12-13 數(shù)字式傳感器(1c) 2

1、2021-6-131 第第13章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 光柵光柵 莫爾條紋莫爾條紋 辨向原理辨向原理 直接編碼器直接編碼器 碼制碼制 碼制轉(zhuǎn)換碼制轉(zhuǎn)換 增量編碼器增量編碼器 工作原理工作原理 頻率式傳感器頻率式傳感器 石英晶體諧振式石英晶體諧振式傳感器傳感器 今今 日日 要要 點點 2021-6-132 第第13章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 將被測模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出的傳感器。將被測模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出的傳感器。 測量精度和分辨率更高測量精度和分辨率更高 抗干擾能力強，穩(wěn)定性好抗干擾能力強，穩(wěn)定性好 測量范圍大測量范圍大 易于與計算機接口實現(xiàn)智能化易于與計算機接口實現(xiàn)智能化 便于傳輸、

2、存儲和信號處理便于傳輸、存儲和信號處理 電路便于集成化電路便于集成化 優(yōu)點優(yōu)點 2021-6-133 數(shù)字傳感器的三大類數(shù)字傳感器的三大類 以脈沖形式輸出，如光柵以脈沖形式輸出，如光柵, ,磁柵等磁柵等 直接以數(shù)字量形式輸出，如直接編碼器直接以數(shù)字量形式輸出，如直接編碼器 以頻率形式輸出以頻率形式輸出 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 pa d e h i m l 數(shù)字傳感器數(shù)字傳感器 2021-6-134 13.1 光柵光柵 是上面有很多等節(jié)距的刻線均勻相間是上面有很多等節(jié)距的刻線均勻相間 排列的光器件排列的光器件 物理光柵：利用光的衍射現(xiàn)象物理光柵：利用光的衍射現(xiàn)象 計量光柵：利用光

3、柵的莫爾條紋計量光柵：利用光柵的莫爾條紋 應(yīng)用應(yīng)用：長度、角度的精密測量長度、角度的精密測量 一、光柵一、光柵 1、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和基本原理、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和基本原理 主要有主光柵、指示光柵和光路系統(tǒng)主要有主光柵、指示光柵和光路系統(tǒng) 2021-6-135 被被 測測 物物 莫爾莫爾 條紋條紋 移動移動 正弦正弦 波電波電 壓壓 脈脈 沖沖 輸輸 出出 方方 波波 位位 移移 x x 光柵光柵 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 光電元光電元 件轉(zhuǎn)移件轉(zhuǎn)移 整形整形 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換邏輯電邏輯電 壓轉(zhuǎn)換壓轉(zhuǎn)換 柵距柵距* *脈沖數(shù)脈沖數(shù) 2021-6-136 在指示光柵和標(biāo)尺光柵在指示光柵和標(biāo)尺光柵(動光柵動光柵)上刻有等間

4、上刻有等間 距條紋，刻線密度為距條紋，刻線密度為10條條/mm、25條條/mm、50條條 /mm、100條條/mm。 2、莫爾條紋的形成與特點、莫爾條紋的形成與特點 將主光柵與指示相對疊合在一起，使兩者光將主光柵與指示相對疊合在一起，使兩者光 柵線保持很小的角度，于是在近乎垂直柵線的方柵線保持很小的角度，于是在近乎垂直柵線的方 向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，即莫爾條紋。向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，即莫爾條紋。 13.1 光柵光柵 2021-6-137 莫爾條紋的形成莫爾條紋的形成 W B 2sin 2 W B 例如：例如：10 B344W則則 W W B 2021-6-138 莫爾條紋具有以下主要特

5、點：莫爾條紋具有以下主要特點： （1）移動方向：）移動方向： 指示光柵不動，主光柵指示光柵不動，主光柵向右向右移動，莫爾條紋移動，莫爾條紋向上向上 若主光柵左移，則莫爾條紋向下移動若主光柵左移，則莫爾條紋向下移動 指示光柵相對于主光柵形成一個指示光柵相對于主光柵形成一個順時針順時針方向夾方向夾 角角 （2）移動距離：）移動距離： 主光柵沿柵線垂直方向移動一個光柵柵距主光柵沿柵線垂直方向移動一個光柵柵距W 時，時， 莫爾條紋正好移動一個間距莫爾條紋正好移動一個間距B。 很小時：很小時：BW時，莫爾條紋具有放大作用時，莫爾條紋具有放大作用 （3）平均效應(yīng)：）平均效應(yīng)： 莫爾條紋具有減少光柵柵距局部

6、誤差的作用。莫爾條紋具有減少光柵柵距局部誤差的作用。 指示指示 光柵光柵 主光柵主光柵 移動移動 2021-6-139 光電轉(zhuǎn)換電壓與光柵位置的關(guān)系光電轉(zhuǎn)換電壓與光柵位置的關(guān)系 u u0 0 W/2W 理論上輸出理論上輸出 三角波三角波 U Uav av 實際波形可近實際波形可近 似描述為：似描述為： 0avm 2 uUU cos(x) W 13.1 光柵光柵 2021-6-1310 2021-6-1311 光柵尺技術(shù)參數(shù)光柵尺技術(shù)參數(shù) 機、電特性機、電特性 范范 圍圍 準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度2m,3m,5m 分辨力分辨力 5m（正弦波）（正弦波）,0.1m,0.2m,0.5m, 1m（電子細分，最高到

7、（電子細分，最高到50倍）倍） 測量長度測量長度 701020mm（每（每50mm一檔），一檔）， 11401840mm（每（每100mm一檔），一檔）， 20403040mm（每（每100mm一檔）一檔） 測量速度測量速度60M/分鐘分鐘 2021-6-1312 辨向原理辨向原理 光電元件光電元件 光柵光柵 1 2 Y1 A 無輸出無輸出 微分電路微分電路 非門非門 Y2 U1反相反相 u2超前超前u1 90 u2 u1 整形整形 電路電路 整形整形 電路電路 1 u 2 u 1 u 2 u 與門與門 2021-6-1313 辨向原理辨向原理 光電元件光電元件 光柵光柵 1 2 Y2 A 無

8、無 輸輸 出出 Y1 U1反相反相 u1超前超前u2 90 u2 u1 整形整形 電路電路 整形整形 電路電路 1 u 2 u 1 u 2 u 無輸出無輸出 2021-6-1314 細分技術(shù)細分技術(shù) 在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi), 發(fā)出若干個發(fā)出若干個 脈沖脈沖, 以減小脈沖當(dāng)量以減小脈沖當(dāng)量, 如一個周期內(nèi)發(fā)出如一個周期內(nèi)發(fā)出n脈沖脈沖, 即可使即可使提高提高n倍倍, 而每個脈沖相當(dāng)于原來而每個脈沖相當(dāng)于原來 柵距的柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高了。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高了n倍倍, 因此也稱之為因此也稱之為n倍頻。倍頻。 在上述辨向原理中可知在上述辨

9、向原理中可知, 在相差在相差BH/4位置上安位置上安 裝兩個光電元件裝兩個光電元件, 得到兩個相位相差得到兩個相位相差/2的電信號。的電信號。 若將這兩個信號反相就可以得到四個依此相差若將這兩個信號反相就可以得到四個依此相差/2 的信號的信號, 從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四 個計數(shù)脈沖個計數(shù)脈沖, 細分。細分。 （1）直接細分）直接細分 2021-6-1315 細分技術(shù)（細分技術(shù)（2） 電位器橋細分電位器橋細分 i R i R i u 1 e 2 e ii i12 iiii RR u =ee R +RR +R 1i2i ii e R +e R = R

10、 +R 22 iii R= (R ) +(R ) iii R =R sin iii R =R cos i i i R =tan R 1i2i i ii e cose sin u = cossin 1m2m e =U sin eU cos iimi u =KU cos() i ii 1 K = cossin i1,2,k 可得到可得到k個彼此相差個彼此相差 的正弦信號的正弦信號 ) 2 tan( k i R R i i k4 2 2021-6-1316 細分技術(shù)（細分技術(shù)（2） 電位器橋細分電位器橋細分 m -U cosm U sin m -U sin m U cos 1 1 U R 13 13

11、 R R 13 U 24 24 R R 24 U 37 U 48 U 25 U 36 U 37 37 R R 48 48 R R 36 R 25 R 25 R 36 R 1 R 12 U 12 R 12 R i i R360 tan(i) 48 R i1,2,48 2021-6-1317 2021-6-1318 2021-6-1319 13.2 編碼器編碼器 直接編碼器直接編碼器碼盤結(jié)構(gòu)碼盤結(jié)構(gòu)：（絕對式）絕對式） 直接將角位移或線性位移轉(zhuǎn)換為二元碼直接將角位移或線性位移轉(zhuǎn)換為二元碼 即：即：“0”或或“1” 增量編碼器增量編碼器脈沖盤結(jié)構(gòu)脈沖盤結(jié)構(gòu) 2021-6-1320 1.1.構(gòu)成：構(gòu)成

12、： 由光學(xué)玻璃制成的圓形碼盤，碼盤上刻有同由光學(xué)玻璃制成的圓形碼盤，碼盤上刻有同 心碼道，碼道上有亮區(qū)和暗區(qū)；心碼道，碼道上有亮區(qū)和暗區(qū)； 光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光通過狹縫形光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光通過狹縫形 成窄光束照射在光電元件上；成窄光束照射在光電元件上； 每個碼道有一個光電每個碼道有一個光電 元件，光電元件受光照為元件，光電元件受光照為 “0 0”，不受光照為，不受光照為“1 1”； 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1321 二進制碼、循環(huán)碼、二進制碼、循環(huán)碼、 十進制碼、六十進制碼、十進制碼、六十進制碼、 四位二進制碼，格雷碼。四位二進制碼，格雷碼。 2.2.碼制碼制

13、pa d e h i m l 1 1）四位二進制碼盤：）四位二進制碼盤： 最內(nèi)圈碼道為第一碼道，半圈透亮，半圈不透最內(nèi)圈碼道為第一碼道，半圈透亮，半圈不透 亮，對應(yīng)最高位亮，對應(yīng)最高位C C1 1 ； 最外圈為第最外圈為第n n碼道，共分成碼道，共分成2 2n n個亮暗間隔，對應(yīng)個亮暗間隔，對應(yīng) 最低位最低位C Cn n，最小分辨率為，最小分辨率為=360=360/2/2n n 1 1 2360Nc n i i i 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1322 當(dāng)狹縫對準(zhǔn)當(dāng)狹縫對準(zhǔn) a, b, c, p 置時置時 得到的數(shù)碼將是得到的數(shù)碼將是 0000, 0001, 0010 1111 a

14、b c p 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1323 2 2）二進制碼的缺點：）二進制碼的缺點： 由于黑白分界線刻劃由于黑白分界線刻劃 不精確造成粗誤差。不精確造成粗誤差。 a a C1 C2 C3 C4 0 0 0 0 1 1 1 1 a aa a 0111100001111000 理想位置是分界線理想位置是分界線aaaa 當(dāng)當(dāng)C1的黑白分界線為的黑白分界線為aa，轉(zhuǎn)動碼盤時，輸出由，轉(zhuǎn)動碼盤時，輸出由 01110000 1000，其中出現(xiàn)錯誤碼，其中出現(xiàn)錯誤碼“0000”； 當(dāng)當(dāng)C1的黑白分界線為的黑白分界線為a”a”，當(dāng)轉(zhuǎn)動碼盤時，輸出，當(dāng)轉(zhuǎn)動碼盤時，輸出 由由01111111 1

15、000，其中出現(xiàn)錯誤碼，其中出現(xiàn)錯誤碼“1111”。 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1324 不同不同 之處之處 第二道碼也是一半透光一半不透光第二道碼也是一半透光一半不透光 第第i i碼道分為碼道分為2 2i-1 i-1(i2) (i2)個黑白間隔個黑白間隔, ,如如i i2,2, 則等于則等于2 2；i i3 3，則等于，則等于4 4；i i4 4，則等于，則等于8 8 個間隔，個間隔， 第第i i碼道的黑白分界線與第碼道的黑白分界線與第i i1 1 碼道的黑折分界線錯開碼道的黑折分界線錯開360360/2/2i i(I2)(I2) 循環(huán)碼轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位循環(huán)碼轉(zhuǎn)到相

16、鄰區(qū)域時，編碼中只有一位 發(fā)生變化。發(fā)生變化。 3 3）循環(huán)碼盤）循環(huán)碼盤 相同相同 之處之處 碼道數(shù)等于數(shù)碼位數(shù)，碼道數(shù)等于數(shù)碼位數(shù)， 最小分辨率相同；最小分辨率相同； 最內(nèi)圈也是半圈透光，最內(nèi)圈也是半圈透光， 半圈不透光；半圈不透光； 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1325 十十 進進 制制 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 二二 進進 制制 C 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0

17、1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 11 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 循循 環(huán)環(huán) 碼碼 R 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 3.3.二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1326 二進制碼可轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼：二進制碼可轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼： 1iii RCC R1C1 + 不進位加法不進位加法 舉例：

18、舉例：二進制碼二進制碼循環(huán)碼循環(huán)碼 C1 C2 C3 C4 C1 C2 C3 R1 R2 R3 R4 + 0 1 1 0 0 1 1 + 1 1 1 0 1 1 1+ 0 1 0 11 0 0 1 13.2 編碼器編碼器 1iii CRC C1R1 RC CR 2021-6-1327 由二進制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路：由二進制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路： 1 1 C1 C2 R1 R2 R3 1 Rn Cn C3 Cn-1 串行轉(zhuǎn)換電路的工作過程為：串行轉(zhuǎn)換電路的工作過程為：D1置置0，即，即Q=0。Ci 端端C1，異或門，異或門D2輸出輸出R1C1 0C1； 隨后加隨后加CP，使，使QC1，在，在Ci

19、端加端加C2，異或門，異或門D2輸輸 出出R2 C2 C1，依次可得 ，依次可得R1，Rn。 11 iii1 RC RCC 1 CP RD D1 D2 Ri Q Ci D 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1328 由循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進制碼的電路：由循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進制碼的電路： R1 C1 C2 C3 Cn Rn R3 R2 CP RD D Ci Ri K J Q 11 iii1 CR CRC 1 1 1 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1329 串行轉(zhuǎn)換電路的工作過程為：串行轉(zhuǎn)換電路的工作過程為： 將將JK觸發(fā)器觸發(fā)器D復(fù)復(fù)0，Q0，R1加到加到J，K，再加，再加CP 脈沖，則脈沖，

20、則QC1R1； 設(shè)設(shè)Q端為端為Ci 1， ，J、k端加端加Ri； ； 當(dāng)當(dāng)Ri“1”，則加，則加CP后，后，Qi-1， 當(dāng)當(dāng)Ri“0”，則加，則加CP后，后，QC i-1， C iiiiiii RCCRCRCQ 111 已知已知Ri，則將其轉(zhuǎn)換成，則將其轉(zhuǎn)換成Ci值值 其邏輯關(guān)系為：其邏輯關(guān)系為： CP RD D Ci Ri K J Q 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1330 13.2 編碼器編碼器 絕對式絕對式編碼器編碼器 15PAL8 實心軸實心軸 二進制碼或二進制碼或 格雷碼格雷碼 8位位 9位位 10位位 16PAL110 實心軸實心軸 二進制碼或二進制碼或 格雷碼格雷碼 8位

21、位 9位位 10位位 11 位位 17PZX10 實心軸實心軸 循環(huán)二進制循環(huán)二進制 碼碼 180分度分度 18PNL6 8 實心軸實心軸格雷碼格雷碼4 6 8 10 12 工位工位 2021-6-1331 1 1） 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1332 2 2）工作原理）工作原理 脈沖式數(shù)字傳感器一般只有脈沖式數(shù)字傳感器一般只有3道碼道，光電道碼道，光電 元件也只有元件也只有3個。個。 最外圈碼道上：提供初始的零位脈沖最外圈碼道上：提供初始的零位脈沖 中間一圈：增量碼道中間一圈：增量碼道 最最 里里 圈：辨向碼道圈：辨向碼道 增量編碼器的分辨率：增量編碼器的分辨率： m 0 1 3

22、60 13.2 編碼器編碼器 2021-6-1333 m 0 1 360 增量編碼器原理演示增量編碼器原理演示 順時針旋轉(zhuǎn)式超前順時針旋轉(zhuǎn)式超前 2021-6-1334 m 0 1 360 增量編碼器原理演示增量編碼器原理演示 逆時針旋轉(zhuǎn)時滯后逆時針旋轉(zhuǎn)時滯后 2021-6-1335 m 0 1 360 2021-6-1336 m 0 1 360 2021-6-1337 A B20 空心軸空心軸PKT78 A B1530 空心軸空心軸PKT66 A B Z17 1:10 錐度空心軸錐度空心軸PIS4 A B Z8 10 半空心軸半空心軸PHE A B Z6 實心軸實心軸PIM A B Z56開

23、心槽開心槽PID A B Z15 12 實心軸實心軸PZF PIF A B Z8 10 實心軸實心軸 PIE3 10 20 30 40 50 60 90 100 120 125 150 240 256 300 320 360 400 500 512 600 720 750 800 900 1000 1016 1024 1080 1200 1250 1270 1500 1600 1800 2000 2048 2160 2400 2500 3600 4096 5000 7200 8000 8192 A B Z5 6 8 10 實心軸實心軸PIE 脈沖數(shù)脈沖數(shù)輸出信號輸出信號軸徑軸徑型號型號 增增

24、量量 式式 光光 電電 編編 碼碼 器器 2021-6-1338 n一個增量編碼器每圈一個增量編碼器每圈2000個刻度個刻度(脈沖脈沖)，問現(xiàn)，問現(xiàn) 檢測到檢測到1000個脈沖，問轉(zhuǎn)過的角度？若個脈沖，問轉(zhuǎn)過的角度？若1秒檢測秒檢測 60000脈沖，問轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)脈沖，問轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）？分）？ n已知長光柵的柵距為已知長光柵的柵距為10m，標(biāo)尺光柵與指示光，標(biāo)尺光柵與指示光 柵的夾角為柵的夾角為0.1度，計算摩爾條文的寬度。當(dāng)標(biāo)度，計算摩爾條文的寬度。當(dāng)標(biāo) 尺移動尺移動50m時，摩爾條紋移動多少距離？時，摩爾條紋移動多少距離？ n一增量式光電脈沖編碼器輸出兩路方波信號一增量式光電脈沖編碼器輸出兩路方波信號u1、 u2， u1、u2相位差為相位差為/2，試設(shè)計辯向電路，試設(shè)計辯向