鉴幅方式位置随动系统原理方框图鉴幅方式位置随动系统原理方框图 工作原理：工作原理：和和为随动系统两部分的位移为随动系统两部分的位移量，设开始时量，设开始时=，系统处于平衡状态。当计，系统处于平衡状态。当计算机送来指令脉冲时，经数模转换电路使激磁算机送来指令脉冲时，经数模转换电路使激磁电压电压a的角改变，的角改变，破坏了原有的平衡状，破坏了原有的平衡状态。定尺输出电压、经放大整流后驱动直流力态。定尺输出
42、电压、经放大整流后驱动直流力矩电动机使工作台按预定方向运动，并带动滑矩电动机使工作台按预定方向运动，并带动滑尺向尺向=的方向运动，直到的方向运动，直到重新等于重新等于为止。为止。计数器数字相位转换鉴相器放大整流力 矩电动机工作台放大滤波励磁电源滑尺定尺指令脉冲 鉴相型位置随动系统原理方框图鉴相型位置随动系统原理方框图 工作原理：以位移量工作原理：以位移量 作为位置指令，而令作为位置指令，而令跟踪跟踪，设开始时，设开始时，=，当计算机送来指令脉，当计算机送来指令脉冲，使冲，使改变时，破坏了原有的平衡状态，改变时，破坏了原有的平衡状态，鉴相器输出电压，经放大整流后，推动直流力矩鉴相器输出电压，经放大整流后，推动直流力矩电动机，使工作台按预定方向运动，同时带动滑电动机，使工作台按预定方向运动，同时带动滑尺，使尺，使作相应的改变，直到作相应的改变，直到与给定的与给定的重新相重新相等为止。等为止。