增.數(shù)字傳感器-Guo200820092013201

第4章補充數(shù)字式傳感器2023/12/22檢測技術光柵傳感器感應同步器數(shù)字式傳感器的特點2023/12/22數(shù)字傳感器的特點：具有高的測量精度和分辨力，讀數(shù)直觀精確。測量行程范圍大，直線位移可達數(shù)米至幾十米。易于實現(xiàn)高速動態(tài)測量，處理和自動化。采用高電平數(shù)字信號時，對外部干擾（噪音）的抑制能力強。安裝方便，使用維護簡單，工作可靠性強。數(shù)字式傳感器1碼盤

1.工作原理：

一種絕對編碼器，將圓周N等分,使每等份對應一個固定的編碼,這樣只要識別出編碼就可知道對應的角位置.

一般取N=2n,角度分辯力:=360/2n

對N個位置作編碼需要n位二進制數(shù),稱n位二進制碼盤.可用導電/不導電等多種物理方法表示二進制數(shù)的1和0.2023/12/22例:四位二進制碼盤.24=16等分,4個碼道(同心圓),8421碼.2023/12/220123碼尺,條狀,測線位移:2.碼盤的種類

2023/12/22接觸式:金屬板腐蝕光電式:玻璃板,光電管.(常用)磁電式:導磁體,磁頭3.讀數(shù)誤差的消除(1)改變編碼方式(自學)

格雷碼,其特點是各碼道的數(shù)碼不同時改變,任何兩個相鄰的數(shù)碼間只有一位是變化的.(2)雙電刷讀數(shù)法(自學)

2023/12/22數(shù)字式傳感器2光柵

一.光柵傳感器的構成及原理1.光柵的構成：光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的玻璃構成，稱之為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條紋，稱為反射光柵。利用光柵的一些特點可進行線位移和角位移的測量。測量線位移的光柵為矩形,并隨被測長度增加而加長，稱之為長光柵；而測量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。

【演示】2023/12/22數(shù)字式傳感器2023/12/22數(shù)字式傳感器2.柵距：光柵的柵距Ｗ＝ａ＋ｂ，a、b分別為透光和不透光條紋的寬度，通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越?。灰话銝啪嗫捎煽叹€密度算出，刻線密度為25，50，100，250條/mm。2023/12/22數(shù)字式傳感器3.莫爾條紋現(xiàn)象當兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個夾角時，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，形成一條暗帶，使光線透不過去；而亮條與亮條重合的地方，形成一條亮帶，部分光線得以通過。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋，如圖所示。莫爾條紋的形成莫爾條紋的寬度可按下式計算：設a=b=W/2，則(W/2)/B=sin(θ/2)，所以，B=W/(2sin(θ/2))，當θ很小時，sin(θ/2)=θ/2，故有：B=W/θ，稱作莫爾條紋的寬度，又稱為節(jié)距。2023/12/22數(shù)字式傳感器4.莫爾條紋的特點①平均效應：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。②對應關系：莫爾條紋近似與刻線垂直，當夾角θ固定后，兩光柵相對左右移動一個柵距W時，莫爾條紋上下或下上移動一個節(jié)距B，因此，可以通過檢測莫爾條紋的移動條數(shù)和方向來判斷兩光柵相對位移的大小和方向。③放大作用：由公式B=W/θ可知，當W一定，而θ較小時，可使θ<<1，則B>>W。如：長光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，則：B=0.01/0.009≈1mm，放大100倍。若θ接近0，則不能同時看到亮帶和暗帶，光線忽明忽暗，稱作光閘效應。對于圓光柵，同樣有這些特點。2023/12/22數(shù)字式傳感器5.光柵傳感器的結構對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的隨運動部件移動，稱為標尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測量角位移時，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。光柵傳感器結構為：光源→標尺(長)光柵→指示(短)光柵→光電元件，如圖所示。2023/12/22數(shù)字式傳感器二.光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理1.光柵傳感器輸出信號波形當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖：2023/12/22數(shù)字式傳感器

輸出表達式：

Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]

式中，2π/W為空間角頻率，W為柵距（信號周期），X為位移。由此可知，只要計算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，V的變化是位移在一個柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應一個柵距。但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題：①辨向問題：用一個光電元件元法辨別運動方向；②精度低；分辨力只為一個柵距W。怎么解決這兩個問題呢？2023/12/22數(shù)字式傳感器2.辨向原理：用兩個光電元件相距B/4安裝（相當于相差90°空間角，B:2π=B/4:π/2），如圖所示，可以解決辨向問題。當條紋上移時，V2(后迎)落后于V190°。當條紋下移時，V2(前迎)超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關系可以判別運動方向。2023/12/22數(shù)字式傳感器3.細分技術（解決精度問題）當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎上，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分，其電路框圖如圖所示。

1234硅光電池正向脈沖反向脈沖H1H2差動放大差動放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y82023/12/22數(shù)字式傳感器

當正向運動時，由正向上升沿微分得到正向脈沖，經(jīng)邏輯運算后輸出；反之亦然。這種方法可在一個周期內(nèi)輸出四個脈沖，所以又稱之為四倍頻電路，其分辨率提高四倍。當柵距w=10um時，分辨力為2.5um，即脈沖當量為2.5um，當w=0.004um,其分辨力可為1um。四倍頻細分辨向四個光電元件間隔B/4安裝，1-3、2-4分別接入兩個差分放大器用以消除共模干擾，這樣可以得到兩個相差90度的信號sin和cos，經(jīng)整型分別得到方波信號A和B，再反相得到C和D，共四路方波信號A,B,C,D，相位上依次相差90°

。將四路方波信號作微分，得到四個脈沖A’,B’,C’,D’，再把四個方波與四個脈沖進行邏輯組合，可由兩個輸出端輸出正向位移脈沖信號和反向位移脈沖信號，每個周期內(nèi)輸出4個計數(shù)脈沖。2023/12/22數(shù)字式傳感器3感應同步器(自學)感應同步器也是一種用來測量位移量的數(shù)字式傳感器，他的工作原理與變壓器的工作原理類似。2023/12/22數(shù)字式傳感器一.感應同步器的結構 感應同步器由兩個平面形印刷繞組組成，平面繞組時用銅箔加工而成，粘在鋼板上或制成的基板上，兩個繞組相當于變壓器的兩個線圈。感應同步器有兩種，一種是直線感應同步器，，用來測量位移，兩個繞組分為定尺繞組和滑尺繞組。另一種是圓感應同步器，，用來測量角位移。兩個繞組分為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。定尺和轉(zhuǎn)子的繞組為連續(xù)繞組，相當于變壓器的副邊，用于輸出與位移有關的信號。滑尺和定子的繞組為分段繞組（又稱為正，余弦繞組），工作時輸入激磁電壓，用以產(chǎn)生交變磁場。>>2023/12/22數(shù)字式傳感器>>當定尺和滑尺相對產(chǎn)生位移時，多定子與轉(zhuǎn)子相對產(chǎn)生角位移時，兩繞組間的耦合狀態(tài)發(fā)生變化，這時，在定尺和轉(zhuǎn)子繞組上感應出一個與位移有關的電壓信號，由此可以測定位移量的大小。定尺繞組的節(jié)距為w2=2(a2+b2),相當于空間角2π，對應于一個周期，則滑尺兩繞組（正弦繞組，余弦繞組）的距離:k為整數(shù),在這里w2相當于一個周期2π∴l(xiāng)1相當于對于圓感應同步器，其定子的正余弦繞組同樣滿足相差90°

2023/12/22數(shù)字式傳感器二.工作原理以直線感應同步器為例，當兩繞組位置相對固定時，滑尺繞組中的激磁電流使定尺繞組中產(chǎn)生一個感應電勢，其大小為：M為互感系數(shù)

如果假設繞組的自感系數(shù)很小，且激磁率較低，則滑尺激磁繞組可視為純電阻，則激磁電流為：,所以有K稱為電磁耦合系數(shù)2023/12/22數(shù)字式傳感器隨著兩繞組間的位置關系不同，定尺中的感應電勢大小是不同的，我們可以具體分析如下：當滑尺與定尺間的相對位置按下面規(guī)律變化，以正弦繞組為例：滑尺位于A點：這時兩繞組完全重合，通過定尺的耦合磁通最大，這時定尺繞組中產(chǎn)生的感應電勢最大?；咭浦罛點：滑尺跨在定尺的兩側，定尺中的感應電勢相互抵消為零?；呶挥贑點：滑尺與定尺重合，但感應電勢方向與A點相反，達到反方向最大。D點：定尺中感應電勢為零。E點：感應電勢又變?yōu)樽畲螅敵鲎兓恢芷凇?023/12/22數(shù)字式傳感器因此，對于正弦繞組激磁而殘生的感應電勢的大小為：cosθ為位置系數(shù)，同理，若設，則可推出對于余弦繞組激磁而產(chǎn)生的感應電勢為：而總電勢為：這里討論是在理想情況下近似的，實際的輸出中還存在有其它高次諧波及干擾。一般情況下，激磁電壓↑，感應電勢↑；但激磁電壓↑，i增大，太大引起發(fā)熱，甚至不能正常工作。V=1～2V.【演示】2023/12/22數(shù)字式傳感器2023/12/22數(shù)字式傳感器三.感應同步器的工作方式感應同步器工作方式通常分為：鑒相型鑒幅型2023/12/22數(shù)字式傳感器鑒相型工作方式鑒相型工作方式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量的一種工作方式。激磁方式：對滑尺的正余弦繞組分別供以幅值相同，但相位相差90°的交流方波。這時總電勢為：2023/12/22數(shù)字式傳感器這相當于一個相位調(diào)制波，當位移X發(fā)生變化時，輸出信號的相位發(fā)生變化。由上述討論可知，輸出信號的幅值于激磁電壓（相當于載波）的頻率有關。激磁電壓越高，輸出幅值越大，w↑→輸出幅值↑→測量速度↑，且可使測量速度提高。若激磁頻率過高，則導致感抗增加，容抗減小，使測量精度下降。從上面討論還可以看出，在一個節(jié)距w內(nèi)，感應輸出電壓的相位θ與滑尺和定尺間位移x相對應，每當位移變化一個節(jié)距，θ變化2π角度，輸出信號的相位變化一個周期，？？？？須采用累加計數(shù)的算法求總的位移量。2023/12/22數(shù)字式傳感器鑒幅型工作方式－通過輸出電壓幅值變化來測量位移。激磁方式：滑尺的正，余弦繞組分別加以頻率相同，相位相同，但幅值不變（按正，余弦規(guī)律變化）的交流電壓。2023/12/22數(shù)字式傳感器可見，當激磁電壓不變，固定，則輸出信號幅值與相對位移x有關，

設初始，如果，說明由位移存在，若設法改變

，使，則通過計算的變化量便可求得x的大小。2023/12/22數(shù)字式傳感器四，感應同步器位移－數(shù)字測量系統(tǒng)。時鐘脈沖發(fā)生器絕對相位基準（分頻器）相對相位基準（脈沖移相器）絕對零點顯示可逆計數(shù)器譯碼.顯示鑒相器門電路90度移相功放功放放大.濾波整形滑尺定尺1.鑒相型測量系統(tǒng)2023/12/22數(shù)字式傳感器各部分作用：時鐘脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生一定頻率的脈沖，一般w＝2mm時，可采用4mHz的晶振。絕對相位基準：實際上是一個分頻器，將脈沖發(fā)生器的輸出進行分頻，然后產(chǎn)生兩個相位相差90°的激磁信號，分別送給滑尺的正余弦繞組。定尺繞組感應電勢E=KWVmCOS(Wt－θ)，經(jīng)放大，濾波整形送給鑒相器，送鑒相器的有效信號為相對相位基準：實際上是一個分頻電路和加減脈沖電路組成（脈沖移相器）。它是將加減脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為相對相位基準輸出信號的相位變化，然后將其相位信息θ給鑒相器。鑒相器：用來判別感應同步器的輸出信號E與相對相位基準電路輸出之間相差的大小，其理想輸入輸出特性曲線見右圖：2023/12/22數(shù)字式傳感器鑒相器的輸出控制一個門電路Δθ=θ-θ1，可以根據(jù)測量精度設計Δθ=θ0時，Ej=Ej0=開關電平，將門電路打開，使計數(shù)脈沖通過，鑒相器還要鑒別相位差為正還是為負，以便實行加或減計數(shù)。在門電路打開后計數(shù)脈沖通過，一方面看計數(shù)器，另一方面控制相對相位基準實行移相，使Δθ→0。具體工作過程如下：初始狀態(tài)：則：Δθ=θ-θ1=0

開始運動：（不變），門打開，計數(shù)一次，同時使θ1→θ0使Δθ＝0，門關死。繼續(xù)運動：門打開同時使：θ1→2θ0。使Δθ＝0。門關閉。波形示意圖2023/12/22數(shù)字式傳感器每出現(xiàn)一個計數(shù)脈沖，相當于位移引起的相位為θ0，若θ0＝1.8°，w＝2mm，則最小位移：2023/12/22數(shù)字式傳感器2.鑒幅型測量系統(tǒng)：正弦振蕩器數(shù)/模轉(zhuǎn)換器匹配變壓器放大濾波轉(zhuǎn)換計數(shù)器周期零點顯示可逆計數(shù)器譯碼.顯示鑒幅器（門檻電路）門電路時鐘脈沖發(fā)生器滑尺定尺2023/12/22數(shù)字式傳感器其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器由多抽頭正，余弦變壓器和電子開關組成，多抽頭正，余弦變壓器的工作原理見下圖：2023/12/22數(shù)字式傳感器變壓器的抽頭