四、光栅测量装置
计量光栅有长光栅和圆光栅两种，是数控机床和数显系统常用的检测元件。它具有精度高，响应速度较快等优点。光栅测量是一种非接触式测量。
光栅线位移传感器
1 ．光栅的工作原理
光栅位移检测装置由光源、两块光栅( 长光栅、短光栅) 和光电元件等组成，见图4-10(a) 。光栅是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条，线条之间距离 ( 称为栅距 ) 可以根据所需的精度决定，一般每毫米刻50 、100 、200 条线。长光栅装在机床的移动部件上，称为标尺光栅；短光栅装在机床的固定部件上，称为指示光栅。两块光栅互相平行并保持一定的间隙( 如0.05mm 或0.1mm 等) ，而两块光栅的刻线密度相同。如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距ω 相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直。其几何关系见图 4-10(b) 当θ 很小时，莫尔条纹的节距为(4-16) 这表明莫尔条纹的节距是栅距的1/ θ 倍。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动。当光栅移动一个栅距ω 时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距 W ，也就是说两者一一对应。只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹数进行计数、处理后自动测量出来。光栅的刻线人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特点。
莫尔条纹的另一特点，就是平均效应。因为莫尔条纹是由若干条光栅刻线组成，若光电元件接受长度为10mm ，在ω = 0.01mm 时，光电元件接受的信号是由1000 条刻线组成，所以制造上的缺陷，例如间断地少几根线，只会影响千分之几的光电效果。因此，用光栅测量长度，决定其精度的要素不是一根刻线，而是一组线的平均精度。
2．光栅测量的装置
在实际使用中，大多数装置是把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称之为读数头。
读数头的结构形式很多，但就其光路采看可分为以下几种。
(1)分光读数头
它的原理图见图4-11，光源Q发出的光经透镜变成平行光，照射到光栅Cl和C：上，由透镜乙：把在指示光栅C上形成的莫尔条纹聚焦，并在它的焦面上安置光电元件户以接受莫尔条纹的明暗信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。这种分光读数头，刻线截面为锯齿形，栅距为0.004illln，锯齿的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定的。
不过，这种光栅间距比较小，两块光栅之间的间隙也小。为了保护光栅表面，常需粘一层保护玻璃，而这样小的间隙是不行的。因此，在实际使用中采用投影系统(图4-12)，它是在光栅C1与C：之间装上等倍投影透镜上，、乙：。这样，C1的像就以同样大小的像投影在C，上形成莫尔条纹。这种系统本质上与前面的相同，只是Cl和C2之间的距离拉长了，从而满足了实际的使用要求。这种读数头主要用在高精度坐标控制和精密测量仪器上。
(2)垂直入射读数头
这种读数头主要是用于每毫米25—125线的玻璃透射光栅系统(图4-13)。从光源0经直透镜工使光束垂直照射到标尺光栅G上，然后通过指示光栅C：由光电元件户接收。两块光栅之间的距离‘是根据有效光波的波长又和光栅栅距o／来选择，即‘：～／A。但这仅仅是理论值，在实际使用中还要具体选择。图4—14为垂直入射读数头的结构示意图，光源1通过透镜2后变成平行光照射在标尺光栅3和指示光栅4上，形成莫尔条纹后由光电池5接受信号。
图中8是滚动轴承，它保证了标尺光栅和指示光栅之间恒定的间隙。标尺光栅和读数头分别
装在固定部件和移动部件上，标尺光栅用压板7夹紧，读数头用螺钉6固定，其精度最高可达0.001/ 1000mm 。
这种读数头主要用于每毫米25~50 线以下的反射光栅系统，如图4-15 所示。经直透镜，将光源Q 变成平行光，并以对光栅法面为β 的入射角 ( 一般为) 投影到标尺光栅的反射面上；反射回来的光束先通过指示光栅：形成莫尔条纹，然后经透镜：由光电元件P 接收信号。
光栅只能用于增量测量方式，目前有的光栅读数头设有一个绝对零点，这样由于停电或其他原因造成记错数字时，可以重新对零。它是在标尺光栅上有一小段光栅，在指示光栅上也有相应一小段光栅，当这两小段光栅重叠时发出零位信号，并在数字显示器中显示出来。
3 ．直线光栅检测装置的线路
图4-16 为光栅测量装置的逻辑框图，为了提高光栅分辨精度，线路采用了4 倍频的方案。当光栅刻线密度为50 线／mm 时，采用4 个光电元件和4 个缝隙。每隔1／4 光栅节距产生1 个脉冲，分辨精度可提高4 倍。
当指示光栅和标尺光栅相对运动时，硅光电池产生正弦波电流信号，这些信号送至差动放大器，再通过整形，使之成两路正弦及余弦方波。然后经微分电路获得脉冲，由于脉冲是在方波的上升边产生的，如图4-16 所示。为了使及的位置上都得到脉冲，所以将正弦和余弦方波分别各自反相一次，然后再微分，这样可以得到四个脉冲。为了判别正向或反向运动，还用一些与门把 4 个方波sin 、-sin 、cos 及-cos( 即：A 、C 、B 及D) 和4 个脉冲进行逻辑组合。当正方向运动时，通过与门1~4 及或门得到4 个脉冲输出；当反方向运动时，通过与门5~8 及或门得到4 个脉冲输出。这样，如果光栅的栅距为0.02mm ，4 倍频后每1 个脉冲都相当于 0.005mm ，使分辨精度提高4 倍。当然，倍频数还可以增加到8 倍频等，但一般到20 倍频以上就比较困难了。
五、脉冲编码器
脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。按编码的方式，可分为增量式和绝对值式两种。
1 ．增量式编码器
增量式编码器的工作原理如图4-17 所示。在图(a) 中，E 为等节距的辐射状透光窄缝圆 、为光源，、、为光电元件 ( 光敏二极管或光电池 ) ，与错开相位角安装。当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件、上得图(b) 所示的光电波形输出，A 、B 信号为具有相位差的正弦波。这组信号经放大器放大与整形后，得图(c) 所示的输出方波，A 相比 B 相超前，其电压幅值为 5V 。设A 相超前B 相时为正方向旋转，则B 相超前A 相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方。C 相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。如用数控车床切削螺纹时，可将这种脉冲当作车刀进刀点和退刀的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱扣。这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床的主轴准停信号。A 、B 相脉冲信号经频率电压变换，得到与转轴转速成正比例的电压信号，它就是速度馈信号。
2 ． 绝对值式编码器
增量式编码器的缺点是，有可能由于噪声或其他外干扰产生计数错误，若因停电，刀具破损而停机，事故除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。绝对式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的。图4-18 所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，表示“0 ”；加点 ( 阴影 ) 的部分不透光，表示“ 1 ”。按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器，即图中用黑点所示位置，隔着圆盘从后侧用光源照射。此编码盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为。图中，里侧是二进制的高位，即；外侧是二进制的低位，如“ 1101 ”，读出的是十进制“ 13 ”的角度坐标值。二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律，在使用中多位同时变化，易产生较多的误读。经改进后的结构如图4-19 所示的葛莱编码盘，它的特点是，每相邻十进制数之间只一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数 ( 二进制的位 ) 进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。
优点：坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。其缺点是，当进给转数大于一转时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。
六、速度传感器
速度传感器分直线速度型和角速度型。速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测控制中，因此角速度传感器用得较多。
前面介绍的光电编码器，它除了用作角位移传感器外，同时也被用作速度传感器。另外，速发电机也是一种常用的速度传感器。
1 ．测速发电机
它是一种能把机械转速转变为电信号的传感器。它与一般的发电机相比有如下两个特点：
(1) 输出电压与转速严格地成线性关系；
(2) 输出电势与转速比的斜率大。
测速发电机分交流和直流两大类。交流测速发电机又有同步、异步之分。在机电一体化制系统中，常用的是交流异步测速发电机和直流测速发电机，下面分别加以介绍。
(1) 交流测速发电机
如图4-20 所示，定子为两组在空间相互成角安置的绕组，转子则为空心杯形结构。
当在励磁绕组上施加恒定的单相交流电压时，发电机工作绕组便会输出与转速n 大小成正比的交流电压信号：，其有效值为边(4-17)
式中，——输出绕组的线圈匝数；
——励磁电压的频率；
K ——绕组系数 ( ) ；
——电机中的合成磁通。
(2) 直流测速发电机
它一般都做成永磁式，其工作原理如图4-21 所示。在恒定磁场下，当电枢以转速n 旋转时，电枢上的导体切割磁力线，在瞬间产生空载感应电势，它的值由下式确定：
(4-18)
式中，——电势常数；
——磁通。
从上式可以看出，空载输出电压，它与转速n 成正比。当存在负载电阻和电枢回路总电阻R 。时，则(4-19)
(4-20)
理想情况当中不变时，测速发电机的输出电压V 与转速n 成正比。实际上还有些因素会影响测量结果，比如：
(1) 周围环境温度的变化使绕组电阻发生变化，从而产生线性误差；
(2) 电枢反应，也就是由于电枢电流所产生的磁场会影响测速发电机的磁场，从而引起测量误差；
(3) 电枢回路的电阻随电枢电流的变化而变化，破坏了输出电压与转速的线性关系。
为了减少以上影响，测速发电机的磁路应选得足够饱和，同时还应将负载电流限制在较小的范围内。
2．脉冲编码器的使用
脉冲编码器是一种回转编码器，可以用来测相对位移，单位时间内的相对角位移就是角速度。因此，回转编码器在检测角位移的同时，配以定时器便可检测出角速度。
脉冲编码器在经过一个单位角位移时，便产生一个脉冲，图4-22 是用脉冲编码器作速度检测的原理图。图中 PG(A) 是脉冲编码器的输出脉冲。从图中可以看出，用脉冲编码器输出信号的上升沿打开计数器，对高频时钟信号进行计数；用其下降沿打开锁存器，对计数器内的计数值进行锁存，这样，锁存器的内容就是角位移所经过的时间，求其倒数，便可得到速度。
在这种用法中，需要根据电机的转速范围和检测精度来决定时钟频率和计数的容量。例：如果电机的转速范围为n=60～3000r／min ，编码器为100 脉冲／r ，则在低速时，每秒发100 个脉冲，即PG 脉冲周期为0.01 秒。如果采用8 位计数器，则高频时钟频率 f 保证计数器不溢出的条件为0.01f ／≤ 256
则f ≤ 25.6kHz
为了得到较高的检测精度，取f=25.6kHz ，则在最高转速3000r／min 时，计数器的值为
(4-21)如果对脉冲上升沿进行计数则为6 ；如果对脉冲下降沿进行计数则为5 。
不难看出，时钟频率越高，则测速误差就越小。但时钟频率受计数器容量和工作上限频率限制，不可能无限制地高，所以量化误差总是存在的。
七、位置传感器
位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到达某一位置。因此，它不需要产生连续变化的模拟量，只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。这种传感器常用于数控机床换刀具、工件或工作台到位或行程限制等辅助机能的信号检测。
位置传感器分接触式和接近式两种。接触式传感器是能获取两个物体是否接触之信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器。
1 ．接触式位置传感器
这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成。它有以下两种：
(1) 微动开关位置传感器 它用于检测物体位置，如图4-23 所示的几种构造和分布形式；
(2) 二维矩阵式位置传感器 如图4-24 所示，它一般用于机械手掌内侧，在手掌内侧常安装有多个二值触觉传感器，用以检测自身与某一物体的接触位置。
2 ．接近式位置传感器
接近式位置传感器有几种：①电磁式；②光电式；③静电容式；④气压式；⑤超声波式。
这几种传感器的基本工作原理可用图4-25 表示。
(1) 电磁式传感器 在这五种当中，使用得最多的是电磁式传感器。
它的工作原理如下：
当一个永久磁铁或一个通有高频电流线圈接近一个铁磁体时，它们的磁力线分布将发生变化。因此，可以用另一组线圈检测这种变化。当铁磁体靠或远离磁场时，它所引起的磁通量变化将在线圈感应出一个电流脉冲，其幅值正比于磁通的变化。
图4-26 给出了线圈两端的电压随铁磁体进入磁场的速度而变化的曲线，其电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场。因此，对此电压进行积分便可得出一个二值信号，当积分值小于一定的阈值时，积分器输出低电平；反之，则输出高电平，此时表示某一物体己接近。
显然，电磁感应传感器只能检测电磁材料，对其他非电磁材料则无能为力。为了克服此缺点，目前数控系统越来越多地使用光电检测器来检测位置。
(2) 光电式传感器 与前面介绍的几种传感器相比，这种传感器具有体积小、可靠性高、检测位置精度高、响应速度快、易与 TTL 及 CMOS 电路并容等优点。它分透光型和反射型两种。
在透光型光电传感器中，发光器件和受光器件相对放置，中间留有间隙，当被测物体到达这一间隙时，发射光被遮住，从而接收器件 ( 光敏元件 ) 便可检测出物体已经达到。图4-27 是透光型传感器的接口电路。
在反射型光电传感器中，发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上。它的基本情况致与透光型传感器相似，但由于是检测反射光，所以得到的输出电流较小。另外，对于不同的物体表面，信噪比也不一样，因此，设定限幅电平就显得非常重要。图4-28 是这种传感器的典型应用，它的电路与透光型传感器大致相同，只是接收器的发射极电阻用得较大，且为可调电阻。这主要是因为反射型光电传感器的光电流较小，且有很大分散性。
另一种非接触式位置传感器是霍尔元件。霍尔元件是一种半导体磁电转换元件( 图4-29) ，一般由锗 (Ge) 、锑化铟 (InSb) 、砷化铟 (InAs) 等半导体材料制成。其工作原理是将元件置于磁场中，如果a、b端通以电流I，在c、d端就会出现电位差，这种现象称为霍尔效应。将小磁体固定在运动部件上，当部件靠近霍尔元件时，便会产生霍尔效应，利用电路检测出电阻电位差信号，便能判断物体是否到位。
霍尔元件
