數(shù)字式傳感器課件

傳感器原理及工程應(yīng)用第9章數(shù)字式式傳感器

第9章數(shù)字式式傳感器本章基本要求：了解數(shù)字傳感器種類、數(shù)字傳感器發(fā)展方向；理解各種數(shù)字傳感器的構(gòu)成原理、鑒相電路原理、鑒幅電路原理；重點掌握光柵、同步感應(yīng)器、編碼盤傳感器特點。

第9章數(shù)字式式傳感器類型： a、編碼方式產(chǎn)生代碼型的數(shù)字信號（編碼盤） b、輸出計數(shù)型的離散脈沖信號（光柵、感應(yīng)同步器）優(yōu)點： a、測量精度高、分辨率高、 b、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強 c、便于與微機接口、適宜遠(yuǎn)距離傳輸測量參數(shù)： a、機械量：線位移、角位移 b、其他量：計數(shù)9.1光柵傳感器敏感元件：光柵參數(shù)變化過程：非電量－>莫爾條紋－>光電元件－脈沖分類：a、按工作原理：物理光柵（光柵的衍射）、計量光柵（光柵的莫爾條紋）b、按應(yīng)用場合：透射光柵、反射光柵c、按用途不同：線位移長光柵、角位移圓光柵d、按表面結(jié)構(gòu)：幅值光柵（幾何光柵）、相位光柵（衍射光柵）用途：主要用于長度和角度的精密測量，在坐標(biāo)測量儀＆數(shù)控機床伺服系統(tǒng)有廣泛應(yīng)用。9.1光柵傳感器9.1.1光柵的結(jié)構(gòu)及莫爾條紋現(xiàn)象9.1.2光柵傳感器的組成9.1.3光柵傳感器的應(yīng)用9.1.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)光柵：在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋。a為柵線寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距，通常a=b=W/2。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。9.1.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶；兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，由黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。9.1.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理莫爾條紋測位移三大特點：（1）位移的放大作用當(dāng)光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH。θ越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1/θ倍。例θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，從而提高了測量的靈敏度。

9.1.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理（2）莫爾條紋移動方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之，當(dāng)光柵1向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對光柵1的運動進(jìn)行辨向。（3）誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

9.1.2光柵傳感器的組成1.光柵讀數(shù)頭組成：標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍，其長度取決于測量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。9.1.2光柵傳感器的組成主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)。電壓輸出：式中：uo——光電元件輸出的電壓信號；Uo——輸出信號中的平均直流分量；

Um——輸出信號中正弦交流分量的幅值。9.1.2光柵傳感器的組成9.1.2光柵傳感器的組成（1）辨向原理為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個電信號。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差π/2的電信號u1和u2，經(jīng)過整形后得兩個方波信號u1′和u2′。9.1.2光柵傳感器的組成光柵沿A方向移動時，經(jīng)Y1輸出一個計數(shù)脈沖，而與門Y2被阻塞，無脈沖輸出。光柵沿A方向移動時，與門Y1無脈沖輸出，而與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖，則說明u2′來控制在不同的移動方向時，u1′所產(chǎn)生的脈沖輸出，再將其輸入可逆計數(shù)器。9.1.2光柵傳感器的組成

9.1.2光柵傳感器的組成機械細(xì)分：在相差BH/4的位置分別安裝4個光電元件實現(xiàn)4倍頻細(xì)分9.1.2光柵傳感器的組成電橋48點細(xì)分：9.1.2光柵傳感器的組成電橋細(xì)分：調(diào)整電阻阻值比，獲得不同相位9.1.3光柵傳感器的應(yīng)用1.光柵式萬能測長儀采用透射式黑白光柵，柵距W=0.01mm，兩光柵之間的間隙為0.02mm~0.035mm，利用四裂相指示光柵獲得四路信號，經(jīng)放大、整形、細(xì)分和辨向電路，進(jìn)入可逆計數(shù)器計數(shù)，同時由顯示電路顯示。9.1.3光柵傳感器的應(yīng)用2.圓形光柵傳感器角度測量兩組光電二極管和光敏三極管在測量空間以一定相位(可定為90°相位)關(guān)系分別置于光柵轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，光柵轉(zhuǎn)盤與機械轉(zhuǎn)角同步轉(zhuǎn)動，使光敏三極管隨機械轉(zhuǎn)角變化導(dǎo)通或截止，并通過光／電變換電路模塊輸出具有一定相位差的兩組增量式脈沖信號。

9.2.1感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)類型：直線式（線位移）旋轉(zhuǎn)式（角位移）（a）定尺（b）滑尺（a）定子（b)轉(zhuǎn)子9.2.1感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)組成：a、定尺（定子）：連續(xù)繞組b、滑尺（轉(zhuǎn)子）：正弦、余弦繞組（兩繞組相差90°相角）9.2.2感應(yīng)同步器工作原理工作過程：工作時如果在其中一種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對位置不同而呈正弦、余弦函數(shù)變化，再通過對此信號的檢測處理，便可測量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。9.2.2感應(yīng)同步器工作原理感應(yīng)電動勢：(a)e=0(b)e=max(c)e=-max感應(yīng)電勢變化圖9.2.2感應(yīng)同步器工作原理分類特征：按照輸出感應(yīng)電動勢的相位或幅值來進(jìn)行處理1.鑒相方式2.鑒幅方式9.2.2感應(yīng)同步器工作原理1.鑒相方式激勵電壓：等幅等頻，相位差為90°的交流電壓。

正弦繞組勵磁電壓：

余弦繞組勵磁電壓：

9.2.2感應(yīng)同步器工作原理正弦繞組感應(yīng)電動勢：余弦繞組感應(yīng)電動勢：9.2.2感應(yīng)同步器工作原理按照疊加原理，總感應(yīng)電動勢：式中的θ=2πx/ω稱為感應(yīng)電動勢的相位角13.3.3感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng)鑒相測量方式數(shù)字位移測量裝置13.3.3感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng)測量位移過程：開始時θ1=θ2，當(dāng)滑尺相對定尺平行移動后，θ1≠θ2，由鑒相器判別之后，將有相位差Δθ=θ2-θ1作為誤差信號。使門電路允許脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖通過。一方面脈沖送給可逆計數(shù)器去計數(shù)并顯示出來；另一方面脈沖修改指令信號的相位θ1，使θ1隨θ2而變化。當(dāng)θ1再次與θ2相等時，誤差信號Δθ=0，從而門被關(guān)閉。因此在滑尺相對定尺連續(xù)不斷地移動過程中，就可以實現(xiàn)把位移量準(zhǔn)確地用可逆計數(shù)器計數(shù)和顯示出來9.2.2感應(yīng)同步器工作原理2.鑒幅方式激勵電壓：同頻同相，幅值不同的交流電壓。

正弦繞組勵磁電壓：

余弦繞組勵磁電壓：

9.2.2感應(yīng)同步器工作原理正弦繞組感應(yīng)電動勢：余弦繞組感應(yīng)電動勢：9.2.2信號處理方式按照疊加原理，總感應(yīng)電動勢：式中的θ=2πx/ω稱為感應(yīng)電動勢的相位角，它在一個節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對位移有一一對應(yīng)的關(guān)系，每經(jīng)過一個節(jié)距，變化一個周期（2π）。9.2.2感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng)鑒幅方式測量原理鑒輻器門檻電路門電路時鐘脈沖發(fā)生器譯碼－顯示正弦振蕩器數(shù)模轉(zhuǎn)換器匹配變壓器轉(zhuǎn)換計數(shù)器可逆計數(shù)器周期零點顯示x定尺滑尺放大濾波整形9.3編碼器編碼器：將機械轉(zhuǎn)動的位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號特點：高精度、高分辨率和高可靠性分類：光電式編碼器的性價比最高，它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對編碼器)接觸式編碼器

電磁式編碼器

光電式編碼器

9.3編碼盤9.3.1絕對編碼器9.3.2增量編碼器9.3.3光電式編碼器的應(yīng)用9.3.1絕對編碼器1.接觸式碼盤編碼器組成：a、碼盤（涂黑處為導(dǎo)電區(qū)）b、電刷碼盤：由印刷電路板制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有某種碼制（二進(jìn)制、十進(jìn)制、循環(huán)碼）排列的導(dǎo)電和不導(dǎo)電區(qū)域。9.3.1絕對編碼器碼盤：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)。分類：a、二進(jìn)制碼盤b、循環(huán)碼盤c、十進(jìn)制碼盤9.3.1絕對編碼器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個黑白間隔。每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼。零位對應(yīng)于000000（全黑）；第23個方位對應(yīng)于010111。9.3.1絕對編碼器這樣在測量時，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)動的中間過程無關(guān)。一個n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2n，一個6位二進(jìn)制碼盤，其最小分辨的角度α＝360°/26≈5.6°。9.3.1絕對編碼器采用二進(jìn)制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。原因：如果由于某一較高的數(shù)碼刻劃誤差、安裝等原因，較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。

9.3.1絕對編碼器循環(huán)碼盤：循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，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比特。9.3.1絕對編碼器9.3.1絕對編碼器所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產(chǎn)生粗誤差。6位的循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有26種不同編碼，最小分辨率α=360°/26。循環(huán)碼譯碼：9.3.1絕對編碼器2.光電編碼器組成：a、編碼圓盤（碼盤）b、狹縫c、光源d、光敏元件9.3.1絕對編碼器2.光電編碼器細(xì)分：若碼盤已具有14條(位)碼道，在14位的碼道上增加1條專用附加碼道，使多個光敏元件產(chǎn)生較為理想的正弦彼輸出，各正弦波信弓再經(jīng)過零比較器轉(zhuǎn)換為一系列脈沖，從而細(xì)分了附加碼道的光電元件輸出的正弦信號。

9.3.2增量編碼器增量編碼器：又稱為脈沖盤式編碼器，一般只有三個碼道，它不能直接產(chǎn)生幾位編碼輸出，故它不具有絕對碼盤碼的含義。圓盤上等角距地開有兩道縫隙，分為外圈和內(nèi)圈，外圈用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道，決定了編碼器的分辨率，縫隙越多，分辨率越高。內(nèi)圈上也有和外圈上相同數(shù)量的縫隙，內(nèi)外圈的相鄰兩縫錯開半條縫寬，內(nèi)圈作為辨向碼道；另外在某一徑向位置開有一狹縫，表示碼盤的零位。9.3.2增量編碼器光電元件A、