數(shù)字式傳感器

第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.1角度-數(shù)字編碼器的基本類型1．按工作原理分類角度-數(shù)字編碼器按工作原理主要分為絕對式編碼器（碼盤式編碼器）、增量式編碼器（脈沖盤式編碼器）兩大類。角度-數(shù)字編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的數(shù)字傳感器，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測物連接，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，它能將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進制編碼或一串脈沖。所謂編碼器就是將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。

2．按結(jié)構(gòu)形式分類角度-數(shù)字編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等。三種編碼器相比較，光電式編碼器的性價比最高，最大特點是非接觸測量，允許高速轉(zhuǎn)動。第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.2絕對式光電編碼器1．結(jié)構(gòu)與工作原理絕對式光電編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、狹縫、安裝在圓盤兩邊的光源和光電元件以及測量電路等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。光電式編碼器的碼盤是一塊圓形的光學玻璃，采用照相腐蝕工藝，在碼盤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)。當光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光電晶體管元件接收變成電流，經(jīng)波形整形回路后變成數(shù)字信號，即光電元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區(qū)和暗區(qū)的光電元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光電元件輸出信號的組合，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。

第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.2絕對式光電編碼器2．碼盤編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼（格雷碼）等。第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.3增量式光電編碼器1．結(jié)構(gòu)與工作原理脈沖盤式編碼器只能用于測量相對于上一次的角度增量，因此稱為增量式編碼器，增量式編碼器通常由光源、光電碼盤、光電元件以及計數(shù)和辨向系統(tǒng)組成。光電碼盤的光源最常用的是自身有聚光效果的LED，光電碼盤隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。當碼盤轉(zhuǎn)過1/n圈時，光電元件即發(fā)出計數(shù)脈沖，計數(shù)器對脈沖的個數(shù)進行加減增量計數(shù)，從而判斷出碼盤旋轉(zhuǎn)的相對角度，記錄轉(zhuǎn)動方向和位移。為了判斷轉(zhuǎn)向，才有了加減增量計數(shù)的設計，因此增量式編碼器在工作時為了實現(xiàn)這項功能，實際上會有三個脈沖信號輸出：零位脈沖、A相脈沖、B相脈沖，其工作形式如圖10-4所示。第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.3增量式光電編碼器2．碼盤增量式編碼器的碼盤設立了三個碼道，透過的光信號由三個光電元件接收，分別產(chǎn)生Z（零位脈沖）、A（增量脈沖）、B（辨向脈沖）三個矩形波列。

零位脈沖，是碼盤轉(zhuǎn)動的絕對位置，常用于機械原點定位。

信號A和信號B是相位相差90°兩列矩形方波，即可由A相超前于B相或B相超前于A相的情況，識別是順時針旋轉(zhuǎn)，還是逆時針旋轉(zhuǎn)，從而決定計數(shù)器作加計數(shù)還是減計數(shù)。增量式編碼器的輸出波形如圖10-5所示。

第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.4角度-數(shù)字編碼器的常用型號部分絕對式編碼器的特性參數(shù)第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.4角度-數(shù)字編碼器的常用型號部分增量式編碼器的特性參數(shù)第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.5角度-數(shù)字編碼器的應用1．數(shù)字測速由于光電式編碼器的輸出信號是脈沖形式，因此，可以通過測量脈沖頻率或周期的方法來測量轉(zhuǎn)速。光電式編碼器可代替測速發(fā)電機的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。數(shù)字測速的方法有M法測速和T法測速等，如圖10-6所示。

第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.5角度-數(shù)字編碼器的應用2．電梯測距電梯是智能樓宇的重要設備，安全性、舒適性、準確性是其重要的技術指標。現(xiàn)在樓層控制以及平層功能，多采用光電式編碼器測距，來實現(xiàn)準確停車。當曳引電動機旋轉(zhuǎn)時，編碼器即輸出脈沖，脈沖數(shù)正比于電梯的運行距離。例如，設定電梯在1樓時為零點，電梯運行到4樓，編碼器會輸出9800個脈沖，則在上行過程中，脈沖數(shù)為7000時實行減速，脈沖數(shù)為9800時發(fā)出停止命令，這樣電梯就會準確停在4樓。第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.1角度-數(shù)字編碼器10.1.5角度-數(shù)字編碼器的應用3．電動機速度閉環(huán)控制為了設備運行穩(wěn)定，電動機的速度經(jīng)常需要進行閉環(huán)控制，編碼器結(jié)合電子線路可以對電動機在正反轉(zhuǎn)時的不同轉(zhuǎn)速進行精確控制，其工作原理如圖10-7所示。將增量式編碼器輸出的A、B信號引入信號處理回路，經(jīng)辨向和累加后，變成位移和方向測量脈沖。經(jīng)頻率-電壓變換器變成正比于頻率的電壓，作為速度反饋信號，供給速度控制電路，進行速度調(diào)節(jié)。第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.1光柵的結(jié)構(gòu)與分類在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵，圖10-8為透射光柵的示意圖。

圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a:b=1.1:0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.1光柵的結(jié)構(gòu)與分類光柵種類很多，按原理和用途分為：計量光柵、物理光柵（衍射光柵）；按工作原理分為：透射光柵、反射光柵；按光柵表面的結(jié)構(gòu)和作用原理為：黑白光柵、閃耀光柵（相位光柵）；按形狀和用途分為：長光柵、圓光柵（徑向光柵、切向光柵），長光柵用于長度測量，又稱直線光柵，圓光柵用于角度測量；新型光柵則為：激光全息光柵、偏振光柵。其中，物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析和光波測定，而計量光柵常用于檢測中，利用光的透射和反射現(xiàn)象，實現(xiàn)位移測量，其次，計量光柵的脈沖讀數(shù)速率可達每毫秒幾百次之高，有很高的分辨力，非常適用于動態(tài)測量。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.2光柵傳感器的組成

光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成相應的電信號；光柵數(shù)顯表是實現(xiàn)細分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。

1．光柵讀數(shù)頭

光光柵讀數(shù)頭主要由標尺光柵、指示光柵、光源、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者刻有同樣密度的線紋。使用時，指示光柵相對于光電元件固定，標尺光柵則固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。當標尺光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生明暗交替變化，利用光電元件將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.2光柵傳感器的組成

2．光柵數(shù)顯表光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，但位移是向量，因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應確定其方向。為了辨別位移的方向，進一步提高測量的精度，以及實現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號送入數(shù)顯表作進一步的處理。光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.3光柵的工作原理把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）相對疊合在一起，中間留有很小間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，如圖10-9所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。也即莫爾條紋是由兩塊光柵的遮光和透光效應形成的。由圖10-9的d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.3光柵的工作原理利用莫爾條紋測量位移具有以下特點：1）誤差的平均效應。莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻線誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除短周期誤差的影響。2）移動辨向作用。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的運動進行辨向。3）位移的放大作用。當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，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關系為（10-1）式中，BH—為莫爾條紋的間距W—為光柵的柵距θ—為兩光柵刻線的夾角第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.3光柵的工作原理結(jié)論：（1）θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。（2）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（也就是移過了100x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別，將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號記數(shù)，就可知道移動的實際距離。第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.4辨向與細分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。如圖10-11所示，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（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)整形后得兩個方波信號u1′和u2′。從圖中波形的對應關系可看出，當光柵沿A方向移動時，u1′經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖，正好發(fā)生在u2′的“1”電平時，從而經(jīng)Y1輸出一個計數(shù)脈沖；而U1′經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2′的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，無脈沖輸出。在光柵沿A方向移動時，u1′的微分脈沖發(fā)生在u2′為“0”電平時，與門Y1無脈沖輸出；而u1′的反相微分脈沖則發(fā)生在u2′的“1”電平時，與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖，則說明u2′的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制在不同的移動方向時，u1′所產(chǎn)生的脈沖輸出。這樣就可以根據(jù)運動方向正確地給出加計數(shù)脈沖或減計數(shù)脈沖，再將其輸入可逆計數(shù)器，實時顯示出相對于某個參考點的位移量。

第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.4辨向與細分1．辨向原理第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.4辨向與細分2．細分技術所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量，如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，即可使測量精度提高到n倍，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。光柵細分方法有機械細分和電子細分兩類。1）機械細分。又稱位置細分，其優(yōu)點是對莫爾條紋產(chǎn)生的信號波形沒有嚴格要求，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)；缺點則是光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。2）電子細分。電子細分技術的基本原理是正余弦組合技術，又可分為四倍頻細分、電阻電橋細分和電阻鏈細分（電阻分割）三種。第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.4辨向與細分3．零位光柵在增量式光柵中，為了尋找坐標原點、消除誤差積累，在測量系統(tǒng)中需要有零位標記（位移的其始點），因此在光柵尺上除了主光柵線外，還必須刻有零位基準的零位光柵，以形成零位脈沖，又稱參考脈沖。把整形后的零位信號作為計數(shù)開始的條件。在使用光柵時，要注意運動速度必須在允許的范圍內(nèi)，當速度過高時，光電元件還來不及響應，造成輸出信號的幅值降低，波形變壞。第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.5常用光柵傳感器的特性參數(shù)圓光柵是一種精密的測角元件，圓光柵傳感器廣泛用于跟蹤儀器、測角儀器、以及數(shù)控機床，還可作為精密檢測系統(tǒng)中的反饋元件。光柵位移數(shù)字測量系統(tǒng)讀數(shù)直觀、迅速，使用方便，可靠性高，抗干擾能力強，并且分辨率高，精度高，工作速度快還帶有微機誤差修正的數(shù)字顯示。常用于數(shù)顯、數(shù)控機床的位移測量；劃線機、測長機、計量儀器的位置數(shù)字測量以及各種位移的數(shù)字顯示

第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.5常用光柵傳感器的特性參數(shù)第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.6光柵傳感器的應用光柵傳感器屬于非接觸測量方式，它測量精度高、動態(tài)測量范圍廣、易實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化和自動化，在量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控制、工作母機的坐標測量等方面，光柵傳感器都起著重要作用，因而在機械工業(yè)中得到了廣泛應用。圖10-12為光柵式萬能測長儀的工作原理圖。標尺光柵采用透射式黑白振幅光柵，光柵柵距W＝0.01μm，指示光柵采用四裂相光柵，光源采用TIL-23紅外發(fā)光二極管，其發(fā)光光譜為930nm～l000nm，LS600光電三極管用于接收，兩光柵之間的間隙為0.02nm～0.035mm，由于標尺光柵和指示光柵之間的透光和遮光效應，形成莫爾條紋，當兩塊光柵相對移動時，便可接收到周期性變化的光通量。利用四裂相指示光柵依次獲得sinθ、cosθ、-sinθ和-cosθ四路原始信號，以滿足辨向和消除共模電壓的需要。由光柵傳感器獲得的四路原始信號，經(jīng)差分放大器放大、移相電路分相、整形電路整形、倍頻電路細分、辨向電路辨向進入可逆計數(shù)器計數(shù)，由顯示器顯示讀出。這后面的過程均由相應的電路來完成，也可以采用大規(guī)模集成電路或者微型計算機等來實現(xiàn)以上功能。第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三10.2光柵傳感器10.2.6光柵傳感器的應用第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三本章小結(jié)1．角度-數(shù)字編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的數(shù)字傳感器，將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進制編碼或一串脈沖。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。角度-數(shù)字編碼器按工作原理主要分為絕對式編碼器（碼盤式編碼器）、增量式編碼器（脈沖盤式編碼器）兩大類。角度-數(shù)字編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等。2．絕對式編碼器不管有無旋轉(zhuǎn)，由于能夠給出與每個角位置相對應的完整的數(shù)字量輸出，所以總能確認其旋轉(zhuǎn)位置。由單個碼盤組成的絕對式編碼器，所測得的角位移范圍是0～360°。絕對式光電編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、狹縫、安裝在圓盤兩邊的光源和光電元件以及測量電路等組成，碼盤按