chapter6 數(shù)字傳感器-編碼器090802課件

Chapter6

數(shù)字式傳感器6.1轉(zhuǎn)角-數(shù)字編碼器(AngleDigitalEncoder)檢測(cè)技術(shù)數(shù)字傳感器的特點(diǎn)精確度和分辨力高；抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳輸；信號(hào)易于計(jì)算機(jī)處理和存貯；可以減少讀數(shù)誤差。數(shù)字傳感器的分類根據(jù)工作原理分為：脈沖數(shù)字式傳感器如光柵傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵傳感器等頻率輸出式數(shù)字傳感器如振弦式、振筒式和振膜式傳感器

編碼器(Encoder)

機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量(位移)數(shù)字信號(hào)(代碼)

編碼器：碼盤（測(cè)角度）和碼尺（測(cè)長(zhǎng)度）

6.1碼盤式傳感器6.1碼盤式傳感器編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對(duì)編碼器)接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器6.1碼盤式傳感器增量編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時(shí))累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)，才能完成角位移測(cè)量。絕對(duì)編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)（如微機(jī)）連接。

6.1碼盤式傳感器圖6-1

a）接觸式b）光電式1光源2透鏡3碼盤4狹縫5光電元件6電刷7激勵(lì)軌道6.1碼盤式傳感器接觸式二進(jìn)制碼盤很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。例如，當(dāng)電刷由位置(0111)向位置(1000)過(guò)渡時(shí)，若電刷安裝位置不準(zhǔn)或接觸不良，就可能會(huì)出現(xiàn)815之間的任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)，這種誤差稱為非單值性誤差。為了消除這種誤差,可采用雙電刷掃描或循環(huán)碼。6.1.1工作原理光學(xué)碼盤

光學(xué)碼盤式傳感器是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。圖6-2光學(xué)碼盤式傳感器基本結(jié)構(gòu)圖6.1.1工作原理碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盤構(gòu)造如圖6-3所示，它是一個(gè)6位二進(jìn)制碼盤。圖6-3碼盤構(gòu)造6.1.1工作原理當(dāng)光源將光投射在碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，通過(guò)亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)，前者為“1”，后者為“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時(shí)，光敏元件輸出信號(hào)的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。6.1.2碼制與碼盤編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼等。對(duì)于圖6-3所示的6位二進(jìn)制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個(gè)黑白間隔。每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。例如零位對(duì)應(yīng)于000000(全黑)；第23個(gè)方位對(duì)應(yīng)于010111。這樣在測(cè)量時(shí)，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。6.1.2碼制與碼盤二進(jìn)制碼盤的缺點(diǎn)高分辨率的碼盤加工困難易產(chǎn)生衍射；刻劃誤差（粗大誤差）。

6.1.2碼制與碼盤采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時(shí)改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會(huì)造成粗誤差。6.1.2碼制與碼盤消除粗大誤差的方法第一種方法是采用雙電刷，此法在工藝上和電路上都比較復(fù)雜，故很少采用。第二種方法是采用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。6.1.2碼制與碼盤從表中看出，循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。6.1.2碼制與碼盤圖6-4所示的是一個(gè)6位的循環(huán)碼碼盤。對(duì)于n位循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。圖6-4六位循環(huán)碼碼盤6.1.2碼制與碼盤循環(huán)碼碼盤的特點(diǎn)n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n最小分辨力1=3600／2n最外圈角節(jié)距為41

；循環(huán)碼為無(wú)權(quán)碼；碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。6.1.3二進(jìn)制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換根據(jù)上式用與非門構(gòu)成循環(huán)碼-二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器所用元件比較多。如采用存貯器芯片可直接把循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼或任意進(jìn)制碼。6.1.3二進(jìn)制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼

圖6-5(a)并行變換電路(b)串行變換電路6.1.3二進(jìn)制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼的電路圖6-6(a)并行變換電路(b)串行變換電路6.1.4應(yīng)用圖6-7光學(xué)碼盤測(cè)角儀原理圖6.1.4應(yīng)用光源1通過(guò)大孔徑非球面聚光鏡2形成均狹長(zhǎng)的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件出相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、鑒幅、整形后,再經(jīng)當(dāng)量變換,最后進(jìn)行譯碼顯示。糾錯(cuò)和寄存電路在需要時(shí)采用。6.1.4應(yīng)用編碼器的分辨力所代表的角度不是整齊的數(shù)，例如一個(gè)14位的碼盤,其分辨力為360o/2n=1′l9″。顯示器總是希望以度、分、秒來(lái)表示，為此需要使用脈沖當(dāng)量變換電路。當(dāng)量變換電路圖6-8當(dāng)量變換實(shí)例當(dāng)量變換電路工作之前，先把二進(jìn)制計(jì)數(shù)器與脈沖當(dāng)量變換計(jì)數(shù)器同時(shí)復(fù)零，將碼盤來(lái)的二進(jìn)制編碼信號(hào)(若為循環(huán)碼盤，先變?yōu)槎M(jìn)制碼信號(hào))輸入。這時(shí)振蕩器D1發(fā)出的計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)與門D2同時(shí)進(jìn)入這兩個(gè)計(jì)數(shù)器。每進(jìn)一個(gè)脈沖，當(dāng)量變換計(jì)數(shù)器所計(jì)之?dāng)?shù)增大θ1，圖中按14位碼盤安排，分值計(jì)數(shù)板進(jìn)1個(gè)脈沖，秒值的十位與個(gè)位分別進(jìn)1個(gè)和9個(gè)脈沖，128進(jìn)制計(jì)數(shù)單元進(jìn)13個(gè)脈沖。各計(jì)數(shù)單元之間具有進(jìn)位關(guān)系。當(dāng)量變換電路6.1.4應(yīng)用當(dāng)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器所計(jì)之?dāng)?shù)與二進(jìn)制編碼輸入相符時(shí)，