光電碼盤式傳感器課件

1、光電碼盤式傳感器編碼器主要內(nèi)容什么是編碼器編碼器的種類 編碼器的主要組成部分增量編碼器的原理絕對值編碼器的原理編碼器的機(jī)械安裝編碼器的在產(chǎn)品中的應(yīng)用.介紹 什么是編碼器?編碼器是一個機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測量器件。它通過光電原理或電磁原理將一個機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換為電子信號（電子脈沖信號或者數(shù)據(jù)串）。這種電子信號通常需要連接到控制系統(tǒng)(PLC、高速計數(shù)模塊、變頻器等),控制系統(tǒng)經(jīng)過計算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度、速度、位置的測量。介紹編碼器種類編碼器的分類按測量方式的分類： 旋轉(zhuǎn)編碼器 1、接觸式 2、電磁式 3、光電式等 直尺編碼器按編碼方式的分類：

2、 絕對式編碼器 增量式編碼器 混合式編碼器編碼器的前身接近開關(guān)-（齒輪傳感器）接近傳感器的安裝接近傳感器的信號輸出光電編碼器光電編碼器的基本部件電氣輸出短路保護(hù)反極性保護(hù)放大電路抗干擾電路等數(shù)據(jù)輸出 增量/絕對值機(jī)械系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸安裝法蘭+附件軸承系統(tǒng)支架外殼數(shù)據(jù)掃描系統(tǒng)LED光源&光敏電阻/永磁&霍爾元件增量碼盤/絕對值碼盤數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)光電編碼器光電編碼器讀出原理發(fā)光二極管光電二極管輸出型號柵格,慮光鏡碼盤光電編碼器光電編碼器結(jié)構(gòu)原理絕對值和增量編碼器的區(qū)別 -碼盤的不同是本質(zhì)的區(qū)別 增量編碼器絕對值編碼器傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時一般應(yīng)用于角

3、度測量及往復(fù)運動在卷揚機(jī)和探尺控制中一般作為位置反饋一般用來測試速度與方向在卷揚機(jī)和探尺控制中一般作為電機(jī)的速度反饋也可以用角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息丟失增量編碼器顯示速度與旋轉(zhuǎn)方向顯示角度位置(脈沖累計)角度測量時，如果電源出現(xiàn)故障,所有的位置信息丟失分辨率通過每轉(zhuǎn)多少脈沖表示增量編碼器脈沖盤設(shè)計圖增量信號可以達(dá)到10000 脈沖/圈 A/ B/ 0通道 反相同道0脈沖參考信號編碼器碼盤的設(shè)計:一般采用以下3種材質(zhì) 玻璃碼盤適宜于高精度,鎳和塑料碼盤適宜于中等精度通道Z增量編碼器輸出信號：3通道信號在雙通道編碼器的基礎(chǔ)上增加了一個零位信號，用于基準(zhǔn)點定位一般測長度使用該信號，

4、測速一般不使用該信號。 信號輸出如圖： 可以測試速度 可以測試旋轉(zhuǎn)方向 可以定位通道A通道 B增量編碼器的產(chǎn)品范圍光電式增量編碼器多種外型尺寸24, 30, 40, 58, mm軸型編碼器BTIV, BDK, BDT, 通孔型編碼器BHF, BHG, BHW, 盲孔型編碼器BTIH, BHK, BHT, 絕對值編碼器應(yīng)用于角度測量及往復(fù)運動的測量在0360的每一個角度位置傳輸一個唯一的信號 (單圈)在測量的圈數(shù)中，每一圈，每一個位置都有唯一的信號（多圈）即使在掉電或者電源出現(xiàn)故障時,位置信息一直可用.不必復(fù)零 !碼盤材質(zhì)一般為玻璃或高分子材料！Bit 1Bit 2Bit nselectF/R*

5、strobeshaft infraredtransmitter-LEDpulse diskphoto diodearrayonly for absolute encoderwith code convertercompa-ratorsmemorycode-converteroutputdriver數(shù)據(jù)盤設(shè)計圖絕對輸出信號分辨率達(dá)到18BIT的絕對信號格雷碼與二進(jìn)制碼輸出ASIC光電編碼01111100絕對值單圈和多圈編碼器單圈絕對編碼器傳輸一圈內(nèi)唯一的信號 (0360)單轉(zhuǎn)的位置來源于碼盤或霍爾傳感器多圈絕對編碼器傳輸完整的一圈后繼續(xù)計數(shù).計數(shù)靠電池緩沖記憶多圈絕對編碼器一般范圍可達(dá)到4096

6、轉(zhuǎn)，單圈分辨率8196（25位）.鋰電池霍爾傳感器磁簧繼電器光電絕對多圈編碼器N透鏡脈沖盤光電-ASIC磁鐵傳感器軸LEDASIC數(shù)據(jù)鋰電池cw/ccw, 零位設(shè)置, 電池檢測機(jī)械機(jī)械接口盲孔軸套編碼器軸徑 1.5 .50,8 mm外殼直徑 24.80 mm安裝附件豐富軸型編碼器軸徑 4.12 mm外殼直徑 24.89 mm夾緊或者伺服法蘭安裝附件豐富通孔軸套編碼器軸徑 1.5 .110 mm外殼尺寸 58.227 mm安裝附件豐富機(jī)械編碼器安裝version 1:外殼固定，使用柔性聯(lián)軸器coupling適配器板機(jī)械編碼器安裝類型 2:外殼固定，使用柔性聯(lián)軸器伺服法蘭連軸器編碼器安裝類型 3:

7、外殼固定，使用柔性聯(lián)軸器機(jī)械編碼器安裝類型 3:外殼可移動, 軸固定，通過銷釘力矩安裝螺絲(盲孔)力矩銷/力矩 彈片機(jī)械編碼器安裝機(jī)械編碼器壽命的影響軸負(fù)載轉(zhuǎn)速溫度振動聯(lián)軸器可以減輕振動，矯正垂直度、同心度不好等問題垂直度矯正 同心度矯正 lifetime600050004000300020001000020406080100120axial force = 50 Nx1000000 rev.Radial force in N編碼器電氣接口并口方便:每一位對應(yīng)一根線位數(shù)越高,價格越貴SSI (同步串行接口)點對點連接高的數(shù)據(jù)速率現(xiàn)場總線系統(tǒng)ProfibusCANopenDeviceNetEth

8、erCAT光電編碼器客戶對光電編碼器的需求電氣接口標(biāo)準(zhǔn)輸出電路短路保護(hù)符合 電磁兼容性 (CE)標(biāo)準(zhǔn)連接方式軸可承受高的軸負(fù)載機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)較高的防護(hù)等級嚴(yán)密的機(jī)械冗余安裝簡單光電式讀出高分辨率 參考信號 (增量式)判定旋轉(zhuǎn)方向精確掃描讀出系統(tǒng)編碼器的等級經(jīng)濟(jì)性和標(biāo)準(zhǔn)型編碼器： 軸承 外殼密封 溫度等級 輸出信號與電源電磁兼容性內(nèi)部零件：檢測程序與標(biāo)準(zhǔn)及最后的成本磁電作用 被測非電量電信號測量電路U、I 磁電式傳感器 磁電式傳感器的定義 通過磁電作用，被測非電量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。磁電式傳感器的感測量 磁場、速度、位移、加速度、壓力、電流等。磁電式傳感器的種類 根據(jù)工作原理：感應(yīng)式、霍爾式和磁敏式

9、等。磁電感應(yīng)式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。有源傳感器：不需要輔助電源，就能把被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號。特點：輸出功率大，性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（101000 Hz）。一、磁電感應(yīng)式傳感器概述磁電感應(yīng)式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場中，沿垂直磁場方向運動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為 B穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；l導(dǎo)體有效長度；v導(dǎo)體相對磁場的運動速度。 二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理1、恒磁通式工作原理變磁通式恒磁通式分類感生電動勢原理動生電動勢原理磁電感應(yīng)式傳感器磁路系統(tǒng)產(chǎn)生恒定的磁場，磁路中的工作氣隙固定不變

10、，因而氣隙中磁通也是恒定不變的。 二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理1、恒磁通式工作原理彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大。當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動頻率足夠高（遠(yuǎn)大于傳感器固有頻率）時，運動部件慣性很大，來不及隨振動體一起振動，近乎靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收。永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度，磁鐵與線圈的相對運動切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。磁電感應(yīng)式傳感器當(dāng)一個W匝線圈相對靜止地處于隨時間變化的磁場中時，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢E與磁通變化率d/dt關(guān)系為二、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理2、變磁通式工作原理1永久磁鐵； 2軟磁鐵；3感應(yīng)線圈； 4鐵齒輪；開磁路變

11、磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。 磁電感應(yīng)式傳感器當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，Rf為測量電路輸入電阻，R為線圈等效電阻，則磁電傳感器的輸出電流和電壓為 三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性1、磁電傳感器的靈敏度傳感器的輸出電流和電壓靈敏度分別靈敏度為 靈敏度相對誤差為 靈敏度誤差：工作溫度變化、外界磁場干擾、機(jī)械振動或沖擊，靈敏度會變化。 磁電感應(yīng)式傳感器磁電式傳感器

12、產(chǎn)生非線性誤差的主要原因：電流磁場效應(yīng)。三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性2、磁電傳感器的非線性誤差傳感器線圈內(nèi)流過電流時，產(chǎn)生一定的交變磁通，疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的工作磁通上，使恒定的氣隙磁通變化。當(dāng)傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時，產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。傳感器電流的磁場效應(yīng) 磁電感應(yīng)式傳感器三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性2、磁電傳感器的非線性誤差當(dāng)線圈的運動速度反向時，感應(yīng)電勢、線圈感應(yīng)電流反向，所產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場同向，從而增大了傳感器的靈敏度。因此，線圈運動速度方向不同時，傳感器的靈敏度具有不

13、同的數(shù)值，使傳感器輸出基波能量降低，諧波能量增加, 即這種非線性特性同時伴隨著傳感器輸出的諧波失真。 傳感器靈敏度越高，線圈中電流越大，這種非線性越嚴(yán)重。 傳感器電流的磁場效應(yīng) 磁電感應(yīng)式傳感器三、磁電感應(yīng)式傳感器基本特性3、磁電傳感器的溫度誤差當(dāng)溫度變化每攝氏度時，對銅線變化量為dl/l0.16710-4, dR/R0.4310-2，dB/B的變化量決定于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金，dB/B-0.0210-2，靈敏度隨溫度變化誤差為這一數(shù)值是很可觀的，需要進(jìn)行溫度補償。熱磁分流器補償：熱磁分流器由具有很大負(fù)溫度系數(shù)的特殊磁性材料做成。在正常工作溫度下已將空氣隙磁通分掉一小部分。當(dāng)

14、溫度升高時，熱磁分流器的磁導(dǎo)率顯著下降，經(jīng)分流掉的磁通占總磁通的比例較正常工作溫度下顯著降低，從而保持空氣隙的工作磁通不隨溫度變化，維持傳感器靈敏度為常數(shù)。 四、磁電感應(yīng)式傳感器測量電路 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出電動勢，且通常具有高的靈敏度，一般不需要高增益放大器。磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，若要獲得被測位移或加速度信號，則需配用積分電路或微分電路。在驅(qū)動源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤。磁電傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應(yīng)線圈和鐵芯組成。一、磁電式扭矩傳感器磁電式傳感器應(yīng)用當(dāng)齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時，圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化，在線圈中感應(yīng)出交流電壓， 其頻率在數(shù)值上等

15、于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積。檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一?；魻柶骷龀筛鞣N形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。二、霍爾元件檢測磁場磁電式傳感器應(yīng)用電位差計mAESNR霍爾磁敏傳感器測磁場原理A光電器件 被測非電量電信號測量電路U、I 光電式傳感器 光電式傳感器的定義 以光電器件或傳播光路為敏感元件，將被測量通過光信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號變化的傳感器。光電式傳感器的物理基礎(chǔ)和組成 物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。光源、光學(xué)元件和光電元件三部分。光電式傳感器的感測量 位移、振動、壓力、加速度、液位、成分含量等。光電式傳感器的種類 根據(jù)

16、工作原理：內(nèi)光電效應(yīng)型和外光電效應(yīng)型。光波：波長10106nm電磁波。可見光波長：380780nm；紫外線波長：10380nm；紅外線波長：780106nm。一、光的特性1 光的特性與光源光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。光的粒子性：光是以光速運動著的粒子（光子）流，一束頻率為的光由能量相同的光子所組成，每個光子的能量為光的頻率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大。電磁波譜圖二、常用光源1 光的特性與光源常用光源發(fā)光器件物體輻射光白熾光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光器GaP、SiC可見光LEDGaAs紅外LED二、常用光源1 光的特性與光源808 nm 大功率LD650 nm LD1

17、.55 um LD模塊一、光電效應(yīng)基本概念2 光電效應(yīng)金屬金屬氧化物半導(dǎo)體光照 電子光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)光照半導(dǎo)體 電子在物體內(nèi)部運動外光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照電子逸出物體表面外光電效應(yīng)：物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。二、外光電效應(yīng)（3）逸出的光電子具有動能。（4）從光照至發(fā)射電子，時間 10-9 s。愛因斯坦光電效應(yīng)方程： （1）光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功。（2）入射光頻譜成分一定時，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比。8.2 光電效應(yīng)光敏電阻：內(nèi)光電效應(yīng)

18、器件。三、光敏電阻基本結(jié)構(gòu)：在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。3 光電器件1、基本結(jié)構(gòu)與工作原理工作原理：光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。（1）光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。在透明玻璃外殼中，PN結(jié)裝在管的頂部，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時反向電流很小，稱為暗電流；光照射在PN結(jié)上，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對，在PN結(jié)處內(nèi)電場作用下定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏晶體管工作原理：基于光生伏特效應(yīng)。 3 光電器件四、光敏二極管和光敏三極管

19、 1、結(jié)構(gòu)與原理因此，光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。 （2）光敏三極管與一般晶體管相似，具有兩個PN結(jié)，只是發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。3 光電器件四、光敏二極管和光敏三極管 1、結(jié)構(gòu)與原理光敏二極管光敏三極管大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時，在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。 （3）達(dá)林頓光敏管光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場合，需采用達(dá)林

20、頓光敏管。3 光電器件四、光敏二極管和光敏三極管 1、結(jié)構(gòu)與原理達(dá)林頓光敏管的等效電路：一個光敏晶體管和一個晶體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集成器件。增加了一級電流放大，輸出電流能力大大加強(qiáng)，甚至可不必經(jīng)過進(jìn)一步放大，便可直接驅(qū)動靈敏繼電器。但無光照時暗電流也增大，因此適合于開關(guān)狀態(tài)或位式信號的光電變換。 光電開關(guān)：利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關(guān)”信號的器件。3 光電器件光電開關(guān)透射式光電開關(guān)：發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體經(jīng)過時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，起到了檢測作

21、用。反射式光電開關(guān)：發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點：小型、高速、非接觸，與TTL、 MOS等電路容易結(jié)合。4光電式傳感器應(yīng)用光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等相繼應(yīng)用，使光電式傳感器在檢測和控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。光電式傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。4 光電式傳感器應(yīng)用一、光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時，質(zhì)量塊M對光纖作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變，進(jìn)而反射光相位發(fā)生變化。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光