传感器原理及应用-第9章 - 数字式传感器

第九章数字式传感器随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用，信号的检测、控制和处理已进入的数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用A/D转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种方法简便易行。缺点：系统的构成复杂。数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数字信号输出。数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。第九章数字式传感器数字式传感器的特点：测量精度高，分辨率高；易于处理与存储；抗干扰能力强，便于远距离传输。可以减少读数误差；常用的数字式传感器栅式数字传感器；编码器；频率/数字输出式数字传感器；感应同步器式的数字传感器。§9.1光栅传感器§9.2编码器§9.3数字式传感器的应用第九章数字式传感器光栅：在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器透射光栅示意图abW目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。光栅传感器：主要用于线位移和角位移的测量。一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器光栅传感器的原理：莫尔条纹一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器标尺光栅指示光栅莫尔条纹形成当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹——称为“莫尔条纹”。光栅传感器的原理：莫尔条纹一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器BH2sin2HWWB莫尔条纹的特点：一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器BH(1)位移的放大作用2sin2HWWBθ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。莫尔条纹的特点：一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器BH(2)位移的移动方向光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向下移动；当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向上移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。光栅1光栅2莫尔条纹的特点：一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器BH光栅1光栅2(3)误差的平均效应(4)连续变倍的作用其放大倍数可通过使θ角连续变化，从而获得任意粗细的莫尔条纹。莫尔条纹位移测量原理一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出。莫尔条纹位移测量原理一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器光栅位移与光强、输出电压关系莫尔条纹位移测量原理一、光栅传感器的结构及工作原理§9.1光栅传感器将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器光栅读数据头结构示意图光栅读数据头：实现了位移量由非电量转换为电量。二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器光栅数显表：由于位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辩向电路及数字显示电路等组成。二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器为何要辩向？二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器为何要辩向？当可动光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。在相隔1/4BH莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90º的两个信号——辨向。BH二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器Y1Y2AAAABB3124uu1u20xW4HB4W2W43W1'u2'u1'u2'u辨向逻辑工作原理1、2—光电元件；3、4—光栅；二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器AAuu1u20xW4W2W43W1'u2'uY1Y21'u2'u当光栅沿A方向移动时，u1′经微分电路后产生的脉冲,正好发生在u2′的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1′经反相并微分后产生的脉冲，则与u2′的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。辨向逻辑工作原理二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器Y1Y21'u2'uAAuu1u20xW4W2W43W1'u2'u辨向逻辑工作原理二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器Y1Y21'u2'u说明u2′的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1′所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。AAuu1u20xW4W2W43W1'u2'u辨向逻辑工作原理二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术。细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频。细分技术二、光栅传感器的组成§9.1光栅传感器§9.1光栅传感器§9.2编码器§9.3数字式传感器的应用第九章数字式传感器§9.2编码器编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：()码盘式编码器（绝对脉冲盘式编码器增量编码器编码器）编码器光电式编码器电磁式编码器接触式编码器脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器能直接输出某种码制的数码。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码。目前，使用最多的是光电编码器。§9.2编码器一、光电式编码器工作原理光电式编码器的工作原理示意图1——光源；2——透镜；3——码盘；4——窄缝；5——光电元件组码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。3——码盘§9.2编码器一、光电式编码器工作原理光电式编码器的工作原理示意图1——光源；2——透镜；3——码盘；4——窄缝；5——光电元件组当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。3——码盘§9.2编码器C1码道C4码道二、码制与码盘窄缝例：假设狭缝方向如图所示，则编码输出为：C4C3C2C1=1110最内层2等分外面层2倍等分每个码道对应二进制数的1位。内层为高位外层为低位编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。§9.2编码器C4C3C2C1二、码制与码盘编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。§9.2编码器编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。窄缝n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n。位数越多，可分辨的角度越小。思考：为了达到1″的分辨率，至少需要采用多少位的码盘？二、码制与码盘§9.2编码器二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应于由零位算起的转角为：1112niiiC采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。例：由二进制码0111过渡到1000时，即由7变为8时，如果刻度机械加工误差，此时就可能会出现8～15间的某个数字。二、码制与码盘§9.2编码器消除粗误差方法：采用循环码（格雷码）代替二进制码位循环码码盘具有2n种不同编码；循环码为无权码；循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。二、码制与码盘§9.2编码器四位二进制码与循环码对照表1nniiiCRCCR1iiiRCC或§9.2编码器单盘与多盘编码器二、码制与码盘单盘编码器全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分辨力，则制造困难，圆盘直径也要大。多盘编码器采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组，则可大大提高分辨率。§9.2编码器§9.1光栅传感器§9.2编码器§9.3数字式传感器的应用第九章数字式传感器§9.3数字式传感器的应用编码器在测速中的应用M法测速（适合于高转速场合）Tm1···§9.3数字式传感器的应用编码器在测速中的应用T法测速（适合于低转速场合）编码器输出脉冲m2···§9.3数字式传感器的应用编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器2—电动机3—转轴4—转盘5—工件6—刀具§9.3数字式传感器的应用编码器在伺服电机中的应用利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量§9.1光栅传感器§9.2编码器§9.3数字式传感器的应用第九章数字式传感器