傳感器_06數(shù)字式傳感器課件

1、傳感器原理及應用2014年5月9日Principles and Applications of Transducer機械與汽車工程學院機械與汽車工程學院 主主 講：黃海鴻講：黃海鴻 電電 郵：郵： 地地 址：機械樓址：機械樓417室室1第六章 數(shù)字式傳感器n模擬式傳感器：需要A/D轉(zhuǎn)換裝置n數(shù)字式傳感器：將被測參數(shù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出n具有很高的測量精度，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的快速化、自動化和數(shù)字化，易于與微處理機配合，組成數(shù)控系統(tǒng)，在機械工業(yè)的生產(chǎn)和自動測量，在機電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用n第一節(jié) 碼盤式傳感器n第二節(jié) 光柵式傳感器26.1 碼盤式傳感器n光學碼盤式傳感器n用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)

2、換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件n光電碼盤安裝在光源與光敏元件之間，光源通過窄縫照射在某個半徑的碼盤上，碼盤后方沿此半徑安裝多個(視位數(shù)而定)光敏元件，便可得到并行輸出信號光源柱面鏡碼盤狹縫光電元件36.1 碼盤式傳感器n光電編碼器的碼盤通常是一塊光學玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的圖形（形成透光和不透光區(qū)）n光經(jīng)光學系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上，并與位于碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合n碼盤上的碼道數(shù)就是該碼盤的數(shù)碼位數(shù)，對應每一碼道有一個光敏元件 光電元件的排列與碼道一一對應光源柱面鏡碼盤狹縫光電元件平行光光脈沖電脈沖46.1 碼盤式傳感器n絕對編碼器的碼盤n圖中為一個6位的二

3、進制碼盤。最內(nèi)圈稱為C6碼道，一半透光、一半不透光。最外圈稱為C1 碼道，一共分成2664個黑白間隔。每一個角度方位對應于不同的編碼。例如零位對應于000000 (全黑)，第23個方位對應于 (010111)。測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動的中間過程無關。6位二進制碼盤(6個碼道)最小分辨最小分辨率？率？1 分辨率：分辨率：20-21位碼盤，碼盤位碼盤，碼盤約約400-500mm，外圈間隔約，外圈間隔約1um56.1 碼盤式傳感器n絕對編碼器n絕對碼編碼器相對于內(nèi)部參考，能給出與可動單元或圓盤的每個可分辨位置相對應的唯一數(shù)字輸出?？蓜訂卧删哂忻黠@特性并用二進制值0或

4、1表示的區(qū)域構成。它們的編碼帶排列可以使計讀系統(tǒng)直接給出與每個位置相對應的編碼數(shù)。每個編碼帶對應于一個輸出位，最里面的編碼帶對應于最高有效位。光源：紅外發(fā)光二極管光電探測器：光電晶體管或光電二極管66.1 碼盤式傳感器n絕對編碼器的特點n在被測轉(zhuǎn)角不超過360情況下，絕對型編碼器的碼盤所提供的是轉(zhuǎn)角的絕對值，即從起始位置（對應于輸出各位皆為零的位置）所轉(zhuǎn)動的角度。在應用中如遇停電，恢復供電后的顯示值仍然能正確地反映當時角度。n當被測轉(zhuǎn)角大于360時，絕對型碼盤將變成增量型碼盤。為了在測大轉(zhuǎn)角時仍能得到轉(zhuǎn)角絕對值，可以用兩個或多個碼盤借助機械減速器配合起來，擴大角度量程。但是，在這種情況下轉(zhuǎn)速低

5、的高位碼盤必須制作得相當精密，其角度誤差應該比轉(zhuǎn)速高的低位碼盤末位有效值還要小，否則讀數(shù)將失去意義。7 如圖所示是光學碼盤測角儀的原理圖。光源如圖所示是光學碼盤測角儀的原理圖。光源1 1通過大孔徑非球面通過大孔徑非球面聚光鏡聚光鏡2 2形成均勻狹長的光束照射到碼盤形成均勻狹長的光束照射到碼盤3 3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫置，位于狹縫4 4后面的一排光電元件后面的一排光電元件5 5輸出相應的電信號。該信號經(jīng)放輸出相應的電信號。該信號經(jīng)放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當量變換，最后進行譯碼顯示。糾錯電路和大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當量變換，最后進行譯碼顯示。糾錯電路和寄存電

6、路在需要時采用。寄存電路在需要時采用。n絕對編碼器的應用：光學碼盤測角儀6.1 碼盤式傳感器86.1 碼盤式傳感器n增量編碼器n由位置待定元件驅(qū)動的直尺或低慣性圓盤組成。n碼盤只有一個數(shù)據(jù)環(huán)，且由等寬度的黑白徑向條紋構成，則碼盤轉(zhuǎn)動時可產(chǎn)生串行光脈沖，用脈沖計數(shù)器將脈沖數(shù)累加起來也能反映轉(zhuǎn)過的角度大小。但一遇停電就會把累加脈沖數(shù)丟失，必須有停電記憶措施。直線和旋轉(zhuǎn)增量直線和旋轉(zhuǎn)增量位置編碼器位置編碼器優(yōu)點：結(jié)構簡單，只優(yōu)點：結(jié)構簡單，只要一個分得足夠細的要一個分得足夠細的數(shù)據(jù)環(huán)和一個光敏元數(shù)據(jù)環(huán)和一個光敏元件，便可工作。件，便可工作。96.1 碼盤式傳感器n增量編碼器n應用n編碼圓盤的常用直徑

7、為25 mm90 mm。直線增量編碼器能以達0.5 um/周期的分辨率和達50 um的精度對位置進行測量。n通常用于位置控制。例如：磁盤和磁帶驅(qū)動器的讀寫頭定位，打印機、復印機和傳真機中的紙定位，自動機床中刀具的定位以及尺寸大小的計量。小型旋轉(zhuǎn)編碼裝置由于壽命較長而可以取代儀器面板上的控制電位器。n缺點n每當斷電或在剛一通電之后便丟失位置信息。 n不能檢測移動方向，除非增添輔助部件。為了辨向，往往要將兩個光敏元件裝在相距一定角度的位置上，根據(jù)受光時刻的先后辨別方向。106.1 碼盤式傳感器n增量編碼器n光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽

8、暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。n設A相比B相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。節(jié)距鑒向盤零位計數(shù)使用鑒向器進行相位比較116.1 碼盤式傳感器n增量編碼器的使用nDSP定時向工控機發(fā)送脈沖數(shù)值n工控機程序： EncCounter = (ReceiveInfoi.Data48) +(ReceiveInfoi.Data5); EncValue = (ReceiveInfoi.Data68) +(Rece

9、iveInfoi.Data7); WholeValue = EncCounter*60000 + EncValue;轉(zhuǎn)動圈數(shù)當前脈沖數(shù)總脈沖數(shù)126.1 碼盤式傳感器n編碼器形狀n長春一光（）空心軸編碼器實心軸編碼器注意：安裝時，要避免與編碼器剛性連接！注意：安裝時，要避免與編碼器剛性連接！ 136.1 碼盤式傳感器n增量編碼器的應用n測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角146.1 碼盤式傳感器n增量編碼器的應用n在印染行業(yè)中的應用n雙心軸編碼器 156.1 碼盤式傳感器n編碼器的應用n校直機166.1 碼盤式傳感器n編碼器的應用nOMRONnhttp:/ 光柵式傳感器n光柵n由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻

10、相間排列構成的光器件。n按工作原理，分為物理光柵和計量光柵。前者的刻線比后者細密。n物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象，通常用于光譜分析和光波長測定等方面。n計量光柵即光柵式傳感器，利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，廣泛應用于位移的精密測量與控制中。分為透射光柵和反射光柵。衍射光柵186.2 光柵式傳感器n光柵式傳感器類型n根據(jù)結(jié)構分類n長光柵，用于測量線位移n圓光柵，用于測量角位移n根據(jù)原理分類n透射光柵是在一塊長方形的光學玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。圖中a為刻線寬度，b為刻線間的縫隙寬度，a+bW 稱為光柵的柵距(或光柵常數(shù))n反射光柵196.2 光柵式傳感器n光柵式傳感器組成n光源

11、、聚光鏡、光柵副和光電接收元件n光柵副由標尺光柵(也稱主光柵)和指示光柵組成。標尺光柵與指示光柵之間保持有一定的間隙。指示光柵一般比標尺光柵短得多，通常刻有與主光柵同樣密度的線紋n當標尺光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，并用數(shù)字顯示，從而測量出標尺光柵的移動距離平行光206.2 光柵式傳感器n莫爾條紋n標尺光柵與指示光柵成某一較小夾角疊放時，在近于垂直柵線方向上形成明暗相間的條紋（在a-a線上兩光柵的柵線彼此重合，光線從縫隙中通過，形成亮帶；在b-b線上，兩光柵的柵線彼此錯開，形成暗帶）n莫爾條紋的半寬度BH

12、由光柵柵距W與兩光柵的夾角決定。注意：條紋間距（寬度）BWWBCABBH2sin22sin21n莫爾條紋技術的特點n調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。n莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。n光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。 n因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。 6.2 光柵式傳感器WWBCABBH2sin22sin226.2 光柵式傳感器n測量過程（單點信號檢測）n

13、當標尺光柵與指示光柵有相對運動時，莫爾條紋也作同步移動。由于條紋間距B遠大于光柵柵距W，柵距被放大許多倍。光電元件測出莫爾條紋的移動，通過脈沖計數(shù)得到位移的度量。n莫爾條紋的光強度變化近似為正弦變化。236.2 光柵式傳感器n測量過程n在a位置，兩塊光柵刻線重疊，透過的光最多，光強最大；在位置c，光被遮去一半，光強減?。辉谖恢胐，光被完全遮去而成全黑，光強為零。光柵繼續(xù)右移；在位置e，光又重新透過，光強增大。在理想狀態(tài)時，光強的變化與位移成線性關系。但在實際應用中兩光柵之間必須有間隙，透過的光線有一定的發(fā)散，達不到最亮和全黑的狀態(tài)；再加上光柵的幾何形狀誤差，刻線的圖形誤差及光電元件的參數(shù)影響，

14、所以輸出波形是一近似的正弦曲線。如何辨別運動方向？如何辨別運動方向？24徑向光柵進行角度測量徑向光柵進行角度測量 當標尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時，條紋即沿徑向移動，測出當標尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時，條紋即沿徑向移動，測出條紋移動數(shù)目，即可得到標尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。條紋移動數(shù)目，即可得到標尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。 6.2 光柵式傳感器25透射式光路透射式光路( (常用光路常用光路) )1-光源光源2-準直透鏡準直透鏡3-主光柵主光柵4-指示光柵指示光柵5-光電元件光電元件 此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。 特點：特點：結(jié)構簡單，位置緊湊，調(diào)整

15、使用方便，應用廣泛。結(jié)構簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應用廣泛。6.2 光柵式傳感器266.2 光柵式傳感器n應用光柵線位移傳感器nKG1型開式光柵線位移傳感器是一種高精度測量裝置，它同光柵數(shù)顯表配合組成長度測量系統(tǒng)，廣泛應用于機床、儀器、儀表的精密檢測。其特點為開啟式結(jié)構，即掃描頭與光柵標尺分離，間隙由機床（儀器）本身導軌保證，經(jīng)調(diào)試后可獲得高精度。該傳感器采用100線/mm的高精度光柵，輸出兩路相位差90的正弦波信號。其測量范圍大、精度高、使用方便，適用于各類高精度測量儀器，如測長機和高精度數(shù)控加工機械，可配接光柵數(shù)顯表配合光柵計數(shù)卡接計算機使用。276.2 光柵式傳感器n應用光學機械式鼠

16、標位移檢測n是在純機械式鼠標基礎上進行改良，通過引入光學技術來提高鼠標的定位精度。光機鼠標也有一個膠質(zhì)的小滾球，連接著X、Y轉(zhuǎn)軸，但不再有圓形的譯碼輪，代之的是兩個帶有柵縫的光柵碼盤，并且增加了發(fā)光二極管和感光芯片。當鼠標在桌面上移動時，滾球會帶動X、Y轉(zhuǎn)軸的兩只光柵碼盤轉(zhuǎn)動，而X、Y發(fā)光二極管發(fā)出的光便會照射在光柵碼盤上，由于光柵碼盤存在柵縫，在恰當時機二極管發(fā)射出的光便可透過柵縫直接照射在兩顆感光芯片組成的檢測頭上。如果接收到光信號，感光芯片便會產(chǎn)生“1”信號，若無接收到光信號，則將之定為信號“0”。接下來，這些信號被送入專門的控制芯片內(nèi)運算生成對應的坐標偏移量，確定光標在屏幕上的位置。2

17、8尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭 （與移動部件固定）（與移動部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動電纜可移動電纜光柵的外形及結(jié)構光柵的外形及結(jié)構防塵保護罩的內(nèi)部為長光柵防塵保護罩的內(nèi)部為長光柵6.2 光柵式傳感器29掃描頭掃描頭（與移動部件固定）（與移動部件固定）光柵尺光柵尺可移動電纜可移動電纜光柵的外形及結(jié)構（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構（續(xù)）6.2 光柵式傳感器30反反射射式式光光柵柵6.2 光柵式傳感器31透透射射式式光光柵柵6.2 光柵式傳感器32透透射射式式圓圓光光柵柵固定固定6.2 光柵式傳感器336.2 光柵式傳感器34數(shù)顯表數(shù)顯表6.2 光柵式傳感器356.2 光柵式傳感器36X位移位移顯示顯示Y位移位移顯示顯示6.2 光柵式傳感器376.2 光柵式傳感器38比較比較電路電路驅(qū)動驅(qū)動裝置裝置伺服伺服電動機電動機信號處理電路信號處理電路工作臺工作臺光柵光柵傳感器傳感器位置指令位置指令PcPe位置偏差位置偏差位置反饋位置反饋Pf數(shù)控機床的位置控制系統(tǒng)數(shù)控機床的位置控制系統(tǒng) 6.2 光柵式傳感器39防護罩內(nèi)為直線光柵防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭光柵掃描頭被加