傳感器優(yōu)秀公開課

第三章位移、角度檢測傳感器2006/4/121在對電動機控制中．控制系統(tǒng)可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩類。開環(huán)控制系統(tǒng)比較簡單，能夠滿足一般的控制要求；閉環(huán)控制系統(tǒng)則用于有精度要求的控制。

在電動機控制系統(tǒng)中，這些精度要求包括：電動機本身的精度要求．如角度和轉(zhuǎn)速；執(zhí)行機構(gòu)的精度要求，如線位移和角位移；要實現(xiàn)對這些物理量的精確控制．就必須通過高精度的檢測傳感器對這些物理量進行檢測．將檢測的結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量．反饋給計算機．本章介紹在電動機控制中常用的位移、角度檢測傳感器的工作作原理．以及它們與CPU的接口。

2第三章位移、角度、轉(zhuǎn)速檢測傳感器一、光柵位移檢測傳感器二、光電編碼盤角度檢測傳感器3光柵是一種在基體上刻制有等間距的均勻分布條紋的光學元件，光柵技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)100多年了．隨著光柵的刻制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，光柵莫爾條紋細分技術(shù)的不斷改進．以及計算機處理技術(shù)的巨大進步，光柵技術(shù)在近二三十年得到了快速的發(fā)展。利用光柵進行位移測量．應(yīng)用于電動機及執(zhí)行機構(gòu)的閉環(huán)控制中．已經(jīng)是相當普遍的事。5（一）光柵傳感器的特點和分類光柵傳感器有以下優(yōu)點。①輸出數(shù)字信號。這使它易于與數(shù)字電路，特別是單片機接口。②高精度。由于精密的光刻技術(shù)和電子細分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測量精度。在大量程方面，光柵傳感器的測量精度僅次于激光測量，而成本卻比其低得多。目前．用于長度測量的光柵，其測量誤差可控制在0.2～0.4μm／m以內(nèi)，精度為0.5～3μm／1500mm．分辨率可做到0.1μm，允許計數(shù)速度為200mm／s。下表為常用的光柵傳感器精度。67光柵傳感器的缺點。①對環(huán)境條件敏感。由于光柵傳感器的光柵片一般是用玻璃制作的，而且移動光柵片與固定光柵片之間的間隙很小，因此對環(huán)境如濕度、溫度、振動．沖擊等較為敏感。環(huán)境的變化會髟響光柵傳感器的性能和可靠性。②一般的光柵傳感器都是增量式的．信號的輸出是串行的。如果要求絕對式的、并行的光柵傳感器，則信號的讀取電路復(fù)雜，速度無法提高。9光柵傳感器的分類光柵傳感器可分為透射式光柵和反射式光柵兩種。下圖是透射式光柵傳感器的結(jié)掏，其特點是光敏元件和光源分別位于光柵副的兩側(cè)，光柵是由透光材料(如玻璃)制成的。10光柵傳感器的分類下圖是反射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)，光敏元件和光源位于光柵副的一側(cè)，光柵是由不透光材料(如金屬)制成的。112、光柵光學系統(tǒng)光柵光學系統(tǒng)的作用是形成莫爾條紋?？煞殖晒庠聪到y(tǒng)和光柵付2部分。13(1)光源系統(tǒng)光源系統(tǒng)包括光源和凸透鏡。光源從光源發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡后．變成平行光線，照射到光柵上。對光源的要求是：能夠提供穩(wěn)定的光能量．光效率要高．發(fā)熱量要小．壽命長，供電電路簡單。符合上述要求的常用光源是砷化鎵(GaAs)發(fā)光二極管，它的光波長為0.88～0.94μm，與光敏接收元件的最敏感光譜十分接近．因此效率高，另外．砷化鎵發(fā)光二極管還有體積小．發(fā)熱少，壽命長，光源與凸透鏡制作成一體的諸多優(yōu)點．但由于這種光源發(fā)出的是不可見光。因此對安裝調(diào)試要求較高。14(2)光柵副光柵副包括標尺光柵和指示光柵．標尺光柵也稱移動光柵，而指示光柵又稱固定光柵。標尺光柵是測量的基準．它決定測量的精度。指示光柵一般不做成滿量程，而只取一小塊．足夠覆蓋光電元件即可。光柵的材料多用玻璃和不銹鋼。玻璃用于透射式光柵，不銹鋼用于反射式光柵。兩光柵間的間歇比較?。嬎愎剑菏街笑恕行Ч獠úㄩL。15將標尺光柵和指示光柵重疊在一起，并使它們的刻線之間形成一個很小的交角θ，在光柵垂直方向上出現(xiàn)的明暗相間的條紋就稱為莫爾(Moire，法語指水面波紋的意思)條紋。兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋間距，用B來表示。根據(jù)圖(b)．莫爾條紋間距B與柵距W和夾角θ有如下關(guān)系：兩光柵刻線交角越?。獱枟l紋間距B越大。（三）光柵位移傳感器工作原理17莫爾條紋與光柵刻線間的夾角θ的平分線近似垂直．當標尺光柵和指示光柵的交角θ保持不變而相對移動時，莫爾條紋將沿著刻線方向移動。光柵移動了W/2柵距時，莫爾條紋由亮條紋變?yōu)榘禇l紋(或由暗條紋變?yōu)榱翖l紋)；光柵再移動w/2柵距時．奠爾條紋則由暗條紋變回亮條紋(或由亮條紋變回暗條紋)。因此．光柵移動一個柵距W時．莫爾條紋也移動一個間距B，同時．在指示光柵上的光敏元件接收到一次光脈沖的照射，并相應(yīng)輸出一個電脈沖。通過計數(shù)電脈沖的數(shù)目．就可以測量標尺光柵移動的位移x，即x=i×Wi--電(光)脈沖的個數(shù)。18利用莫爾條紋實現(xiàn)位移的測量有如下特點:(1)莫爾條紋間距對光柵柵距有放大作用如果W=0.02mm，θ=0.1°(0.00174532rad)時,則B=11.4592mm。即，光柵移動0.02mm時．莫爾條紋移動11.4592mm，莫爾條紋起了放大1／θ倍的作用。這樣，光敏元件就可以直接布置在莫爾條紋寬度范周內(nèi)。(2)莫爾條紋對光柵柵距局部誤差有消差作用

在光柵測量過程中,標尺光柵上的數(shù)十條、數(shù)百條刻線參與測量，個別刻線的柵距誤差會得到均化作用，對整個奠爾條紋的位置和形狀影響較小．因此．奠爾條紋就具有了對光柵柵距局部誤差的消差作用。莫爾條紋位置的標準差σX和單條刻線位置的標準差σ的關(guān)系可由下式表示式中n---參與形成莫爾條紋的刻線數(shù)。19光強度的周期變化使光敏元件的輸出也同步周期變化，其輸出波形近似于正弦波形．可用下式表示式中U0--輸出信號的直流分量Um--交流信號的幅值。光強度變化一次所需的時間(周期)與光柵位移一個柵距所需的時間是相同的。21位移的方向必須有2個以上的信號根據(jù)它們的相位不同來判斷位移方向。在指示光柵上安裝2個光敏元件Ta、Tb，安裝位置如圖所示，2個光敏元件相距B／4．這樣，它們的輸出Ua、Ub相位相差90。標尺光柵向左或向右移動時，莫爾條紋則相應(yīng)地向上或向下移動，如果能夠辨別莫爾條紋是上移還是下移，那么就能知道標尺光柵移動的方向。由圖可見．當莫爾條紋上移時，Tb先感知莫爾條紋，而Ta后感知莫爾條紋，Ua落后Ub90°；當莫爾條紋下移時．Ta先感知莫爾條紋．而Tb后感知莫爾條紋，Ub落后Ua90°。222個光敏元件的輸出經(jīng)過整形后送入辨向電路。如圖(a)所示,ub信號分成2路：一路徑微分電路后送與門Y1，另一路反相后再微分送與門Y2。由圖(b)波形圖可見，莫爾條紋下移時，ub的微分脈沖出現(xiàn)在ua的高電平區(qū)間，與門Yl有脈沖輸出．它表示了莫爾條紋下移；莫爾條紋上移時，ub微分脈沖出現(xiàn)在ua的高電平區(qū)間，與門Y2有脈沖輸出，它表示了莫爾條紋上移，由此可以辨別光柵的移動方向。231、絕對式光電編碼盤的工作原理（1）絕對式光電編碼盤的結(jié)構(gòu)與工作原理絕對式光電編碼盤是由碼盤和光電檢測裝置組成。碼盤采用照相腐蝕工藝，在一塊圓形光學玻璃上刻出透光與不透光的編碼。下圖為一種4位二進制絕對式光電編碼盤的例子。編碼盤中黑色代表不透光，白色代表透光。編碼盤分成若干個扇區(qū)，代表若干個角位置。每個扇區(qū)分成4條碼道．代表4位二進制編碼。為了保證低位碼的精度，都把最外碼道作為編碼的低位，而將最內(nèi)碼道作為編碼的高位。因為4位二進制數(shù)最多可以表示24=16．所以圖中所示的扇區(qū)數(shù)為16。25光源位于編碼盤的一側(cè)．4只光敏三極管位于另一側(cè)．沿編碼盤的徑向排列．每一只光敏三極管都對著一條碼道。當碼道透光時．該光敏三極管接收到光信號．它輸出低電平0；當碼道不透光時，輸出高電平1。例如．編碼盤轉(zhuǎn)到圖第5扇區(qū)．4個光敏三極管的輸出從高位到低位為：0101。它是二進制的5，此時代表角位置——第5扇區(qū)。所以，不管轉(zhuǎn)動機構(gòu)怎樣轉(zhuǎn)動．都可以通過隨轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動的編碼盤來獲得轉(zhuǎn)動機構(gòu)所在的確切位置。因為所測得的角位置是絕對位置．所以稱這樣的編碼盤為絕對式編碼盤。26（3）減小誤碼率的方法二進制編碼雖然原理簡單．但對編碼盤的制作和安裝要求較高；這是因為使用這種編碼時，一旦出現(xiàn)錯碼，將有可能產(chǎn)生很大的誤差。例如，編碼盤從第7扇區(qū)移動到第8扇區(qū)，應(yīng)該輸出二進制編碼1000，如果編碼盤停在第7扇區(qū)和第8扇區(qū)之間，由于某種原因．內(nèi)碼道的光敏三極管首先進入第8扇區(qū)，則實際輸出的是1111；如果內(nèi)碼道的光敏三極管滯后進人第8扇區(qū)，則實際輸出的是0000。編碼盤的輸出本應(yīng)由7變8，卻出現(xiàn)了15或0，這樣大的誤差是無法容忍的。為了避免出現(xiàn)這樣的錯誤，使錯碼率限制在一個位碼．常用以下2種方法。29(1)采用循環(huán)碼

循環(huán)碼的最大特點是：從一個數(shù)碼變化到它的上一個數(shù)碼或下一個數(shù)碼時．數(shù)碼中只有一位發(fā)生變化。下表列出了4位循環(huán)碼和二進制編碼的對應(yīng)關(guān)系。循環(huán)碼所代表的數(shù)無論加1或者減1．對應(yīng)的循環(huán)碼只有一位變化。如果在編碼盤中采用循環(huán)碼來代替二進制碼，即使編碼盤停在任何兩個循環(huán)碼之間的位置．所產(chǎn)生的誤差也不會大于最低位所代表的量。例如，當編碼盤停在1110和1010之間時，由于這兩個循環(huán)碼中有3位相同，只有1位不同。因此，無論停的位置如何有偏差，產(chǎn)生的循環(huán)碼只有1位可能不一樣，即可能是循環(huán)碼1110或者是1010，而它們分別對應(yīng)十進制數(shù)的11和12。因此，即使有誤差，也不過是1。3031(2)采用掃描法

掃描法仍然采用二進制編碼。掃描法是在二進制編碼盤的最低位碼道(也就是最外側(cè)碼道)上安裝1只光敏三極管，在其他每個碼道上安裝2只光敏三極管。其中一只稱為超前讀出頭，它處于比它低1位的讀出頭超前改變狀態(tài)的位置，如下圖所示；另一只稱為滯后讀出頭，它處于比它低1位的讀出頭滯后改變狀態(tài)的位置。

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規(guī)定當某一個二進制碼的第i位是1時，該二進制碼的第i+1位要從滯后讀出頭讀出；相反．當某一個二進制碼的第i位是0時．該二進制碼的第i+1位要從超前讀出頭讀出。這樣也能使錯碼限制為最低位的一個bit。例如，編碼盤處于第11扇區(qū)位置．B0輸出高電平1；B1應(yīng)從滯后讀出頭取數(shù)字信號，輸出為1；同理．B2也應(yīng)從滯后讀出頭取數(shù)字信號，輸出為0；而B3則從超前讀出頭取數(shù)字信號，輸出為1。所以，輸出的二進制編碼為1011。從圖中可見，由前一位電平的結(jié)果所選中的各位讀出頭．不論是滯后讀出頭，還是超前讀出頭．都處于錯碼率最低的位置，即透光或不透光集中分布的位置。也就是說．即使這些讀出頭發(fā)生錯位．輸出的數(shù)字信號也不會變化，從而保證了錯碼率與分辨率一致。332、增量式光電編碼盤的工作原理增量式光電編碼盤不像絕對式光電編碼盤那樣測量轉(zhuǎn)動體的絕對位置，它是專門測量轉(zhuǎn)動體角位移的累計量。34增量式光電編碼盤是在一個碼盤上只開出3條碼道，由內(nèi)向外分別為A、B、C．如圖(a)所示。在A、B碼道的碼盤上，等距離地開有透光的縫隙．2條碼道上相鄰的縫隙互相錯開半個縫寬，其展開圖如圖(b)所示。第3條碼道C只開出一個縫隙，用來表示碼盤的零位。在碼盤的兩側(cè)分別安裝光源和光敏元件．當碼盤轉(zhuǎn)動時，光源經(jīng)過透光和不透光區(qū)域．相應(yīng)地，每條碼道將有一系列脈沖從光敏元件輸出。碼道上有多少縫隙．就會有多少個脈沖輸出。將這些脈沖整形后，輸出的脈沖信號如圖(C)所示35編碼盤通過聯(lián)軸器與被測軸連接．將角位移轉(zhuǎn)換成A、B兩路脈沖信號，供可逆計數(shù)器計數(shù)，同時還輸出一路零位脈沖信號作為零位標記。它每圈能輸出600以及更多個A相或B相脈沖和1個零位脈沖．A、B相脈沖信號的相位相差90°。36編碼盤方向的辨別編碼盤方向的辨別可以采用如圖所示電路實現(xiàn)。經(jīng)過放大整形后的A、B兩相脈沖分別輸入到D觸發(fā)器的D端和CP端．D觸發(fā)器的CP端在A脈沖的上升沿觸發(fā)。A、B脈沖的另一路經(jīng)與門后，輸出計數(shù)脈沖；這樣，用Q（或Q非）控制可逆計數(shù)器是加計數(shù)還是減計數(shù)．就可以使可逆計數(shù)器對計數(shù)脈沖進行計數(shù)。c相脈沖接到計數(shù)器的復(fù)位端．實現(xiàn)每轉(zhuǎn)動一圈復(fù)位一次計數(shù)器。這樣·無論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)．計數(shù)值每次反映的都是相對與上次角度的增量，形成增量編碼。37由于A、B脈沖相位柑差90°，當正轉(zhuǎn)時．B脈沖超前A脈沖90°，觸發(fā)器總是在B脈沖處于高電平時觸發(fā)，如圖(b)所示．這時Q=1，表示正轉(zhuǎn)；38當反轉(zhuǎn)時，A脈沖超前B脈沖90°，觸發(fā)器總是在B處于低電平時觸發(fā)，這時Q=0，表示反轉(zhuǎn)。393光電編碼盤與單片機的接口單片機與絕對式光電編碼盤進行接口時．需要的是角位移的二進