數(shù)字式傳感器設(shè)計

傳感器原理課程設(shè)計PAGE12摘要數(shù)字傳感器是指將傳統(tǒng)的模擬式傳感器經(jīng)過加裝或改造A/D轉(zhuǎn)換模塊，使之輸出信號為數(shù)字量(或數(shù)字編碼)的傳感器，主要包括：放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器（CPU）、存儲器、通訊接口電路等。目前在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、宇航、商業(yè)等領(lǐng)域中已廣泛使用各種數(shù)字顯示的非電量檢測裝置。本課題主要設(shè)計出一種簡單的光柵式—數(shù)字式傳感器，采用的是主光柵和指示光柵產(chǎn)生的莫爾條紋經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，在原來的莫爾條紋上再加上一條莫爾條紋使其條紋信號相差π/2相位，就可辨別方向。加上相應(yīng)的四倍頻細分便可提高測量精度。關(guān)鍵字：光電轉(zhuǎn)換；辨向電路；細分電路

目錄TOC\o"1-2"\h\u23358一、設(shè)計要求 132729二、設(shè)計方案及其特點 1229471、方案說明 1106342、方案論證 230205三、傳感器工作原理 229713四、電路的工作原理 215993五、單元電路設(shè)計 311611、光電轉(zhuǎn)換 3104842、辨向電路 425745六、數(shù)字式傳感器的參數(shù)選擇 5207521、總體描述 581282、元器件選擇 624733七、元器件清單 76895八、總結(jié) 7數(shù)字式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一、設(shè)計要求目前，國內(nèi)外，數(shù)字式傳感器的研究相當火熱，其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、宇航、商業(yè)等領(lǐng)域中已廣泛使用各種數(shù)字顯示的非電量檢測裝置。在機械制造工業(yè)中應(yīng)用得比較成熟的是光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等為傳感元件的數(shù)字測量儀器。本文用光柵設(shè)計數(shù)字式傳感器電路，可完成對信號的檢測、控制和處理。能夠把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。傳感器的輸出一致性誤差可以達到0.02%以內(nèi)甚至更高，傳感器的特性參數(shù)可完全相同，因而具有良好的互換性。有良好的電磁兼容性能。傳感器采用標準的數(shù)字通訊接口，可直接連入計算機，也可與標準工業(yè)控制總線連接，方便靈活。1、精度高，A/D轉(zhuǎn)換電路由于受到參考電壓精度的限制而不可能很高，系統(tǒng)的總精度也受到限制。而數(shù)字式傳感器就可以直接將被測量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，精度大大提高。2、分辨率高，隨著科學的發(fā)展對微弱信號的檢測越來越重要，普通的數(shù)字轉(zhuǎn)換已完全不能滿足要求，而數(shù)字式傳感器的精度可以隨著要求的不同而設(shè)計出滿足需要的分辨率。將來的應(yīng)用范圍廣光柵式數(shù)字傳感器取代A/D轉(zhuǎn)換器，直接把非電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。它具有檢測精度和分辨率高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、易與微機接口，便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量等特點。二、設(shè)計方案及其特點1、方案說明根據(jù)用途不同，光柵做成長光柵和圓光柵兩種。光柵根據(jù)刻劃的形式不同分為黑白光柵（或叫幅值光柵）和相位光柵（或叫鏡型光柵）。按光柵的光線走向又可分為透射光柵和反射光柵兩種。兩種設(shè)計方案如下：方案一：光柵式數(shù)字傳感器電路設(shè)計。將光源和模擬信號輸入合為一體，通過模擬信號影響光源的輸入從而控制透過光柵的光強變化來獲得相應(yīng)的數(shù)字量再通過光電元件將光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，最后通過對微弱電信號的放大從而獲得相應(yīng)的數(shù)字電信號輸出，完成轉(zhuǎn)換。光源系統(tǒng)光柵轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)光電元件放大器數(shù)字量輸出圖1方案一原理框圖方案二：本方案將光源通過凸透鏡轉(zhuǎn)換為平行光。然后通關(guān)輸入量改變光源輸入，之后將得到的光信號通光光柵轉(zhuǎn)換為微弱的數(shù)字光信號，最后通過光學的放大器放大光信號成為可用的數(shù)字量輸出。光源光源凸透鏡輸入量光柵光學放大器數(shù)字量輸出圖2方案二原理框圖2、方案論證通過方案比較，方案二的結(jié)構(gòu)簡單，輸出觀測直接明了，但是輸出量是光信號，所以使用的范圍有限，僅用于一些簡單的測量轉(zhuǎn)換。方案一結(jié)構(gòu)相對復雜一點，輸出穩(wěn)定，精度高。但是輸出量是電信號可用于各種電路要求，適用范圍廣，應(yīng)用前景廣闊。所以選用方案一可用。三、傳感器工作原理光柵數(shù)字傳感器，通常由光源(聚光鏡)、計量光柵、光電器件及測量電路等部分組成，計量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，因此計量光柵又稱光柵副，它決定了整個系統(tǒng)的測量精度。一般主光柵和指示光柵的刻線密度相同，但主光柵要比指示光柵長得多。測量時主光柵與被測對象連在一起，并隨其運動，指示光柵固定不動，因此主光柵的有效長度決定了傳感器的測量范圍。兩個光柵的相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，并且隨著光柵的移動，莫爾條紋的光強也隨之改變，從而光照總用于光敏元件長生的輸出也隨之變化，為了辨別光柵的移動方向，附加一個辯向電路，通過相位差來確定移動方向，倘若輸出電壓太小，為了提高分辨率，再加上一個放大電路便可完成數(shù)字傳感器的目標功能。電路的工作原理

圖3數(shù)字式傳感圖3數(shù)字式傳感器電路圖將主光柵與標尺光柵重疊放置，兩者之間保持很小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一個微小的夾角θ，當有光源照射時，由于擋光效應(yīng)（對刻線密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對刻線密度≥100條/mm的光柵），與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開的地方，形成暗帶；這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ（單位為rad）之間的關(guān)為

兩個光柵產(chǎn)生的莫爾條紋作用于光敏三極管上產(chǎn)生兩個電壓輸出，通過兩個電壓輸出的比較確定光柵是左移還是右移，最后將得到的電壓信號放大得到相應(yīng)的數(shù)字電壓輸出。五、單元電路設(shè)計1、光電轉(zhuǎn)換

圖4光電轉(zhuǎn)換電路圖圖4光電轉(zhuǎn)換電路圖主光柵和指示光柵的相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，為了測量莫爾條紋的位移，必須通過光電器件（如硅光電池等）將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

在光柵的適當位置放置光電器件，當兩光柵作相對移動時，光電器件上的光強隨莫爾條紋移動，光強變化為正弦曲線，光電器件的輸出電壓可用公式表示為式中——輸出信號中的直流分量；

——輸出信號中的交流分量幅值；

x——兩光柵的相對位移。通過整形電路，將正弦信號轉(zhuǎn)變成方波脈沖信號，則每經(jīng)過一個周期輸出一個方波脈沖，這樣脈沖總數(shù)N就與光柵移動的柵距數(shù)相對應(yīng)，因此光柵的位移為辨向電路

圖5辨向電路圖辨向電路：無論測量直線位移還是測量角位移，都必須能夠根據(jù)傳感器的輸出信號判別移動的方向，即判斷是正向移動還是反向移動，是順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)。但是，僅有一個光電元件的輸出無法判別光柵的移動方向，因為在一點觀察時，不論主光柵向哪個方向運動，莫爾條紋均作明暗交替變化。為了辨別方向，通常采用在相隔1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，獲得相位差為90o的兩個信號，然后送到辨向電路進行處理。假設(shè)當主光柵向左移動時，莫爾條紋向上移動，兩個光電元件分別輸出電壓信號U1和U2，經(jīng)過放大、整形，得到兩個相位差為的方波信號和。經(jīng)反相后得到，、經(jīng)過微分電路后得到兩組電脈沖、，分別輸入到與門、。對于與門Y1，由于處于高電平時，總是為低電平，故脈沖被阻塞，Y1輸出為零；對于與門Y2，處于高電平時，也為高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置1，可逆計數(shù)器對與門Y`輸出的脈沖進行加法計數(shù)。同理，當標尺光柵向右移動時，輸出信號波形所示，與門Y2被阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發(fā)器置0，可逆計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進行減法計數(shù)。主光柵每移動一個柵距，辨向電路只輸出一個脈沖。計數(shù)器所計的脈沖個數(shù)即代表光柵的位移。圖5辨向電路圖六、數(shù)字式傳感器的參數(shù)選擇1、總體描述光柵式數(shù)字傳感器采用光柵原理和光電效應(yīng)制成、操作簡單方便，應(yīng)用范圍廣，轉(zhuǎn)換效率高，動態(tài)特性好，適合于非接觸式動態(tài)測量，易于實現(xiàn)自動控制，廣泛用于數(shù)控機床和精密測量設(shè)備中。技術(shù)特點：額定電壓AC220V、額定功率1800W。2、元器件選擇Rl-R7選用1/4W金屬膜電阻器或碳膜電阻器。光柵采用GBC-Q系列●測量范圍：50mm～3000mm

●測量準確度：±6μm/m～±10μm/m

●測量基準：光柵周期20μm的光學玻璃尺

●光學測量系統(tǒng)：透射式紅外線光測量系統(tǒng)，紅外線波長880nm

●反應(yīng)速度：60m/min(0.005mm)25m/min(0.001mm)

●讀數(shù)頭滑動系統(tǒng)：垂直式五軸承

●輸出訊號：TTL/EIA-422-A

●訊號傳達周期：20μm

●供應(yīng)電壓：DC5V±5%

●采用最高優(yōu)質(zhì)的PU材料制造出耐油、高彈性及抗老化膠封。由工程師精心設(shè)計出

●最佳的閉合角度和最適中的軟硬度，保證最佳的密封性能和最少的磨擦阻力。

凸透鏡采用雙凸透鏡●焦距：±5mm—±1000mm±1%●外圓：4mm—200mm±0.1mm●中心厚度公差：±0.1mm●有效口徑：90%光敏晶體管采用GB5-A2F系列●性能:通用●材料:合成●制作工藝:普通線繞●外形:圓柱形●標稱阻值:10●允許偏差:±0.5%●溫度系數(shù):PTC●額定功率:100（W）●功率特性:大功率頻●率特性:高頻與門芯片采用74LS32系列●芯片功能：2輸入四或門放大器采用AD704系列●低偏置電流●低功耗●低失調(diào)電壓●精密四運算放大器七、元器件清單表1元器件清單編號名稱型號數(shù)量R1-R7電阻1000Ω7A1-A2放大器AD7042&與門74ls322S1光柵CBC-Q1P1透鏡雙凸透鏡1S開關(guān)1T1光敏三極管GB5-2AF1T2光敏三極管GB5-2AF1八、總結(jié)光柵數(shù)字傳感器具有測量精度高，分辨率高，測量范圍大，動態(tài)特性好，適合于非接觸式動態(tài)測量，易于實現(xiàn)自動控制，廣泛用于數(shù)控機床和精密測量設(shè)備中。但是光柵在工業(yè)現(xiàn)場使用時，對工作環(huán)境要求較高，不能承受大的沖擊和振動，要求密封，以防止塵埃、油污和鐵屑