如何进行位移检测及相关电路设计？

项目简介

位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离。角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。根据测量的位移不同，位移传感器可分为直线型和回转型两大类。直线型常用于测量线位移，回转型用于测量角位移。用于检测位移的传感器很多，如果位移较小，通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔式等传感器来检测，位移较大则常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等来测量，如图5-1所示为一些常用位移传感器示例。

图5-1　常见位移传感器

（a）磁电式（b）霍尔式（c）光电式

相关知识

一、电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感量L 和互感量M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。

电感式传感器种类很多，有利用自感现象的自感式传感器，也有利用互感现象的差动变压器式传感器，还有利用电涡流效应的涡流式传感器。

1.自感式（变磁阻式）传感器

（1）工作原理

自感式（变磁阻式）传感器由线圈、铁芯、衔铁组成，如图5-2所示。

铁芯和衔铁由导磁材料制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，当衔铁移动时，气隙厚度δ 发生改变，引起磁路中磁阻的变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

根据电感定义，线圈中电感量L 可由式（5-1）确定：

图5-2　自感式传感器原理结构

1—线圈；2—铁芯；3—衔铁

对于自感式传感器，因为气隙很小，若忽略磁路磁损，则磁路总电阻近似为：

式中 μ0——空气磁导率，μ0＝4π×10 -7H／m；

A——气隙的有效截面积；

δ——气隙厚度。

将式（5-2）代入式（5-1）得线圈自感量为：

式（5-3）表明，当线圈匝数为常数时，电感L 仅是磁路中磁阻的函数，只要改变δ 或A 均可导致电感变化。因此自感式（变磁阻式）传感器又可分为变气隙厚度δ 的传感器和变气隙面积A 的传感器，使用最广泛的是变气隙厚度δ 式传感器。自感式（变磁阻式）传感器的性能对比如表5-1所示。

表5-1　自感式（变磁阻式）传感器性能对比表

（2）测量转换电路

电感式传感器的测量转换电路和电阻变片式相似，也是采用电桥电路，不同的是采用了交流电桥，通过交流电桥实现信号的转换。

1）交流电桥。

如图5-3所示交流电桥可分为电阻平衡臂电桥和变压器电桥两种，这两种接入均是差动形式电感传感器。当衔铁位于中间位置时，电桥平衡，输出电压为零；当衔铁开始偏离中间位置时，Z1≠Z2，电桥输出电压与衔铁位移成正比。如图5-3（b）所示为变压器电桥，变压器电桥输出电压为：

图5-3　交流电桥

（a）电阻平衡臂电桥；（b）变压器电桥

衔铁位于中间位置时，Z1＝Z2＝Z，电桥平衡，uo＝0。当衔铁下移时Z1＝Z-ΔZ，Z2＝Z＋ΔZ，则

当衔铁往相反方向移动时，则

可见，上移和下移两种情况的输出电压uo 大小相等，方向相反，即相位差为180°。如果用交流电压表直接测量交流电桥输出电压，只能看到电压的数值在变化，却不能反映实际相位，这样就不能确定衔铁的位移方向。为了判别衔铁位移方向，要在后续电路中配置相敏检波电路来解决。

2）相敏检波电路。

检波是指能将交流输入转换成直流输出的电路，相敏检波电路就是一个能判别相位的检波电路。实际使用时，通常将交流电桥输出接入相敏检波电路后，得到的输出电压为直流电，极性由交流电桥输出电压的相位决定。如图5-4所示为相敏检波电路的输出特性。相敏检波之前当衔铁位于中间位置时，输出电压并不为零，而是一个很小的电压值，称为零点残余电压。采用相敏检波电路之后，就可以消除零点残余电压。

2.差动变压器式传感器

（1）工作原理

差动变压器的工作原理是基于电磁感应原理，由一个一次绕组和两个二次绕组及一个衔铁组成。差动变压器一、二次绕组间的耦合（即绕组间的互感）能随衔铁的移动而变化。由于把两个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电动势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式传感器，通常简称差动变压器。差动变压器的结构示意如图5-5所示。

图5-4　相敏检波电路输出特性

（a）非相敏整流电路；（b）相敏整流电路
1—理想特性曲线；2—实际特性曲线

图5-5　差动变压器的结构示意图

1—活动衔铁；2—导磁外壳；3—骨架；4—匝数为W1 的一次绕组；5—匝数为W2a的二次绕组；6—匝数为W2b的二次绕组

差动变压器中两个二次线圈反向串接，其等效电路图如图5-6所示。

当一次绕组W1 加以激励电压时，根据变压器的工作原理，两个二次绕组W2a和W2b中便会产生感应电动势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数M1＝M2，根据电磁感应原理，将有E2a＝E2b。

活动衔铁向右移动时，由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1＞M2，因而E2a增加，而E2b减小。因为u2＝E2a-E2b，所以当E2a、E2b随着衔铁位移x 变化时，U2 也必将随x 变化。变压器输出电压位移关系曲线图如图5-7所示。

差动变压器的输出特性与差动电感式传感器输出特性类似，衔铁的移动方向相反，输出电压的相位互差180°，而且存在零点残余电压，消除零点残余电压并且可以辨别移动方向的方法就是使用相敏检波电路。除了采用相敏检波电路之外，还有一种差动整流电路也可以实现这个功能。

图5-6　差动变压器的等效电路图

图5-7　变压器输出电压与位移关系曲线图

（2）测量电路

差分整流电路是将差动变压器的两个二次输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。如图5-8所示，差分整流电路一般分为电压输出型和电流输出型，这两大类均可以分为半波输出和全波输出两类。差分整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转换为直流电压，然后相加。由于这种测量电路结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且具有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛的应用。但是，二极管的非线性影响比较严重，而且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会产生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。

图5-8　差分整流电路

（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；（c）全波电压输出；（d）全波电流输出

3.电感式传感器的应用

差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。

（1）电感式加速度传感器

如图5-9所示为差动变压器式加速度传感器示意图，它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的下端与被测振动体相连。此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁振动时，差动变压器的输出电压也按相同规律变化。

（2）电感式压差计

压差计的工作电路如图5-10所示，当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。

图5-9　差动变压器式加速度传感器

1，2—悬臂梁；3—差动变压器

图5-10　电感式压差计

1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—膜盒

（3）电感式接近传感器

如图5-11所示电感式接近传感器由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，振荡电路的振荡频率为。当检测线圈通交流电时，在检测线圈的周围就产生一个交变的磁场，当金属物体（被测物体）接近检测线圈时，金属物体就会产生电涡流而吸收磁场能量，使检测线圈的电感L 发生变化，从而使振荡电路的振荡频率减小，以至停振。振荡和停振这两种状态经监测电路转换为开关信号输出。电感式接近传感器通常用于自动生产线工件的计数。

图5-11　电感式接近传感器

二、电容式传感器

1.基本工作原理

电容器有很多种，下面以图5-12所示的平行板电容器为例，根据电工常识，其电容量为：

图5-12　平行板电容器

式中 ε——电容极板间介质的介电常数；ε＝εrε0，ε0 为真空的介电常数，ε0＝8.85×10 -12 F／m，εr 为极板间介质相对介电常数；

A——两平行板正对面积；

d——两平行板之间的距离，也称为极距；

C——电容量，单位为F。

从式（5-7）可以看出，电容量C 与两极板间介质的介电常数ε、两平行板间的正对面积A 成正比，与两极板间距离d 成反比。固定ε、A、d 三个变量中的两个，电容就是另一个变量的单值函数，因此电容式传感器可以分为变极距式、变面积式和变介电常数式三种类型。

（1）变极距式电容传感器

变极距式电容传感器的工作原理如图5-13所示，当电容传感器的εr 和A 为常数，初始极距为d0 时，其初始电容量C0 为：

当动极板因被测量变化而向下移动，使得d0 减小Δd 时，电容量增大ΔC，则有：

电容相对变化量为：

其灵敏度为：

由上式可知，变极距式电容传感器输出特性C＝f（d）是非线性的，如图5-13所示。由于，其灵敏度S≪1，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，实际应用时常常把传感器做成差动形式。差动变极距式电容传感器的结构由三块极板构成，如图5-14所示，其中上下两块极板为定极板，中间为动极板，动极板位于中间时，d1＝d2＝d0，C1＝C2＝C0，差动变极距式电容传感器的电容差值C1-C2＝0。

图5-13　变极距式电容传感器输出特性

图5-14　差动变极距式电容传感器结构图

如图5-14所示，当动极板向上移动Δd 时，d1＝d0-Δd，d2＝d0＋Δd，C1＝C0＋ΔC，C2＝C0-ΔC，所以C1-C2＝2ΔC；反之，动极板向下移动Δd 时，C1-C2＝-2ΔC。由此可见，电容的变化量为原来的两倍，灵敏度也提高了近一倍。

由于两极板之间的距离较小，一般设置在100～1 000 μm 范围内，故变极距式电容传感器的极距的变化量很小，因此变极距式电容传感器一般用来测量小至0.01 μm，大至零点几毫米的微小位移。

（2）变面积式电容传感器

变面积式电容传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。常用的线位移变面积式电容传感器可分为平板型和同心圆筒型两种结构，如图5-15（a）和5-15（b）所示。常用的角位移变面积式电容传感器如图5-15（c）所示。

图5-15　变面积式电容传感器

（a）平板型；（b）同心圆筒型；（c）角位移型
1—定极板；2—动极板

平板型结构对极距变化特别敏感，对测量精度影响较大，而同心圆筒型结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。在同心圆筒型变面积式电容传感器中，忽略边缘效应时，电容量为：

式中 C——电容量；

h0——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；

R——外圆筒内半径；

r——内圆柱外半径。

当两圆筒相对移动Δh 时，电容变化量为：

其灵敏度为：由式（5-14）可知，变面积式电容传感器具有良好的线性，大多用来检测位移等参数，变面积式电容传感器与变极距式相比，可以测量较大的线位移，甚至可以测量角位移。

（3）变介电常数式电容传感器

变介电常数式电容传感器就是通过两极板间介质的改变来实现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化反映出来。它通常可以分为柱式和平板式两种，如图5-16（a）和5-16（b）所示。

图5-16　变介电常数式电容传感器

（a）柱式；（b）平板式

平板式为最常用结构形式，如图5-16（b）所示，两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积，则电容量发生改变。实验证明，电容的变化量与进入两极板间介质的介电常数、进入的距离、介质厚度均有关。

其实每一种物质的介电常数都不同，如表5-2所示，所以在两极板间插入不同的介质，就会改变两平行板之间的电容量。从表中可以看出，有些介质的介电常数很小，有些很大，例如水的介电常数比较大（80），可以利用这一点做成用于检测空气湿度的电容湿度计、电容液位计等，除此之外还可以检测介质的厚度等。

表5-2　不同介质的介电常数

续表

2.测量转换电路

电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微小，这样微小的电容变化量目前还不能直接被显示仪表所显示，借助测量转换电路检出微小的电容变化量，并转换成与其成正比的电压、电流或者频率信号，才能进行显示、记录和传输。用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有交流电桥电路、调频电路、运算放大器电路。

（1）交流电桥电路

交流电桥电路是比较简单、实用的测量转换电路，一般有单臂接法和差动接法两种接法，如图5-17所示。单臂接法是将电容式传感器作为电桥的一个桥臂，差动接法是将差动式电容传感器接入电桥相邻的桥臂。

图5-17　交流电桥电路

（a）单臂接法；（b）差动接法

将差动变极距式电容传感器接入差动接法的交流电桥，动极板未受外力作用时，C1＝C2＝C0，交流电桥平衡，输出电压为零，当动极板向上运动时，假设此时C1 减小，C2 增大，交流电桥输出电压增大，且输出电压和输入电压Ui 反相；反之，动极板向下运动时，C1 增大，C2 减小，交流电桥输出电压绝对值增大，此时输出电压Uo 和输入电压Ui 同相。如果需要辨别动极板的移动方向，也要将交流电桥的输出电压经过相敏检波电路输出。

（2）调频电路

调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。其测量电路原理框图如图5-18所示。当电容工作时，电容Cx 变化导致振荡频率f 发生相应的变化，再通过鉴频电路把频率的变化转换为振幅的变化，经放大后输出，即可进行显示和记录，这种方法称为调频法。

图5-18　调频电路

调频电路的特点是抗干扰能力强，稳定性好；灵敏度高，可测量0.01 μm 级的位移变化量；能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。

（3）运算放大器电路

运算放大器式测量电路的原理如图5-19所示，电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可认为是一个理想运算放大器。则输出电压uo 为：

图5-19　运算放大器电路

若是变极距式电容传感器，运算放大器的输出电压uo与两极板间距离d 呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极距式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。

3.电容式传感器的应用

（1）电容式加速度传感器

如图5-20所示为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。

当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使Cx1、Cx2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其他气体作阻尼物质。

（2）电容式位移传感器

如图5-21所示为一种圆筒式变面积型电容位移传感器。它采用差动式结构，其固定电极与外壳绝缘，其活动电极与测杆相连并彼此绝缘。

测量时，动电极随被测物发生轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容的变化量与位移成正比。开槽弹簧片2 为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏度高，但行程小，主要用于接触式测量。电容式传感器还可以用于测量振动位移，以及测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆等，属于动态非接触式测量。

图5-20　电容式加速度传感器

1，5—固定极板；2—壳体；3—簧片；4—质量块；6—绝缘体

图5-21　电容式位移传感器

1—测杆；2—开槽弹簧片；3—固定电极；4—活动电极

（3）电容式压力传感器

电容式压力传感器常用来测量气体或液体的压力，其结构如图5-22所示。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。

当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。

（4）电容式料位传感器

如图5-23所示是电容式料位传感器结构示意图，测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。

图5-22　差动电容式压力传感器

1—垫圈；2—金属膜片；3—凹形玻璃；4—过滤器；5—金属镀层

图5-23　电容式料位传感器

1—测定电极；2—储罐

当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。

（5）电容式测厚传感器

电容式传感器测厚的原理如图5-24所示。在被测带材的上下两侧各装设一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样两极板与带材之间形成两个独立电容。若带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。

图5-24　电容式测厚传感器

1—带材；2—轧辊；3—工作电极

三、光纤传感器

光纤传感器（Fiber Optic Sensor，FOS）兴起于20 世纪70年代，是一类较新的光敏器件，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化来工作。可以测量位移、加速度、压力、温度、磁、声、电等物理量。

1.光纤的结构

光纤通常由纤芯、包层、涂覆层及保护套组成，结构如图5-25所示。纤芯是由玻璃、石英或塑料等材料制成的圆柱体，直径为5～150 μm。包层的材料也是玻璃或塑料等，直径为100～200 μm。但纤芯的折射率n1 稍大于包层的折射率n2。

图5-25　光纤的结构

1—纤芯；2—包层；3—涂覆层；4—保护套

2.光纤的工作原理

根据几何光学知识，当光以入射角θ1 由光密介质入射至光疏介质（即n1＞n2）时，一部分光线会以折射角θ2 折射入光疏介质，其余部分光线以θ1 反射回光密介质，如图5-26（a）所示。依据光折射和反射的Snell（斯涅尔）定律，n1、n2、θ1、θ2 之间的数学关系为：

当θ1 逐渐增大，直至θ1＝θc 时，透射入介质2 的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播（θ2＝90°），对应状态为临界状态，如图5-26（b）所示，此时入射角θ1 称为临界角θc，则有：

当θ1 继续增大，直至θ1＞θc 时，如图5-26（c）所示，光线将不再折射入介质2，而在介质（纤芯）内产生连续向前的全反射，全部反射回光密介质，这就是光的全反射。光线在光纤中传输时，就是利用光的全反射，这样做可以减少损耗。

同理，由图5-26（c）和Snell 定律可导出光线由折射率为n0 的外界介质（空气n0＝1）射入纤芯时实现全反射的临界角为：(www.xing528.com)

图5-26　光的全反射原理

（a）θ1 ＜θc；（b）θ1＝θc；（c）θ1＞θc

式中，NA——数值孔径，表示光纤的集光能力。无论光源的发射功率有多大，只要在2θc 张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA 越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA 越大光信号畸变越大，因此要选择适当。一般石英光纤的NA＝0.2～0.4。

3.光纤的分类

按纤芯的包层材料性质，光纤可分为玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤等；按纤芯折射率分布的不同，可分为阶跃型和渐变型两种；按照光纤的传输模式，可分为单模光纤和多模光纤。

纤芯的直径和折射率决定了光纤的传输特性，图5-27表示了三种不同光纤的纤芯和折射率对光纤传播的影响。

图5-27　光纤类型和全反射形式

（a）阶跃型；（b）渐变型；（c）单模光纤

如图5-27（a）所示，阶跃型的纤芯折射率分布和单模光纤相似，光纤纤芯直径为50～80 μm，光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，特点是信号畸变大，只能用于小容量短距离系统。

如图5-27（b）所示，渐变型光纤的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐渐降低，至纤芯边缘降低至与包层处一样。纤芯直径为50 μm，光线以正弦波形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小，适用于中等容量中等距离系统。

如图5-27（c）所示，单模光纤纤芯折射率为n1 保持不变，到包层突然变为n2，纤芯直径只有8～10 μm，接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模” 的原理在纤芯中传导，能量损失很小，称为单模光纤，信号畸变很小，主要用在大容量长距离的系统中。

4.光纤传感器的分类

光纤传感器是一种将被测对象的状态（位移、液位、温度、角速度、电流等）转变为可测的光信号（强度、波长、频率、相位、偏振态等）的传感器，此处主要介绍光纤位移传感器，根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非功能型两大类。

（1）功能型（全光纤型）光纤传感器

如图5-28所示为功能型光纤传感器的结构，利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来进行被测量的检测，所以这类传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。这类传感器主要使用单模光纤。

（2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

如图5-29所示为非功能型光纤传感器的结构，利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅起导光作用，即只当作传播光的媒介，被测对象的调制功能是由其他光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的。此类光纤传感器无须特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。

图5-28　功能型光纤传感器结构示意图

图5-29　非功能型光纤传感器的结构示意图

5.光纤传感器的应用

（1）光纤位移传感器

如图5-30所示为反射强度调制型光纤位移传感器，通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。Y 形光纤束由几百根至几千根直径为几十毫米的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致相等、长度相同的两束，结构如图5-30所示。

图5-30　反射强度调制型光纤位移传感器

1—发送光纤束；2—接收光纤束；3—光源；4—光电探测器

光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几微米的位移量。这种传感器已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，它还可用来测量微弱振动，而且是非接触测量。

（2）光纤温度传感器

光纤温度传感器是利用光纤内产生的热辐射来传感温度的一种器件。它是以光纤纤芯中的热点本身所产生的黑体辐射现象为基础。这种传感器类似于传统的高温计，只不过这种装置不是探测来自炽热的不透明物体表面的辐射，而是把光纤本身作为待测温度的黑体腔。利用这种方法可确定光纤上任何位置热点的温度。光纤温度传感器可用来监视一些大型电气设备如发电机、变压器等内部热点的变化情况。

（3）光纤角速度传感器

光纤角速度传感器又名光纤陀螺，工作原理是基于萨格纳克（Sagnac）效应，在相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。

若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。

（4）光纤液位传感器

光纤液位传感器由LED 光源、光电二极管、多模光纤等组成。它的结构特点是在光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空气中，没有接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而返回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，将有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管的光强变弱。返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。

四、光栅

光栅传感器实际上是光电传感器的一种特殊应用，在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为位移和角度的检测反馈器件，构成闭环控制系统。图5-31为常用的各种光栅。

图5-31　数控机床常用光栅

1.光栅的种类和结构

光栅的种类很多，用于检测的是计量光栅，计量光栅分为两大类。在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹玻璃构成的，称为透射光栅；在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。

光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a＝b，而w＝a＋b 称为栅距（也称为光栅常数或光栅节距，是光栅的重要参数，用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度，如100 线／毫米、250 线／毫米），结构如图5-32（a）所示。圆光栅还有一个参数叫栅距角γ 或称节距角，它是指圆光栅上相邻两条栅线的夹角，结构如图5-32（b）所示。

图5-32　光栅结构

（a）长光栅；（b）圆光栅

2.长光栅的工作原理

（1）莫尔条纹

长光栅一般由指示光栅和标尺光栅（主光栅）构成，两者平行安装，且两光栅的刻线之间有很小的夹角θ 时，在光源照射下，在光栅上会出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，如图5-33所示。

图5-33　莫尔条纹

1—指示光栅；2—标尺光栅（主光栅）

长光栅莫尔条纹测位移具有以下特征：

1）莫尔条纹的移动方向：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动。查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅移动方向。

2）位移的放大作用：当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距w 时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角θ 较小时，主光栅移动一个栅距w，对应莫尔条纹的宽度为：

当θ 角较小时，例如θ＝0.1°，则＝573，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动距离来检测光栅的位移。

3）误差的平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。

（2）长光栅测量位移的工作原理

1）光电转换原理。数控机床上常用长光栅测量工作台位移，长光栅由主光栅、指示光栅、光源和光电元件等组成。主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的直线位移而产生移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。

用光电元件将光信号的变化转换为电信号的变化会得到近似正弦波的波形，如图5-34（b）所示，输出电压的瞬时值为：

式中 U——输出电压的瞬时值；

Uo——输出电压直流分量的平均值；

Um——输出电压交流分量的幅值。

图5-34　光电转换

（a）光电转换电路的组成；（b）输出电压波形
1—光源；2—聚光镜；3—主光栅；4—指示光栅；5—光电元件

由式（5-20）可知两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。光敏元件接收到的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距w，光强变化一个周期，若将输出正弦信号整形，变成一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的，只要测出对应的脉冲数，就可以知道长光栅对应的位移量。

2）光栅测量位移工作原理。当指示光栅与主光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同步移动。栅距被放大许多倍，用光电元件测出莫尔条纹的移动，得到正弦信号，将输出正弦信号整形成变化一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的，如图5-35所示。

图5-35　光栅测量位移的工作原理

（3）辨向和细分

1）辨向电路。在实际应用中，通常位移具有两个方向，即选定一个位移方向作为正方向后，相反方向的位移为负。只用一套光电元件测量莫尔条纹信号，光电元件只能辨别莫尔条纹的明暗变化，而无法辨别莫尔条纹的移动方向，所以不能正确地测量位移，通常要加入辨向电路。

如图5-36所示，在相距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差的电压信号uoc和uos，光栅正向移动时uos 超前uoc 90°，反向移动时uoc 超前uos90°，波形如图5-37所示。经过整形放大后得到两个方波信号u′oc和u′os，当光栅正向移动时对应的脉冲数累加，反向移动时从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。

2）细分电路。当两光栅相对移动一个栅距w，莫尔条纹移动一个间距B，光电元件输出变化一个电周期2π，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨力为一个光栅栅距w。为了提高分辨力，采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n 个脉冲，从而使分辨力提高到。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫倍频，通常采用4 倍频和16 倍频。

常用的细分方法是直接细分，细分数为4，所以又称四倍频细分。实现的方法为：在莫尔条纹宽度内依次放置4 个光电元件采集不同相位的信号，从而获得相位依次相差90°的4个正弦信号，再通过细分电路，分别输出4 个脉冲。

图5-36　辨向电路框图

3.光栅在数控机床上的应用

如图5-38所示为数控系统结构框图，位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床伺服系统中采用的位置检测装置一般分为直线型和旋转型两大类，直线型的位置检测装置用来检测工作台的直线位移量；旋转型的位置检测装置用来检测伺服轴的角位移量。数控系统中的检测装置按照安装位置及耦合方式分为间接测量和直接测量，直接测量是将直线位移传感器安装在工作台上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。间接测量是将旋转型检测装置安装在驱动电动机轴或滚珠丝杠上，通过检测伺服轴的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。

图5-37　正反向移动时辨向电路输出电压波形

（a）正向运动波形图；（b）反向运动波形图

图5-38　数控系统结构框图

标尺光栅数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y 工作台上广泛使用的位置检测装置，属于直线型传感器，并且安装于工作台上用于直接测量工作台移动的直线位移。光栅的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。一般将标尺光栅固定在机床的工作台上，光栅扫描头安装在机床固定部件上，安装示意如图5-39所示。

图5-39　标尺光栅在数控机床上的安装示意图

（a）标尺光栅实物；（b）安装位置

用标尺光栅测量机床位移时，若光栅栅距为0.01 mm，莫尔条纹移动数为1 000 个，若不采用细分技术则机床位移量为10 mm；若采用四分频细分技术则机床位移量为2.5 mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴相倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。

标尺光栅直接测量工作台移动的直线位移，其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。

4.标尺光栅在数控机床上的安装

（1）安装基准面

安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1 mm／1 000 mm 以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座，它们的总误差不能大于±0.2 mm。

（2）主尺安装

将光栅主尺用螺钉固定在机床安装的工作台安装面上，但不要固定紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺螺钉位置，使主尺平行度满足0.1 mm／1 000 mm 以内时，把螺钉彻底固定紧。

（3）读数头的安装

在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1 mm 之内，其读数头与主尺的间隙控制在1～1.5 mm 以内。

（4）限位装置

光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100 mm 左右的光栅尺，以留有余量。

（5）检查

光栅线位移传感器安装完毕，可通过显示表，移动工作台，观察显示表技术是否正常。

五、光电编码器

旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字（脉冲）信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方式没有累积误差，旋转编码器也可用来检测转速。旋转编码器的种类很多，根据检测原理可分为电刷式、电磁感应式及光电式等，其中光电式应用较多；按照读数方式可分为接触式和非接触式两种。接触式编码器采用电刷输出，非接触式的接收敏感元件是光敏元件或磁敏元件。按照工作原理编码器又可分为增量式和绝对式两类，实物如图5-40所示。

1.增量式光电编码器

以增量式光电编码器为例，其检测装置由光源、透镜、光栅盘、光栏板、光敏元件、信号处理电路等组成，如图5-41所示。光栅盘和光栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘的边缘上开有间距相等的透光狭缝。在光栏板上制成两条狭缝，每条狭缝的后面对应安装一个光敏元件。

图5-40　编码器

图5-41　增量式光电脉冲编码器工作示意图

1，2—工作轴；3—零标志槽；4—光栅盘；5—光源；6—透镜；7—光栏板；8—光敏元件

如图5-41所示，当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光敏元件就会感受到一次光线的明暗变化，光敏元件把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移。通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中。

增量式光电编码器外形结构如图5-42所示，实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹A、和B、，A 组与B 组的条纹彼此错开1／4 节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90°相位，用于辨向，输出波形如图5-43所示。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C（零标志刻线），用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。

图5-42　增量式光电编码器结构图

1—转轴；2—LED；3—光栏板；4—零标志槽；5—光敏元件；6—码盘；7—印制电路板；8—电源及信号线连接座

图5-43　增量式光电编码器输出信号

（a）光栏板；（b）两组条纹；（c）输出波形

在数控机床上为了提高光电编码器输出信号传输时的抗干扰能力，要利用特定的电路把输出信号进行差分处理，得到差分信号：A、、B、、Z、，其特点是两两相反。光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角：

如果条纹数为1 024 条，则分辨角α＝＝0.352°。

2.绝对式光电编码器

增量式光电编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对式光电编码器则可以解决。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器通过读取编码盘上的图案直接将被测角位移用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电也能测出被测轴的当前位置，即具有断电记忆功能。

如图5-44所示为一个4 位二进制接触式编码盘的示意图，图5-44（a）中码盘与被测轴连在一起，涂黑的部分是导电区，其余是绝缘区。通常把组成编码的各圈称为码道，对应于4 个码道并排安装有4 个固定电刷，电刷经电阻接电源负极。码盘最里面的一圈是公用的，当码盘与轴一起转动时，与电刷串联的电阻上将出现两种情况：有电流通过时，用“1” 表示；无电流时，用“0” 表示。出现相应的二进制码，其中码道圈数为二进制的位数，高位在内、低位在外，如图5-44（b）所示。图5-44（c）所示为4 位格雷码盘，其特点是任何两个相邻数码间只有一位是变化的，可减小因电刷安装位置或接触不良造成的读数误差，所以目前绝对式光电编码器大多采用格雷码盘。

图5-44　接触式编码盘

（a）示意图；（b）二进制码盘；（c）4 位格雷码盘

n 个码道对应把码盘分成2n 个区间，每个二进制代码代表对应的角度，所以接触式光电编码器所能分辨的角度为：

绝对式光电码盘与接触式码盘结构类似，只是将接触式码盘导电区和不导电区改为透光区和不透光区，由码道上的一组光电元件接收相应的编码信号，即透光区输出为高电平，用“1” 表示，不透光区输出为低电平，用“0” 表示。这样无论码盘转到哪一个角度位置，均对应唯一的编码，光电码盘的特点是没有接触磨损、码盘寿命高、允许转速高、精度高，但结构复杂，光源寿命短。

3.编码器在数控机床上的应用

编码器是一种旋转式测量元件，通常装在数控机床被测轴上，随被测轴一起转动，检测被测轴的角位移，反馈给数控装置，从而间接测量工作台移动的直线位移。除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还包括检测速度元件，用以检测和调节电动机的转速，编码器还可以和伺服电动机同轴连接测量伺服电动机转速。

（1）位移检测

在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可测量回转工作台的角位移。数控回转工作台与直线轴联动时，可加工空间曲线。编码器间接测量工作台直线位移时，安装位置如图5-45所示。

图5-45　编码器装在丝杠末端

1—伺服电动机；2，3—丝杠

编码器型号是用脉冲数／转（p／r）来区分，数控机床常用2 000 p／r、2 500 p／r、3 000 p／r等，编码器通常与伺服电动机做在一起，或者安装在伺服电动机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i 的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离为：

式中 δ——脉冲当量（mm／脉冲）；

S——滚珠丝杠的导程（mm）；

i——减速齿轮的减速比；

M——脉冲编码器每转的脉冲数（p／r）。

脉冲当量δ 是数控机床数控轴的位移最小量，决定了数控机床的加工精度。由式（5-23）可知，若数控机床选用的编码器型号脉冲数为2 000 p／r，滚珠丝杠的导程为10 mm，减速齿轮的减速比为5∶1，则此数控机床脉冲当量为：＝0.001 mm。若编码器输出脉冲数为1 000 p／r，则工作台移动距离为1 mm。

（2）主轴定向准停控制

加工中心换刀时，为使机械手对准刀柄，主轴必须停在固定的径向位置。在固定切削循环中，如精镗孔，要求刀具必须停在某一径向位置才能退出。因此要求主轴能准确地停在某一固定位置上，这就是主轴定向准停功能。

由于绝对式光电编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，转盘工位编码如图5-46（b）所示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。

（3）转速检测

光电脉冲编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，可代替测速发电机的模拟测速，成为数字测速装置。光电脉冲编码器和伺服电机同轴连接，一般为内装式编码器，编码器在进给传动链的前端，如图5-47所示。

图5-46　主轴准停控制

（a）主轴刀架实物图；（b）主轴刀架结构图
1—绝对式光电编码器；2—电动机；3—转轴；4—转盘；5—工件；6—刀具

如图5-48所示为绝对式光电脉冲编码器测速原理，在给定时间t 内，对编码器的脉冲进行计数，得一数值N1，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，则伺服电动机转速为：

图5-47　编码器与伺服电动机同轴连接

图5-48　绝对式光电编码器测速原理

由式（5-24）可知，在6 s 内，脉冲编码器输出脉冲数为60 000 p／r，设脉冲编码器脉冲数为2 000 p／r，则该伺服电动机转速为：。

（4）零点脉冲特殊功能

1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制。

在螺纹加工中，对编码器输出脉冲计数，保证主轴每转1 周，刀具准确移动1 个螺距（导程）。一般的螺纹加工要经过几次切削完成，每次重复切削，进刀位置必须相同。为保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲（零点脉冲）后才开始螺纹切削的计算。

2）回参考点控制。

采用增量式的位置检测装置时，数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有相当大的关系。

回参考点方式是数控机床坐标轴先以快速向参考点方向运动，当碰到减速挡块后，坐标轴再以慢速趋近，当编码器产生零标志信号后，坐标轴再移动一设定距离而停止于参考点，回参过程如图5-49所示。

4.编码器的安装

（1）机械方面

编码器在数控机床中有两种安装方式：

1）和伺服电动机同轴连接，为内装式编码器，编码器在进给传动链的前端。

2）和主轴刀架转盘同轴连接，为外装式编码器。

外装式包含的传动链误差比内装式多，位置控制精度较高；内装式安装方便。数控机床编码器安装位置如图5-50所示。

图5-49　回参考点过程示意图

图5-50　数控机床编码器安装位置

（a）伺服电动机内装编码器；（b）主轴外装编码器

（2）电气方面

图5-51　光电编码器与数控装置的连接

如图5-51所示为典型的光电编码器与数控装置的连接图，图中MC3487、MC3486 是常用的差动信号输出、接收器件。编码器接地线应尽量粗，一般应大于φ3 mm，不要将编码器的输出线与动力线等绕在一起或同一管道传输，也不宜在配线盘附近使用，以防干扰；与编码器相连的电动机等设备，应接地良好，不要有静电；配线时，应采用屏蔽电缆；开机前，应仔细检查产品说明书与编码器型号是否相符；接线务必要正确，错误接线会导致内部电路损坏，在初次启动前对未用电缆要进行绝缘处理。