感應(yīng)同步器簡(jiǎn)介感應(yīng)同步器是利用電磁原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測(cè)量 。將角度或直線位移信號(hào)變換為交流電壓的位移傳感器，又稱平面式旋轉(zhuǎn)變壓器。它有圓盤式和直線式兩種。在高精度數(shù)字顯示系統(tǒng)或數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)中圓盤式感應(yīng)同步器用以檢測(cè)角位移信號(hào)，直線式用以檢測(cè)線位移。感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于高精度伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)天線、火炮和無線電望遠(yuǎn)鏡的定位跟蹤、精密數(shù)控機(jī)床以及高精度位置檢測(cè)系統(tǒng)中。結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器是一種將直線位移或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器。從原理上看，它與我們前面講到的旋轉(zhuǎn)變壓器并無實(shí)質(zhì)的區(qū)別，但是從結(jié)構(gòu)上看，則與旋轉(zhuǎn)變壓器（及一般的其他控制電機(jī)）大不相同。無論哪一種感應(yīng)同步器，其結(jié)構(gòu)都包括固定和運(yùn)動(dòng)兩部分。它的可動(dòng)部分與不動(dòng)部分上的繞組不是安裝在圓筒形和圓柱形的鐵心槽內(nèi)，而是用絕緣粘合劑把銅鉑粘牢在稱為基板的金屬或玻璃平面的薄板上，利用印刷、腐蝕等方法制成曲折形狀的平面繞組，其工藝過程與電子工業(yè)中的印刷電路相同，故稱為印刷繞組。感應(yīng)同步器按其運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為圓盤式（或稱旋轉(zhuǎn)式）和直線式兩種，前者用來檢測(cè)角位移，后者用來檢測(cè)直線位移。但無論是哪種感應(yīng)同步器，其工作原理都是相同的。具有較高的精度和分辨力感應(yīng)同步器可以不經(jīng)任何機(jī)械傳動(dòng)直接測(cè)量?jī)x器或機(jī)床的線位移或角位移，所以其測(cè)量精度首先取決于感應(yīng)同步器本身的加工精度，這可由加工精度來保證。長(zhǎng)感應(yīng)同步器的基板與安裝部件材料相近，熱膨脹系數(shù)相近，圓感應(yīng)同步器的基板受熱后各方向的膨脹對(duì)應(yīng)于圓心，所以溫度變化對(duì)其影響不大。感應(yīng)同步器的極對(duì)數(shù)很多，不是幾十，而是幾百上千，這樣多的極對(duì)數(shù)同時(shí)參加工作，誤差的平均效應(yīng)減小了局部誤差的影響。感應(yīng)同步器的分辨率取決于原始信號(hào)質(zhì)量與電子細(xì)分電路的信噪比及電子比較器的分辨率，前者可通過控制印刷電路繞組的加工精度、穩(wěn)定激磁電壓、限制氣隙變化等措施來解決，后者可通過線路的精心設(shè)計(jì)和采取嚴(yán)密的抗干擾措施來解決。目前長(zhǎng)感應(yīng)同步器的精度可達(dá)到土1.5pm，分辨率0.05pm，重復(fù)性0.2pm，直徑為300mm（12英寸）的圓感應(yīng)同步器的精度可達(dá)土1",分辨率0.05",重復(fù)性0.1"。這些性能，旋轉(zhuǎn)變壓器是達(dá)不到的。抗干擾能力強(qiáng)感應(yīng)同步器在一個(gè)節(jié)距內(nèi)是一個(gè)絕對(duì)測(cè)量裝置，在任何時(shí)間內(nèi)都可以給出僅與位置量相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，因而不受瞬時(shí)作用的偶然干擾信號(hào)的影響。平面繞組的阻抗很小，受外界干擾電場(chǎng)的影響很小。3?使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單：定尺和滑尺、定子和轉(zhuǎn)子互不接觸，沒有摩擦、磨損，所以使用壽命長(zhǎng)。它不怕油污、灰塵和沖擊振動(dòng)的影響，不需要經(jīng)常清掃。但需裝設(shè)防護(hù)罩，防止鐵削等進(jìn)入其氣隙?？梢宰鏖L(zhǎng)距離位移測(cè)量可以根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度的需要，將若干根定尺拼接。拼接后總長(zhǎng)度的精度可保持（或稍低于）單個(gè)定尺的精度。目前幾米到幾十米的大型機(jī)床工作臺(tái)位移的直線測(cè)量，大多采用感應(yīng)同步器來實(shí)現(xiàn)。藝性好、成本較低、便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。由于感應(yīng)同步器具有上述優(yōu)點(diǎn)，直線式感應(yīng)同步器目前被廣泛應(yīng)用于大位移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量中，例如用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重型機(jī)床及加工中的測(cè)量裝置、自動(dòng)定位裝置等。圓感應(yīng)同步器被廣泛地用于機(jī)床和儀器的轉(zhuǎn)臺(tái)，各種回轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)以及導(dǎo)彈制導(dǎo)、陀螺平臺(tái)、射擊控制、雷達(dá)天線的定位等。工作原理感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置而變化的原理而進(jìn)行工作的。，定尺上是連續(xù)繞組，滑尺上是分段繞組，滑尺為正余弦繞組。其繞組布置如圖12-1所示。滑尺上展開分布著兩個(gè)印刷電路繞組，每個(gè)節(jié)距相當(dāng)于繞組空間分布的周期，又稱 ，一般為2mm，用2t表示?；吲c定尺相互面向平行安裝，兩者保持0.2mm左右距離。感應(yīng)同步器的工作原理如圖12-2所示。當(dāng)定尺繞組加以頻率為f,幅值恒定的交流激磁電流I（或電壓）時(shí)，滑尺兩繞組將產(chǎn)生與激磁電流頻率相同、幅值隨兩尺相對(duì)位置而變化的感應(yīng)電勢(shì)e,滑尺某一繞組與定尺繞組完全重合時(shí)，磁通耦合度最大，故該滑尺感應(yīng)的電勢(shì)最大；兩繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距（即1/4*2t=0.5t）時(shí)，滑尺耦合的正負(fù)磁通互相抵消，感應(yīng)電勢(shì)為零；互相錯(cuò)開1/2節(jié)距時(shí)，感應(yīng)的電勢(shì)與繞組重合時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)幅值相同而相位相反。

1*2*rTJirLTLFL!1*2*rTJirLTLFL!：!左p,FLH右nJ尺A的wA:la[52^|-*—EUXs ..才VDVV跨品1E圖12-2感應(yīng)同步器工作原理」圖12T感應(yīng)同步器繞組布置屮圖12-2感應(yīng)同步器工作原理」設(shè)定尺激磁電壓u二Usinwt繞組在圖12-2所示位置時(shí)為位移x的零點(diǎn)，則繞組A的感應(yīng)電勢(shì)為0mTOC\o"1-5"\h\zUA=kUocos0=耳$皿tcose ⑴式中，k為耦合系數(shù)，相移0由下式?jīng)Q定：0=2n*x/2t=nx/t （2）故繞組A稱為余弦繞組。同理，繞組B的感應(yīng)電勢(shì)為UB=kUosin0=耳$皿tsin0 （3）故繞組B稱為正弦繞組。上述輸岀信號(hào)是各極輸岀信號(hào)的平均結(jié)果，誤差可以得到均衡補(bǔ)償，故精度較高。工作方式有了兩相輸出，便能確切的反映一個(gè)空間周期的任何角度位移的變化。為了輸出角度和位移，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)不同的激磁方式，感應(yīng)同步器有兩種工種方式：幅值工作方式和相位工作方式。（一）幅值工作方式幅值工作方式的原理是利用感應(yīng)同步器的輸出電勢(shì)的幅值隨著定尺與動(dòng)尺之間的相對(duì)位移而呈正弦或余弦函數(shù)規(guī)律變化的原理進(jìn)行工作的。1?對(duì)定尺激磁的方式設(shè)定尺激磁電壓 u二Usingt，TOC\o"1-5"\h\z0 m則繞組的A感應(yīng)電勢(shì)為u=kucos0=kUsingtcos0A 0 m繞組B的感應(yīng)電勢(shì)為若在滑尺A、B兩繞組上加以頻率和幅值相同，但相位差90萀交流激磁電壓，即u=kusin0=kUsingtsin0B 0 m定尺激磁時(shí)，繞組A、B的感應(yīng)電勢(shì)表達(dá)式為式（1）和（3）所示。通過解調(diào)電路將它們解調(diào)之后可得到12-3圖所示的正、余弦電壓，用鑒零電路在每個(gè)過零點(diǎn)形成一個(gè)脈沖，則每出現(xiàn)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于滑尺移過T/2節(jié)距。用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以得到總的移動(dòng)距離。由兩曲線的相對(duì)關(guān)系還可判斷運(yùn)動(dòng)方向：如正走時(shí)為u超前于u。則反走時(shí)u超前于u。A B B A2?對(duì)滑尺兩繞組激磁的方式若在a、b兩繞組上加以頻率和相位相同，但幅值為某一已知角度e1的正弦和余弦函數(shù)的激磁電壓，即u=Usin0sin3tA m 1u=Ucos0sinwtB m 1則因感應(yīng)同步器工作在線性狀態(tài)，定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為U,U單獨(dú)激磁時(shí)感應(yīng)電勢(shì)的疊加。當(dāng)滑尺AB右移e度時(shí)，有u=kucosB-kusineTOC\o"1-5"\h\z0 A B=k（Usinesinwt）cose-k（UcosBsinwt）sinem 1 m 1=kUsinwtsin（e-e） （4）m 1其中e為滑尺相對(duì)于定尺的相移。e與x有關(guān)，e=nx/t，故為滑尺移動(dòng)某一距離x后對(duì)應(yīng)的相角。如果e對(duì)應(yīng)于指令位移x，同樣因有e=nx/t，故式（4）反映了位置誤差（x-x），當(dāng)負(fù)載位移未11111達(dá)到指令要求值時(shí)，XHX時(shí)，定尺感應(yīng)電勢(shì)uH0，該電勢(shì)經(jīng)檢波放大成直流信號(hào)控制伺服電機(jī)工作，10帶動(dòng)負(fù)載移動(dòng)，直至x=x時(shí)，e=e使u二0為止。110式（4）是鑒幅工作方式的基本方程式。當(dāng)x=x時(shí)，u=0,鑒幅方式使用時(shí)就是利用這一特點(diǎn)，因此10鑒幅工作方式也可以稱為鑒零工作方式。運(yùn)動(dòng)方向的判別：滑尺右移時(shí)，u表達(dá)式見式（4）；若指令位移為-e，則u二-kUsinwtsin（eTOC\o"1-5"\h\z0 10m 1-e）。故若u以Usingt為基準(zhǔn)進(jìn)行相敏檢波，即可控制運(yùn)動(dòng)方向。0 m（二）相位工作方式u=Usingt，u二Ucos3tAm Bm又設(shè)起始時(shí)繞組A與定尺繞組重合，則當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，定尺上感應(yīng)的電勢(shì)為u=kUsingtcose+kUcosgtsine=kUsin（gt+e）0 m m m可見，定尺感應(yīng)電勢(shì)u的相移e與滑尺的直線位移X有嚴(yán)格的比例關(guān)系，可通過相移測(cè)量求得滑尺的0直線位移。上式與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，利用輸出電壓與輸入電壓的相位差e角測(cè)量位移，這就是鑒相工作方式的感應(yīng)同步器的工作原理，感應(yīng)同步器的定、滑尺之間的相對(duì)位移被變換成輸出電勢(shì)的相位差，兩者成線性關(guān)系。應(yīng)用系統(tǒng)―、在機(jī)械加工中的應(yīng)用各種金屬切削機(jī)床，特別是大型和重型機(jī)床，在加工大尺寸的工件和進(jìn)行特殊加工工藝時(shí)采用感應(yīng)同步器與數(shù)字顯示裝置組成的成套測(cè)量裝置，可以大大提高加工精度，保證加工質(zhì)量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

這種與感應(yīng)同步器配套使用的數(shù)字顯示裝置，稱為數(shù)碼顯示表。它即向感應(yīng)同步器提供所需要的激磁電壓，又可將感應(yīng)同步器輸出的電勢(shì)所反映的位移量用數(shù)字顯示出來，使用方便直觀，在機(jī)械加工工業(yè)中已得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如，大型和重型立式車床，因加工工件的尺寸大，所用的量具不但體積大而且相當(dāng)笨重，常用的游標(biāo)卡尺一般重約十幾公斤，有的甚至重達(dá)四十公斤，既消耗體力大，又不易測(cè)量準(zhǔn)確。如果采用數(shù)碼表檢測(cè)裝置，就可解決上述問題。具體的方法是利用兩套直線式感應(yīng)同步器和數(shù)顯表分別作為水平和豎直兩坐標(biāo)位移測(cè)量裝置。安裝方式只要便于安裝即可。例如可將一臺(tái)感應(yīng)同步器的定、滑尺分別安裝在橫梁和右垂直刀架的溜板上，另一臺(tái)感應(yīng)同步器的定、滑尺分別安裝在右垂直刀架的滑枕和滑座上。這樣當(dāng)右垂直刀架移動(dòng)時(shí)，便可由安裝在操縱臺(tái)上的兩臺(tái)數(shù)顯表分別讀出水平和垂直的兩坐標(biāo)的位移量。按感應(yīng)同步器的工作方式不同，數(shù)顯表也可分為鑒幅型和鑒相型兩大類。1.普通鑒幅型數(shù)顯表圖12-4鑒幅型數(shù)顯表工作原理方框圖a普通鑒幅型數(shù)顯示表的工作原理如圖12-4所示。設(shè)開始時(shí)，感應(yīng)同步器的0=01，定尺輸出電壓u0=0,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)滑尺移動(dòng)后，0#61，u0HO,但由于u0很小，需經(jīng)放大電路放大后才能實(shí)現(xiàn)控制，并經(jīng)濾波電路將非工作頻率的干擾波形濾掉后，與比較電路的基準(zhǔn)電位比較。當(dāng)位移量超過一定值，例如超過0.01mm時(shí)，經(jīng)放大濾波后的u0超過比較電路的基準(zhǔn)電位，該電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖，此脈沖進(jìn)入顯示計(jì)數(shù)器，顯示出位移量0.01mm，同時(shí)又經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路改變勵(lì)磁電壓的幅角0，使0跟蹤0丄，這樣，當(dāng)位移量每超過0.01mm，輸出電壓大于門檻電路的基準(zhǔn)電位，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路便輸出一個(gè)脈沖，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路也就改變0—次。顯示計(jì)數(shù)器將脈沖累計(jì)起來，并讀出位移總量。2.普通鑒相型數(shù)顯表普通鑒相型數(shù)顯表的工作原理如圖12-5所示。＞放大電路卩?濾波電路*車?＞放大電路卩?濾波電路*車?鑒相器+J—?數(shù)字相位轉(zhuǎn)換」相位數(shù)字換P圖12-5鑒相型數(shù)顯表工作原理方框圖亠兩相勵(lì)磁電壓由勵(lì)磁電源供給。定尺輸出電壓經(jīng)放大濾波后，與數(shù)字相位轉(zhuǎn)換電路（脈沖移相器）的輸出電壓一起輸入鑒相器。設(shè)開始時(shí)，鑒相器兩輸入電壓的相位相同，即0=0，鑒相器沒有輸出，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)滑尺移動(dòng)后，0#0，鑒相器有了輸出，經(jīng)相位數(shù)字轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成脈沖，滑尺每移動(dòng)一定距離，例如移動(dòng)0.01mm，相位數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將鑒相器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖，該脈沖又進(jìn)入數(shù)字相位轉(zhuǎn)換電路，使0跟蹤0。這樣，位移量每達(dá)到0.01mm，相位數(shù)字電路就輸出一個(gè)脈沖，數(shù)字相位轉(zhuǎn)換電路也改變0一次。顯示計(jì)數(shù)器將脈沖數(shù)累計(jì)起來，并顯示出位移總量。二、在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用感應(yīng)同步器因具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外的很多數(shù)控機(jī)床中被用作檢測(cè)元件（即傳感器），構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。機(jī)床的數(shù)字控制系統(tǒng)，按控制刀具相對(duì)于工件移動(dòng)的軌跡之不同，可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)1?點(diǎn)位控制系統(tǒng)主要是控制刀具或工作臺(tái)從某一加工點(diǎn)到另一加工點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位，而對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間所經(jīng)過的軌跡則不加控制。如鉆、鏜、沖床等的加工過程都屬于這種情況。利用感應(yīng)同步器作為點(diǎn)位控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件可以直接測(cè)出機(jī)床的移動(dòng)量以修正定位誤差，提高定位精度。圖12-6點(diǎn)位控制系統(tǒng)原理方框圖|圖12-6就是感應(yīng)同步器在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中應(yīng)用的一例。系統(tǒng)的工作過程是：工作前通過輸入裝置（如光電閱讀機(jī)、數(shù)碼撥盤等）先給計(jì)數(shù)器預(yù)置某一相應(yīng)工作臺(tái)的指令脈沖數(shù)，脈沖發(fā)生器按機(jī)床移動(dòng)速度的要求不斷發(fā)出脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)有數(shù)時(shí)，門電路打開，步進(jìn)電機(jī)按脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)感應(yīng)同步器的滑尺移動(dòng)，滑尺每移動(dòng)一定距離，例如0.01mm，感應(yīng)同步器檢測(cè)裝置發(fā)出一個(gè)脈沖，這一脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，說明工作臺(tái)已移動(dòng)了0.01mm，計(jì)數(shù)器中的數(shù)就少了一個(gè)數(shù)。當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，感應(yīng)同步器檢測(cè)裝置發(fā)出的累計(jì)脈沖數(shù)正好等于指令脈沖數(shù)，計(jì)數(shù)器出現(xiàn)全“0”狀態(tài)，門電路關(guān)閉，工作臺(tái)就停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位。2.位置隨動(dòng)系統(tǒng)或稱連續(xù)控制系統(tǒng)，不僅要求在加工過程中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，而且要保證運(yùn)動(dòng)過程中逐點(diǎn)的定位精度，即對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡上的各點(diǎn)都要求能精確地跟蹤指令。例如龍門銃床，萬能銃床等加工凸輪、樣板和模具等曲線或曲面是就屬于這種情況。

圖12-7位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理方框圖"圖12-7是一種采用直流力矩電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件，采用鑒幅型方式工作的感應(yīng)同步器為檢測(cè)元件的位置隨動(dòng)系統(tǒng)。設(shè)開始時(shí)=a，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算機(jī)送來指令脈沖時(shí)，