第7章 位移数字传感器

第七章位移-数字传感器电气信息工程系概述一、位移-数字传感器的特点：大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能力强，稳定性好，易于与计算机接口。二、分类角度数字编码器光栅传感器感应同步器第一节角度－数字编码器一、分类脉冲盘式编码器（增量编码器）接触式编码器编码器码盘式编码器电磁式编码器（绝对编码器）光电编码器二、码盘式编码器（绝对编码器）1、接触式码盘1）四位二进制码盘电刷α=3600/2n循环码盘n决定了码盘的精度，受电刷数量的限制特点：简单对码盘的制作与电刷的安装要求严2）循环码盘相邻的两个数码间只有一个是变化的。可降低对对码盘的制作与电刷的安装要求。码制转换1(01)nniiiCBCBBin01100110101二进制码：　　　循环码：　1(01)nniiiBCBCBin01100100100循环码：　　　二进制码：2、光电式编码器（非接触式）结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透光的码形。装有与码道相同个数的光电转换元件替代电刷。特点：非接触式，分辨率高，精度高（10-8），n可达16，体积小，易于集成，允许高速旋转。但复杂，光源寿命较短。磁编码器的基本结构电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。1432NNSSNNSSNNSS1—磁鼓；2—气隙；3—磁敏传感部件；4—磁敏电阻元件三、脉冲盘式编码器（增量编码器）1、结构与工作原理光电转换器光栅盘缝隙(1度1个)光电管三、脉冲盘式编码器（增量编码器）实际码盘零位外圈内圈零位脉冲A相脉冲B相脉冲光电转换辩向电路：2、输出例：国产SZGH-01600P/rA、B相脉冲，相差90度1P/rC脉冲，作零位标记30KHZ最高可达25000P/r3、精度取决于码盘本身的精度分辨率取决于每转的脉冲数4、利用C相脉冲，每转一圈复位一次，因而无论正、反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故称为增量法。第二节栅式数字传感器一、分类1、光栅：物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于光谱分析，波长等的测定。计量光栅：利用莫尔（Moire）现象，主要用于测量长度、角度、v、a、震动等。2、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录音带。本节主要介绍计量光栅二、计量光栅1、分类透射光栅长光栅幅值光栅（黑白光栅）反射光栅圆光栅相位光栅（闪耀光栅）新型：激光全息光栅，偏振光栅此处主要讲透射光栅2、工作原理光栅：栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。a=b光栅距：d=a+babdw莫尔条纹两个亮条纹之间的宽度既为其间距。莫尔条纹：两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅线形成很小的夹角θ，由此出现的明暗相间的条纹。ww1）栅尺：标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔条纹区。2）莫尔条纹：w=d/θ当θ很小时w对d有几百倍的放大作用例：令d=0.02mm,θ=0.00174532rad则w=d/θ=11.4592mmK=w/d=573栅尺移动一个d，莫尔条纹移动一个w；栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应误差平均效应：栅线标准均方差σ莫尔条纹均方差：σ=√n3）光能分布：理想：三角波实际：正弦波四、光栅测量系统组成：光栅光学系统电子系统（细分、辩向、显示）机械部分1、光栅光学系统（简称光栅系统）1）组成与功能a照明系统；b光栅副：标尺光栅与指示光栅，在平行光照射下形成莫尔条纹。测量装置的精度主要由标尺光栅决定。光栅读数头结构示意图x123451—光源；2—透镜；3—标尺光栅；4—指示光栅；5—光电元件c光电接收系统：光电接收元件，把由光栅副形成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数相等。光栅读数头：照明系统，指示光栅，光电接收系统（除标尺光栅外）组合在一起。在它与标尺光栅作相对位移的过程中，根据标尺光栅读出移动部件的位移量。辩向：2、电子系统1）电子细分目的：提高分辨率措施：倍频、插补，在信号的一个周期内插入许多计数脉冲，以提高信号的重复频率和分辨率。分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等向a四倍频直接细分电路：在一个w内依次放四个光电接收元件，相差90度，移动一个d，可获得四相信号。整形、辩向。10倍频矢量图b矢量细分(P201)2、光栅测量的特点高精度：0.2-0.4μm/m，仅次于激光高分辨率：0.1μm大量程：可大于1米抗干扰能力强，可实现动态测量。3、应用范围长度与角度的精密测量（如数控机床，测量机等），以及能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。作业1、试述光栅传感器的基本原理及特点。2、电子细分电路的目的是什麽？3、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。如果光敏二极管的响应时间为10-6S，栅线密度为50线/mm，计算光栅所允许的移动速度。