[工学]传感器与检测技术第2章6大位移感应同步器、激光课件.ppt

1、1第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理v感应同步器是利用感应同步器是利用电磁感应原理电磁感应原理将将线位移线位移和和角位移角位移转换成转换成电信号电信号的一种装置。的一种装置。v根据用途，可将感应同步器分为根据用途，可将感应同步器分为直线式直线式和和旋旋转式转式两种，分别用于测量两种，分别用于测量线位移线位移和和角位移角位移。2第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理 sin cos 节距定尺滑尺3第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应

2、同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理v感应同步器是利用感应同步器是利用励磁绕组励磁绕组与与感应绕组感应绕组间发间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应感应绕组绕组中的中的感应电压感应电压随随位移位移的变化而变化，借的变化而变化，借以进行位移量的检测。以进行位移量的检测。4第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理v感应同步器感应同步器滑尺上滑尺上的绕组是的绕组是励磁绕组励磁绕组，定尺定尺上的绕组是上的绕组是感应绕组感应绕组。v定尺固定在床身上，滑尺则安装在

3、机床的移定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通过对感应电压的测量，可以精动部件上。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。确地测量出位移量。5第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理感应电动势感应电动势移动距离移动距离U0USUS定尺定尺滑尺滑尺WW/4正弦绕组正弦绕组A A余弦绕组余弦绕组B B在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个

4、节距，感应尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。电动势变化一个周期。6第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理v当当滑尺滑尺相对相对定尺定尺移动时，滑尺与定尺的移动时，滑尺与定尺的相对相对位置位置发生变化，改变了通过发生变化，改变了通过定尺绕组的磁通定尺绕组的磁通，从而改变了从而改变了定尺绕组中输出的感应电动势定尺绕组中输出的感应电动势E。vE的变化反映了定、滑尺间的相对位移，实的变化反映了定、滑尺间的相对位移，实现了位移至电量的变换。现了位移至电量的变换。7第三节第三节 大位移传感器大位移传感

5、器三、感应同步器三、感应同步器1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理v鉴相型：通过检测感应电动势的相位测量位鉴相型：通过检测感应电动势的相位测量位移移v鉴幅型：通过检测感应电动势的幅值测量位鉴幅型：通过检测感应电动势的幅值测量位移移8第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相型鉴相型v滑尺正旋绕组上加激磁电压滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：耦合的定尺绕组上的感应电压为：v滑尺余旋绕组上加激磁电压滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：耦合的定尺绕组上的感应电压为：coss

6、incosSSxixEkUkUtcos(/2)sincosCCxixEkUkUt9第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相型鉴相型v滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时，感应同步器的磁路可视为线性的，时，感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：的总感应电压为：sin()SCixEEEkUt10第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相型鉴相型滑尺与定尺相对位移量滑尺与定尺相对位移量x的求取：的求取：W:2=x:x

7、 x=Wx/2结论：相对位移量结论：相对位移量 x 与与 相位角相位角x 呈线性关呈线性关系，只要能测出相位角系，只要能测出相位角x，就可求得位移，就可求得位移量量 x。11第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理v脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相位变换器进行分频，输出参考信号方波和指令信位变换器进行分频，输出参考信号方波和指令信号方波。号方波。12第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理v指令信号方

8、波使励磁供电线路产生振幅、频率相指令信号方波使励磁供电线路产生振幅、频率相同而相位差同而相位差90 的正弦信号电压的正弦信号电压Uisin t和余弦信号和余弦信号电压电压Uicos t，供给感应同步器滑尺或定尺的，供给感应同步器滑尺或定尺的A、B绕组。绕组。13第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理v定尺上产生感应电动势定尺上产生感应电动势E，经放大整形后变为方波，经放大整形后变为方波，并和参考信号方波送入鉴相器。并和参考信号方波送入鉴相器。14第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相式测

9、量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理v鉴相器的输出是感应电动势信号与参考信号的相鉴相器的输出是感应电动势信号与参考信号的相位差，即相位位差，即相位x，且反映出它的正负。相位信号和，且反映出它的正负。相位信号和高频脉冲信号一起进入与门电路，当相位信号高频脉冲信号一起进入与门电路，当相位信号x存存在时，门打开，允许高频时间脉冲信号通过；当在时，门打开，允许高频时间脉冲信号通过；当相位信号相位信号x不存在时，门关闭。不存在时，门关闭。15第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理v这样，门输出的信号脉冲数与相角这样，门输出的信号脉

10、冲数与相角x成正比。该脉成正比。该脉冲进入可逆计数器计数，并由译码和显示器显示冲进入可逆计数器计数，并由译码和显示器显示数字。通过门电路的信号脉冲还送到脉冲相位变数字。通过门电路的信号脉冲还送到脉冲相位变换器中，使参考信号跟随感应电动势的相位。换器中，使参考信号跟随感应电动势的相位。16第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴幅型鉴幅型v根据感应电动势根据感应电动势E的幅值鉴别位移量的幅值鉴别位移量x的大小的大小17第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴幅型鉴幅型v根据感应电动势根据感应电动势E的幅值鉴别位移量的幅值鉴别位移量x的大

11、小的大小v滑尺正、余弦绕组通入的激励电压同频、同滑尺正、余弦绕组通入的激励电压同频、同相，但幅值不同。相，但幅值不同。18第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器v鉴幅型鉴幅型v当正、余弦绕组上施加的激励电压为当正、余弦绕组上施加的激励电压为 和和 时，时，定尺上的感应电动势为定尺上的感应电动势为E。在滑尺偏离初始。在滑尺偏离初始位置位置 x位移后，其感应电动势为位移后，其感应电动势为iAsinUtiBcosUt2coscosmEkUxtAtW2mAkUxW19第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器2.感应同步器测位移的特点感应同步器测位移

12、的特点v精度较高，对环境要求较低，可测大位移；精度较高，对环境要求较低，可测大位移；感应同步器工作可靠，抗干扰能力强，维护感应同步器工作可靠，抗干扰能力强，维护简单，寿命长。简单，寿命长。v在数控机床与大型测量仪器中常用它测量位在数控机床与大型测量仪器中常用它测量位移。移。20第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器2.感应同步器测位移的特点感应同步器测位移的特点v具有较高的精度与分辨力。其测量精度首具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由化对其测量精度影响不

13、大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。效应减小了局部误差的影响。21第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器2.感应同步器测位移的特点感应同步器测位移的特点v抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干

14、扰电影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小。场的影响很小。22第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感应同步器2.感应同步器测位移的特点感应同步器测位移的特点v使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振使用寿命很长。它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护动的影响，不需要经常清扫。但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。罩，防止铁屑进入其气隙。23第三节第三节 大位移传感器大位移传感器三、感应同步器三、感

15、应同步器2.感应同步器测位移的特点感应同步器测位移的特点v可以作长距离位移测量。可以根据测量长可以作长距离位移测量。可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接。拼接后总长度的需要，将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度。目前几米到几十米的大型机床工作台位度。目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。v工艺性好，成本较低，便于复制和成批生工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。产。24第三节第三节 大位移传感器大位移传感器例题例题感应同步器感应同步器定尺上的感

16、应电动势为：定尺上的感应电动势为：其中其中W0.2mm若若E=10sin(100t+0.96)，求此时测得的位移求此时测得的位移l2siniEU kltW25第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器v由由激光器激光器、光学元件光学元件、光电转换元件光电转换元件构成的构成的激光测量系统激光测量系统v将被测将被测位移量位移量转换成转换成电信号电信号。26第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器v激光检测有精度高、测量范围大、测试时间激光检测有精度高、测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高等优点。短、非接触、易数字

17、化、效率高等优点。v激光干涉测长技术，目前已广泛地应用于精激光干涉测长技术，目前已广泛地应用于精密长度测量，如磁尺、感应同步器、光栅的密长度测量，如磁尺、感应同步器、光栅的检定；精密机床位移检测与校正；集成电路检定；精密机床位移检测与校正；集成电路制作中的精密定位等。制作中的精密定位等。27第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器v常用的激光干涉测长传感器分为常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干单频激光干涉传感器涉传感器和和双频激光干涉传感器双频激光干涉传感器。28第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器（1）单频激

18、光干涉传感器单频激光干涉传感器29第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器（1）单频激光干涉传感器单频激光干涉传感器v单频激光干涉测长传感器的精度高，分辨力单频激光干涉测长传感器的精度高，分辨力高，测量高，测量1m长度时，其精度可达长度时，其精度可达10-7量级，量级，测测10m可达可达1 m精度，但对环境条件要求精度，但对环境条件要求高。高。30第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器（2）双频激光干涉传感器双频激光干涉传感器31第三节第三节 大位移传感器大位移传感器四、激光式位移传感器四、激光式位移传感器（2）双频激光干涉传感器双频激光干涉传感器v精度高，抗干扰能力强。精度高，抗干扰能力强。