传感器及检测技术
第6章 数字式传感器
感应同步器
湖北工业大学机械学院
主要内容
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数控检测装置概述 感应同步器 ①结构和类型 ②工作原理及检测电路 ③ 应用
6.1 数控检测装置概述 一、检测装置的组成、作用及要求
1、组成： 检测元件（传感器）和信号处理装置 2、作用： �实时测量执行部件的位移和速度信号， �将信号变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动 部件实时位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。 3、要求 在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求
二、检测装置的分类 （一）被测物理量：位移、速度和电流 （二）安装位置及耦合方式：直接测量和间接测量
1. 直接测量 直接测量：将直线型检测装置安装在移动部件上，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，构成位置闭环控制。 �优点：准确性高、可靠性好 �缺点：测量装置要和工作台行程等长，在大型数控机床上 受到一定限制。
2、感应同步器的检测电路
感应同步器利用定尺和滑尺的两个平面印刷电路 绕组的互感随其相对位置变化的原理，将位移转换为 电信号。类似于变压器的原边和副边。 0.05um ，测量位移范围大， 精度高，分辨率可达 精度高，分辨率可达0.05um 0.05um，测量位移范围大， 广泛用于数控机床、雷达天线定位跟踪等。 鉴相式、 根据激励电压的不同，可分为三种工作方式： 根据激励电压的不同，可分为三种工作方式：鉴相式、 鉴幅式、脉冲调宽法 通过 检测感应电动势的相位 测量位移。 �鉴相式： 鉴相式：通过 通过检测感应电动势的相位 检测感应电动势的相位测量位移。 通过 检测感应电动势的幅值 测量位移。 鉴幅式：通过 通过检测感应电动势的幅值 检测感应电动势的幅值测量位移。 �鉴幅式： 实质是鉴幅式，输入为周期性方波信号。 脉冲调宽法：实质是鉴幅式，输入为周期性方波信号。 �脉冲调宽法：
实时测量装置不但要灵敏度高，而且输出、输入关系中各点 的灵敏度应该是一致的。
4.迟滞
迟滞：对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量不一致。 数控系统的传感器要求迟滞小
5.测量范围和量程
传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地
6.零漂与温漂
零漂与温漂：反映了随时间和温度的改变，传感器测量精 度的微小变化 传感器的漂移量是其重要性能标志 对检测装置还要求工作可靠，抗干扰性强，使用维护方 便，成本低
1）鉴相式：
在这种工作方式下，给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通上 幅值、频率相同而相位差为900的交流电压：
U s = U m sin ωt U c = U m cos ωt
ω频率移动的行波。 �励磁信号将在空间产生一个以 励磁信号将在空间产生一个以ω �磁场切割定尺导片，并在其中感应出电动势，该电动势随着 θ。 定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差 定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差θ
节距：绕组 在长度方向 的分布周期
结构组成
滑尺与定尺相对移动 时，定尺绕组上的感 应电动势与两尺的相 对位移成正比
余弦绕组 正弦绕组
根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装 条件等， 直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、 形状和种类。 直线感应同步器可分为标准型和窄型两种。窄型直 线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是宽 度较窄。标准型直线感应同步器精度高，应用广，每根 定尺长 250mm 。如果测量长度超过 175mm 时，可将几根定 定尺长250mm 250mm。如果测量长度超过 。如果测量长度超过175mm 175mm时，可将几根定 尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安 装平整，否则极易损坏。
�转子绕组为连续绕组； �定子上有两相正交绕组（sin绕组和cos绕组），做成分段 式，两相绕组交差分布，相差90相位角。属于同一相的各相 绕组用导线串联起来。
2、直线感应同步器的结构
直线感应同步器是直线条形，由基板、绝缘层、绕组和屏蔽层 组成。 材料：采用与机床热膨胀系数相近的钢板或铸铁制成
�长尺叫定尺，安装在机床 床身上 �短尺为滑尺，安装于移动 部件上 �两者平行放置，保持一定 间隙。
感应同步器
�结构类型：直线式和旋转式 �结构组成: 固定和运动两大部分
�直线式感应同步器：由定尺和滑尺组成，用于直线 位移测量。 �旋转式感应同步器：由转子和定子组成，用于角位 移测量。
1．旋转式感应同步器
�由定子和转子两部分组成。 定子、转子：用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐 射状。 �定子和转子相对的一面都有 导电绕组，绕组用铜箔构成 （厚0.05mm） �基板和绕组之间有绝缘层 �绕组表面还要加一层和绕组 绝缘的屏蔽层（铝箔或铝膜）
�若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定 尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为 正弦函数关系(图中OP)。 �若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应 电压值所对应的唯一确定的位移。
总结：感应同步器工作原理---电磁耦合原理
工作时，在滑尺上的绕组上通励磁电压 由于电磁耦合作用，在定尺绕组上产生感应电压 当滑尺和定尺之间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化，定尺上感应绕组中的感应电压 也发生变化 感应电压的变化与相对位移之间有一定的关系 通过测量定尺绕组中的感应电压，借以进行位移量的 检测
Question：
1、数控检测装置的组成及作用是什么？ 2、常见的位置检测装置有哪几种类型？ 3、数控检测装置的性能指标及要求有哪些？
6.2 感应同步器
利用两个平面形印制绕组的互感随位置不同而变化的原理 工作。激磁电压频率一般是1～20kHz。
6.2.1 感应同步器结构与类型 �感应同步器:
�20世纪60年代末发展起来的 �应用电磁感应定律把位移量转换成电量 �多极结构，在电与磁两方面均能对误差起补偿作用，所 以具有很高的精度。
类型 回 转 型 直 线 型
增量式 脉冲编码器 旋转变 压器 圆感应同步器 圆光栅 圆磁栅 直线感应同步器 计 量光栅 磁尺激光干涉 仪
绝对式 多速旋转变压器 绝对脉 冲编码器 三速圆感应同 步器 三速感应同步器 绝对值 式磁尺
四、数控检测装置的性能指标及要求 检测装置：安放在伺服驱动系统中。
所测物理量是不断变化的，传感器的测量输出必须能准确、 快速的跟随反映这些被测量的变化
2. 间接测量
间接测量：将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠 上，通过检测转动件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。 �优点：测量方便、无长度限制。 �缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传 动链误差，影响测量精度。
例：
位置传感器有直线式和旋转式两大类。 �若用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器 测角位移，则该测量方式为直接测量。 �若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间 值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位 移，则该测量方式为间接测量。
�滑尺正弦绕组上加励磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上 的感应电压为：
Es = KU s cos θ = KU m cos ωt cos θ
间接测量示例
工作台 丝杠 步进电机 编码器
直接测量示例
光栅
（三）测量方法： 增量式测量、 绝对式测量
增量式 ：只测量位移量。 绝对式：对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标 起。每一个被测点都有一个相应的测量值。
（四）检测信号：数字式测量、模拟量测量
数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。 测量信号为电脉冲，可以直接送入数控装置进行比较、处理。 模拟式测量： 模拟式测量是将被测量用连续变量来表示， 如电压变化、相位变化等。 数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同 步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。
传感器的性能指标：静态特性、动态特性 主要如下：
1.精度
精度：符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求
2.分辨率
分辨率：所能测量的最小位移量。 应适应机床精度和伺服系统的要求。 分辨率的提高，对提高系统性能指标、提高运行平稳性都 很重要
3.灵敏度
6.2.2 感应同步器工作原理及测量电路
1、感应同步器的工作原理 �利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦 合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借 以进行位移量的检测。 �滑尺上的绕组：励磁绕组 �定尺上的绕组：感应绕组。
�滑尺两段感应绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4节距 �定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上 �滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应， 在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的 测量，可以精确地测量出位移量。
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Question：
1、感应同步器的分类及结构？ 2、直线式感应同步器的工作原理？
需要思考的几个问题：
1）正余弦函数在一个周期的范围内，函数值和角度间并不是单 值对应关系。对于感应同步器的输出电压和电角度之间也同样 如此。 2）当电角度超出一个周期的范围，即线位移和角位移大于2个极 距，这时必须记录、变化周期的个数才能确定电角度。 3) 输出电压的误差大，但要求的测量精度很高。为了解决这些 问题，就需要对感应同步器输出绕组的信号进行适当处理。

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概述：高精度的转角和线位移测量元件 工作原理：利用两个平面形印制绕组的互感随位置不同 而变化的原理工作。激磁电压频率一般是1～20kHz。 分类：直线式测量直线位移；旋转式测量转角。 结构：固定部件和运行部件两部分，其上各有绕组。 优点 ：有很高的精度和分辩率；抗干扰能力强 ；可以 作长距离位移测量；结构简单、工作可靠、使用寿命长。 缺点：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，价格高。