位移检测传感器知识模块

一、位移检测传感器概述

在实际工程中，位移的测量一般分为测量机械位移和测量实物的尺寸两种，机械位移包括线位移和角位移。常用的位移传感器及其特点见表3-4。

表3-4　常用的位移传感器及其特点

位移检测传感器的种类很多，工作原理也各不相同，下面将对在机电一体化系统中常用的位移检测传感器进行介绍。

二、感应同步器

感应同步器是利用电磁感应原理把位移量转换成电信号的一种位移传感器。按被测位移的不同，可分为直线型和旋转型两类，它们分别用来检测直线位移和角位移。

感应同步器有很高的精度和分辨率，抗干扰能力强，测量距离长，结构简单，工作可靠，使用寿命长，成本低，受环境温度影响小，广泛应用于高精度数控机床上。但由于其输出信号弱，信号处理麻烦，配套用于信号处理的电子设备（一般称为数显表）比较复杂，价格较高。

1.感应同步器的结构

直线型和旋转型感应同步器均由固定部件和运动部件两部分组成，其上各有绕组，但两者固定件、运动件和其绕组的形状不同。

直线感应同步器的组成如图3-2所示，其主要由定尺和滑尺两部分组成，滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05～0.2 mm）。定尺上的绕组是连续的。滑尺上分布着两个励磁绕组，分别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在空间上错开1／4节距，如图3-3所示。

图3-2　直线感应同步器的组成

图3-3　直线感应同步器绕组形式

旋转感应同步器的结构如图3-4所示，其绕组由辐射状的导片组成。转子上的绕组是单相连续绕组，其径向导片数也称为极数。定子绕组分为正弦绕组和余弦绕组，交替排列，各自串联形成两相绕组。

图3-4　旋转感应同步器结构

（a）旋转感应同步器截面结构；
（b）定子绕组形式；（c）转子绕组形式
1—定子绕组；2—静电屏蔽层；3—转子绕组

2.感应同步器的工作原理

感应同步器利用感应电压的变化进行位置检测。以直线感应同步器为例，当只给滑尺的任一个绕组加交流励磁电压时，由电磁感应原理分析可得，定子绕组中产生的感应电动势的幅值与相位和励磁有关，也与滑尺和定尺的相对位移有关。当励磁一定时，感应电动势随着滑尺相对定尺的移动发生周期性变化，周期为一个节距。因此，可以通过测量感应电动势来检测位移。

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分为鉴幅型感应同步器和鉴相型感应同步器两种。

鉴幅型感应同步器是在滑尺的正弦、余弦绕组上同时施加相同频率、相同相位，但幅值不同的励磁电压，使定尺上感应电动势的幅值随着滑尺与定尺的相对位移呈周期性变化。鉴幅型感应同步器可通过测量输出电压的幅值来检测位移。

鉴相型感应同步器是在滑尺的正弦、余弦绕组上分别施加相同频率、相同幅值，但相位相差90°的励磁电压，使定尺感应电动势的相位角随着滑尺与定尺的相对位移呈周期性变化。鉴相型感应同步器可通过测量输出电压的相位角来检测位移。

三、光栅位移传感器

光栅位移传感器是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。其特点是测量精确度高（可达到±1 μm）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等，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。

1.光栅的构造

所谓光栅，就是在透明的玻璃板上均匀地刻画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相等。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。根据光栅的外形还可分为直线光栅和圆光栅。

光栅位移传感器的结构如图3-5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，随着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25条／mm、50条／mm、100条／mm、250条／mm等。

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图3-5　光栅位移传感器的结构

1—标尺光栅；2—指示光栅；3—光电器件；4—光源

2.工作原理

如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻线之间有较小的夹角θ，则光线透过两块光栅刻线非重合的部分就会形成亮带，如图3-6所示，这些明暗相间的条纹就是莫尔条纹。

图3-6　莫尔条纹

莫尔条纹具有以下特点：

（1）莫尔条纹的移动与光栅的移动成比例。当指示光栅与标尺光栅间相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹就上下移动一个条纹间距B。

（2）放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角θ之间关系为

式中：θ的单位为rad，B、W的单位为mm。

从放大作用的公式可以看出，通过减小θ可增大莫尔条纹移动量B。也就是说，通过减小θ，在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，可以通过测量莫尔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）平均光栅误差。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用，莫尔条纹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，对各栅距误差起到了平均作用，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。

从固定点观察到的莫尔条纹光强的变化近似于正弦波变化，即光栅移动一个栅距，光强变化一个周期。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压信号，再将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，最后经辨向电路和可逆计数器计数用数字形式显示出位移量。其中，位移量等于脉冲数与栅距乘积，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。这种方法可在光栅相对移动一个栅距的位移（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，这就是通常所说的电子四倍频细分。

四、光电编码器

光电编码器是一种旋转式的检测角位移的传感器，并将角位移用脉冲形式表示，故又称光电脉冲编码器。它有两种基本类型：增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用得最多。绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但其结构复杂、成本高。

1.增量式光电编码器

增量式光电编码器是指随着转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量的检测元件。增量式光电编码器的结构如图3-7所示。

图3-7　增量式光电编码器的结构

1—鉴向盘；2—光电变换器；3—旋转轴；
4—主码盘；5—光源；6—透镜

增量式光电编码器由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形主码盘（光电盘）的周边刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有A、B两组透明检测窄缝，它们彼此错开1／4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光线投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部被遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器A、B将输出两组近似于正弦波的电压信号，且两输出电压相位差为90°。这些正弦波电压经过放大、整形电路变换成方波，从而可测算出轴的相对转角和转动方向。通过测量脉冲的频率或周期，可利用增量式光电编码器测量轴的转速。

2.绝对式光电编码器

绝对式光电编码器是通过读取码盘上的图案信息，把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。绝对式光电编码器的结构如图3-8所示。

图3-8　绝对式光电编码器的结构

1—旋转轴；2—绝对式码盘；3—光源（发光二极管）；
4—狭缝光栅；5—光电元件

绝对式光电编码器使用具有多通道的二进制码盘，这种码盘的绝对角位移由各通道透光与不透光部分组成的二进制数表示，通道越多，码盘的分辨率就越高。工作时，码盘的一侧放置光源，另一侧放置光电元件，码盘与转轴一起转动，光线在码盘另一侧形成光脉冲，光电元件接收光脉冲信号，并将其转换成相应的电信号，经放大、整形后，形成数字电信号。

但由于制造和安装精度的影响，纯二进制码盘回转在两码段交替过程中会产生读数误差。为了消除这种误差，可采用循环码盘（格雷码盘）和带判位光电装置的二进制循环码盘。