第二章检测与传感器 第一节概述 在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的 高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各 种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最 佳控制等，都是无法进行和实现的。 检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一 体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各 种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后 再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反 馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构 成了机电一体化产品中的检测系统。 随着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应 用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测 系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量：对自动化系统中各种参 数进行自动检测和控制。尤其是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个 必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。 一、传感器的分类 传感器种类繁多，分类方法也有多种，可以按被测物理量分类，这种分法明确表达 了传感器的用途，便于根据不同用途选择传感器。还可按工作原理分类，这种分法便于 学习、理解和区分各种传感器。机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制 器，传感器获取的有关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或 开关型了接触型（如微动开关、行程开关、接触开关 ”非接触型（如光电开关、接近开关） 了电阻型（如电位器、电阻应变片等） 传感器 模拟型 电压、电流型（如热电偶、光电池等） 电感、电容型（如电感、电容式位移传感器） 计数型（二值+计数器） 数字型 :代码型（如旋转编码器、磁尺等） 图2一1传感器按输出信号性质分类 2.1
2-１ 第二章 检测与传感器 第一节 概 述 在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的 高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各 种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最 佳控制等，都是无法进行和实现的。 检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一 体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各 种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后 再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反 馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构 成了机电一体化产品中的检测系统。 随着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应 用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测 系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量；对自动化系统中各种参 数进行自动检测和控制。尤其是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个 必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。 一、传感器的分类 传感器种类繁多，分类方法也有多种，可以按被测物理量分类，这种分法明确表达 了传感器的用途，便于根据不同用途选择传感器。还可按工作原理分类，这种分法便于 学习、理解和区分各种传感器。机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制 器，传感器获取的有关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或 传感器 开关型 （二值型） 接触型（如微动开关、行程开关、接触开关） 非接触型（如光电开关、接近开关） 模拟型 电阻型（如电位器、电阻应变片等） 电压、电流型（如热电偶、光电池等） 电感、电容型（如电感、电容式位移传感器） 数字型 计数型（二值＋计数器） 代码型（如旋转编码器、磁尺等） 图 2—1 传感器按输出信号性质分类
实施控制。因此，这里将传感器按输出倍号的性质分类，分为开关型、模拟型和数字型 如图2一1所示 开关型传感器只输出“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)两个值。如果传感器的 输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”(ON状态)，在该值以下时输出为“0”(OFF 状态)，其临界值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算 机进行处理。 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入 输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出 信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟/数字转换(WD),将其转换成 数字信号后再送给微型计算机处理。 数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何 种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器藏可以对输入量进行计数 计数型传感器可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量， 这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如光栅检测器 和增量式光电编码器就是如此。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进 制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低 电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用来检测执行元件的位置 或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。 二、传感器的基本特性 在机电一体化系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受 被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处 在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决 于传感器的输入一输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 (一)传感器的静态特性 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一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 Y:=±4厘×100% (2-1) 式中 Y1一线性度： △m一一最大非线性绝对误差： 输出满度值。 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 2-2
2-２ 实施控制。因此，这里将传感器按输出信号的性质分类，分为开关型、模拟型和数字型， 如图 2—1 所示。 开关型传感器只输出“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）两个值。如果传感器的 输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”（ON 状态），在该值以下时输出为“0”（OFF 状态），其临界值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算 机进行处理。 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入/ 输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出 信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟/数字转换（A/D），将其转换成 数字信号后再送给微型计算机处理。 数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一 种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。 计数型传感器可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量， 这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如光栅检测器 和增量式光电编码器就是如此。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进 制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低 电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用来检测执行元件的位置 或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。 二、传感器的基本特性 在机电一体化系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受 被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处 在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决 于传感器的输入—输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 （一）传感器的静态特性 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 100% Δ max γ = yFS L (2—1) 式中 γ L ——线性度； Δ max ——最大非线性绝对误差； yFS ——输出满度值。 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 s=袋 (2-2) 式中 5一一灵敏度： Ay 一输出量的变化量： △x一输入量的变化量 对于线性传感器来说，其灵敏度是个常数。 3.迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出一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 yn=±4x100% (2-3) 式中△Hm一输出值在正、反行程间的最大差值。 迟滞特性一般由实验方法确定。 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 输出一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 (1)近似计算 yR=±△B×100% (2-4) (2)精确计算 7a=±23，-球a-可 (2-5) △Rm一一输出最大重复性误差： 片一—第1次测量值： 卫一一测量值的算术平均值： n——测量次数。 重复性特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。 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)传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。 23
2-３ 比，即 x y S 0 = (2—2) 式中 S0 ——灵敏度； y ——输出量的变化量； x ——输入量的变化量。 对于线性传感器来说，其灵敏度是个常数。 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 yFS 的百分数表示 100% = FS m y H H (2—3) 式中 Hm——输出值在正、反行程间的最大差值。 迟滞特性一般由实验方法确定。 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 （1） 近似计算 100% = FS m R y γ R (2—4) （2） 精确计算 ( ) ( 1) 2 ~ 3 2 = y − y n − y i FS R (2—5) 式中 Rm——输出最大重复性误差； yi ——第 i 次测量值； y ——测量值的算术平均值； n——测量次数。 重复性特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。 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）传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制
而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被 测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。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。 动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律， 即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信 号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。 三、传感器的发展方向 由于传感器位于检测系统的入口，是获取信息的第一个环节，因此它的精度、可靠 性、稳定性、抗干扰性等直接关系到机电一体化产品的整机性能指标。因此，传感器的 研究与开发一直受到人们的重视，传感器的性能不断提高，主要表现在以下几个方面： (一)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。 (二)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一 一实现了横向和纵向的多 功能。 (三)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。 第二节线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 光橱是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测 量装置。它的特点是测量精确度高（可达士1丛m)、响应速度快、量程范围大、可进行 非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。 2.4
2-４ 而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被 测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。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。 动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律， 即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信 号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。 三、传感器的发展方向 由于传感器位于检测系统的入口，是获取信息的第一个环节，因此它的精度、可靠 性、稳定性、抗干扰性等直接关系到机电一体化产品的整机性能指标。因此，传感器的 研究与开发一直受到人们的重视，传感器的性能不断提高，主要表现在以下几个方面： （一）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。 （二）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。 （三）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。 第二节 线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测 量装置。它的特点是测量精确度高（可达±1μm）、响应速度快、量程范围大、可进行 非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中
(一)光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面 上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。以透光的玻璃为 载体的称为透射光桶，不透光的金属为载体的称为反射光：根据光橱的外形可分为直 线光糯和圆光栅 光橱位移传感器的结构如图2一2所示。它主要由标尺光橱、指示光栅、光电器件和 光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。 般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。光栅条纹 密度一般为每毫米25、50、100、250条等. 图2一2光檑位移传感器的结构原理 1一标尺光慢2一指示光概3一光电器件4一光测 (二)工作原理 如果把两块栅距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2一3所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮 带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的dd线区所示。一∫线区则是由于光栅的 遮光效应形成的。 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。当指示光橱不动，标尺光相向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于檑线的方向上下移动：光栅每移动过一个栅距W,莫尔条纹就移动 图2一3莫尔条纹 35
2-５ （一）光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面 上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。以透光的玻璃为 载体的称为透射光栅，不透光的金属为载体的称为反射光栅；根据光栅的外形可分为直 线光栅和圆光栅。 光栅位移传感器的结构如图 2—2 所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和 光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一 般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离 W 称为栅距。光栅条纹 密度一般为每毫米 25、50、100、250 条等。 图 2—2 光栅位移传感器的结构原理 1—标尺光栅 2—指示光栅 3—光电器件 4—光源 （二）工作原理 如果把两块栅距 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 2—3 所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮 带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的 d—d 线区所示。f— f 线区则是由于光栅的 遮光效应形成的。 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。当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距 W，莫尔条纹就移动 图 2—3 莫尔条纹 3 2 4 1 d d f f d 标尺光栅 d 指示光栅 B f f d d W/2 W θ d d W/2
过一个条纹间距B,查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光播的移动方向 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0之间关系为 (2-6) 式中的单位为rad,B、W的单位为mm。所以莫尔条纹的放大倍数为 K=品日 (2-7) 可见日越小，放大倍数越大。实际应用中，角的取值范围都很小。例如当=10 时，K=/0=1/0.029rad≈345。也就是说指示光栅与标尺光栅相对移动一个很小的W距 离时，可以得到一个很大的莫尔条纹移动量B,可以用测量条纹的移动来检测光栅微小 的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。 3莫尔条纹具有平均光误差的作用。莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反 映了形成条纹的光栖刻线的平均位置，对各橱距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中 的局部误差和短周期误差对检测精度的影响。 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2一4所示。其电压： U=Uo+Uasin (2-8) 式中 6—一输出信号的直流分量 U 一输出信号的幅值： 两光栅的相对位移。 Uo 3m2 2W 图2一4光桶输出波形 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。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。这样可在光相对移动 一个栅距的位移（即电压波形在一个周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4 倍，这就是通常说的电子4倍频细分。 二、感应同步器 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位 移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线 2-6
2-６ 过一个条纹间距 B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。 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 B = W W 2 2sin (2—6) 式中 的单位为 rad，B、W 的单位为 mm。所以莫尔条纹的放大倍数为 1 = W B K (2—7) 可见 越小，放大倍数越大。实际应用中， 角的取值范围都很小。例如当 =10′ 时，K=1/θ=1/0.029rad≈345。也就是说指示光栅与标尺光栅相对移动一个很小的 W 距 离时，可以得到一个很大的莫尔条纹移动量 B，可以用测量条纹的移动来检测光栅微小 的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反 映了形成条纹的光栅刻线的平均位置，对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中 的局部误差和短周期误差对检测精度的影响。 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 2—4 所示。其电压： W x U U Um 2 = 0 + sin (2—8) 式中 U0——输出信号的直流分量； Um——输出信号的幅值； x——两光栅的相对位移。 图 2—4 光栅输出波形 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。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。这样可在光栅相对移动 一个栅距的位移（即电压波形在一个周期内）时，得到 4 个计数脉冲，将分辨率提高 4 倍，这就是通常说的电子 4 倍频细分。 二、感应同步器 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位 移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线 U0 U W/2 o Um W 3W/2 2W x
位移和角位移。由于它成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量，所 以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系 统中。 (一)感应同步器的结构 直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图2一5所示。图2一6为直线型感 应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘粘 合材料，将铜箔粘牢，用制造印刷线路板的腐蚀方法制成节距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)。 (二)感应同步器的工作原理 在滑尺的正弦绕组中，施加频率为∫（一般为2~1OkHz)的交变电流时，定尺绕组感 应出频率为∫的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同 向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动14 节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零：再移动4节距后，两绕组反向时， 感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性的重复变化一次，其感应电势随 位置按余弦规律变化，见图2一7a。 图2一5直线型感应同步器的组成 1一定尺2一滑尺 滑尺 图2一6直线型威应同步器定尺、滑尺的结相
2-７ 位移和角位移。由于它成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量，所 以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系 统中。 （一）感应同步器的结构 直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图 2—5 所示。图 2—6 为直线型感 应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘粘 合材料，将铜箔粘牢，用制造印刷线路板的腐蚀方法制成节距 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）。 （二）感应同步器的工作原理 在滑尺的正弦绕组中，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 的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同 向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动 1/4 节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动 1/4 节距后，两绕组反向时， 感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性的重复变化一次，其感应电势随 位置按余弦规律变化，见图 2—7a。 图 2—5 直线型感应同步器的组成 1—定尺 2—滑尺 图 2—6 直线型感应同步器定尺、滑尺的结构 249.67 249.90 9.5 78 0.25 88 48 100 72.06 9.5 2 1 58 -0.02 -0.07 sin 正弦励磁 A绕组 Us Uc 250mm T 1/4T U0 余弦励磁 B绕组 cos 滑尺 x 定尺
图2一7定尺感应电势波形图 )仅对A绕组徽磁 b)仅对B绕组激磁 同样，若在滑尺的余弦绕组中，施加频率为∫的交变电流时，定尺绕组上也感应出 频率为∫的感应电势。其感应电势随位置按正弦规伸变化。见图2一b。设正弦绕组供电 电压为U,余弦绕组供电电压为U,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 (2-9) 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 U=KUesin于360°=KUesin0 (2-10) 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 U2=U2+U2=KUcos0+KUesin 0 (2-1) 式中K—定尺与滑尺之间的耦合系数： 日一一定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）： 0=(5)360°=20 T一一节距，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。 感应同步器是利用感应电压的变化来进行位置检测的。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相位和幅值两种工作 法，前者是通过检测感应电压的相位来测量位移，后者是通过检测感应电压的幅值来测 量位移。 (三)测量方法 1相位工作法 当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90°的两个电压 时，定尺感应电势相应随滑尺位置而变。设 U.=Uasin or (2-12)
2-８ 图 2—7 定尺感应电势波形图 a）仅对 A 绕组激磁 b）仅对 B 绕组激磁 同样，若在滑尺的余弦绕组中，施加频率为 f 的交变电流时，定尺绕组上也感应出 频率为 f 的感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化。见图 2—7b。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 2 s cos 360 KUs cos T x U = KU = ' o (2—9) 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 2 c sin 360 KUc sin T x U = KU = " o (2—10) 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 cos sin 2 2 U2 =U +U = KUs + KUc ' " (2—11) 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）； T x T x 2 = ( )360 = o 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。 感应同步器是利用感应电压的变化来进行位置检测的。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相位和幅值两种工作 法，前者是通过检测感应电压的相位来测量位移，后者是通过检测感应电压的幅值来测 量位移。 （三）测量方法 1.相位工作法 当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 时，定尺感应电势相应随滑尺位置而变。设 Us =Umsint (2—12) 感应电势 节距 a) x U 2 感应电势 节距 b) x U 2
(2-13) U,=U,+U; =KU sin ct cos+KU cosatsin (2-14) KU sin(ot+0) 从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移x的变化转成感应电势相角日的 变化。因此，只要测得相角日，就可以知道滑尺的相对位移x: (2-15) 2.幅值工作法 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 Us=-Usingsino (2-16) (2-17 根据线性叠加原理，定尺上总的感应电势山为两个绕组单独作用时所产生的感应电势 '和山”之和。即 U2=U:+0: =-KUm sin sin ot cos+KUm cososin otsin (2-18) =KUm(sin cos-cos0sin d)sin ot =KUmsin()sin 式中K Usin(0一中)一一感应电势的幅值： U。一滑尺励磁电压最大的幅值： —滑尺交流励磁电压的角频率，=2 中—指令位移角。 由上式知，感应电势仍的幅值随(0一中)作正弦变化，当中=0时，U=0。随 着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量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 磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的检测。主要用于大型机床和精密机床作为位置或 位移量的检测元件。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范 围大(1~20m)和磁信号可以重新录制等特点。其缺点是需要屏蔽和防尘。 (一)磁栅式位移传感器的结构和工作原理 29
2-９ Uc =Um cost (2—13) 则 " 2 ' U2 = U2 +U = KUm sin t cos + KUm costsin (2—14) = KU sin(t +) m 从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移x 的变化转成感应电势相角 的 变化。因此，只要测得相角 ，就可以知道滑尺的相对位移 x： x T o 360 = (2—15) 2.幅值工作法 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 Us = −Um sin sint (2—16) Uc =Um cos sint (2—17) 根据线性叠加原理，定尺上总的感应电势 U2 为两个绕组单独作用时所产生的感应电势 U2′和 U2″之和。即 KU t KU t KU t KU t U U U m m m m sin( )sin (sin cos cos sin )sin sin sin cos cos sin sin 2 2 2 = − = − = − + = + ' " (2—18) 式中 K Umsin（ － ）——感应电势的幅值； Um——滑尺励磁电压最大的幅值； ω——滑尺交流励磁电压的角频率，ω=2πf； ——指令位移角。 由上式知，感应电势 U2 的幅值随（ － ）作正弦变化，当 = 时，U2=0。随 着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量 U2 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 磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的检测。主要用于大型机床和精密机床作为位置或 位移量的检测元件。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范 围大（1~20m）和磁信号可以重新录制等特点。其缺点是需要屏蔽和防尘。 （一）磁栅式位移传感器的结构和工作原理
磁栅式位移传感器的结构原理如图2一8所示。它由磁尺（磁橘）入、磁头和检测电路等 部分组成。磁尺是采用录破的方法，在一根基体表面涂有磁性膜的尺子上，记录下一定 波长的磁化信号，以此作为基准刻度标尺。磁头把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电 信号。检测电路主要用来供给磁头激励电压和磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。 磁尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基体上，涂敷、化学沉 积或电镀上一层1020Hm厚的硬磁性材料（如NM一Co一P或Fe一Co合金），并在它的 表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为 了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层12“m的耐磨塑料保护层。 的 NN 图2一8磁棚工作原理 1一磁性膜2一基体3一酷尺4一熙头5一铁芯6一简磁绕组7一粉碳绕组 磁栅按用途分为长磁栅与圆磁栅两种。长磁栅用于直线位移测量，圆磁用于角位 移测量。 磁头是进行磁一电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到 检测电路中去。普通录音机、磁带机的磁头是速度响应型磁头，其输出电压幅值与磁通 变化率成正比，只有当磁头与磁带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号，所以这种 磁头只能用于动态测量，而不用于位置检测。为了在低速运动和静止时也能进行位置检 测，必须采用磁通响应型磁头。 磁通响应型磁头是利用带可饱和铁芯的磁性调制器原理制成的，其结构如图2一8 所示。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， 这两个绕组均由两段绕向相反并绕在不同的铁芯臂上的绕组串联而成。将高频励磁电流 通入励磁绕组时，在磁头上产生磁通中1，当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁 通中，进入磁头铁芯，并被高频励磁电流所产生的磁通中1所调制。于是在拾磁线圈中感 应电压为 U=Uosin (2-19 式中 一一输出电压系数： 入一一磁尺上磁化信号的节距： 2-10
2-１０ 磁栅式位移传感器的结构原理如图 2—8 所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路等 部分组成。磁尺是采用录磁的方法，在一根基体表面涂有磁性膜的尺子上，记录下一定 波长的磁化信号，以此作为基准刻度标尺。磁头把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电 信号。检测电路主要用来供给磁头激励电压和磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。 磁尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基体上，涂敷、化学沉 积或电镀上一层 10~20μm 厚的硬磁性材料（如 Ni—Co—P 或 Fe—Co 合金），并在它的 表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为 0.05、0.1、0.2、1mm。为 了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层 1~2μm 的耐磨塑料保护层。 图 2—8 磁栅工作原理 1—磁性膜 2—基体 3—磁尺 4—磁头 5—铁芯 6—励磁绕组 7—拾磁绕组 磁栅按用途分为长磁栅与圆磁栅两种。长磁栅用于直线位移测量，圆磁栅用于角位 移测量。 磁头是进行磁—电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到 检测电路中去。普通录音机、磁带机的磁头是速度响应型磁头，其输出电压幅值与磁通 变化率成正比，只有当磁头与磁带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号，所以这种 磁头只能用于动态测量，而不用于位置检测。为了在低速运动和静止时也能进行位置检 测，必须采用磁通响应型磁头。 磁通响应型磁头是利用带可饱和铁芯的磁性调制器原理制成的，其结构如图 2—8 所示。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， 这两个绕组均由两段绕向相反并绕在不同的铁芯臂上的绕组串联而成。将高频励磁电流 通入励磁绕组时，在磁头上产生磁通 Φ1，当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁 通 Φo 进入磁头铁芯，并被高频励磁电流所产生的磁通 Φ1 所调制。于是在拾磁线圈中感 应电压为 t U U x sin 2 = 0 sin (2—19) 式中 U0——输出电压系数； ——磁尺上磁化信号的节距； 输出信号 励磁电源 0 1 6 5 0 4 S S 3 1 N N S S S λ 7 N N 1 S N N 2 0 0 a b x