傳感器原理及應(yīng)用-第9章 - 數(shù)字式傳感器課件

1、 第九章 數(shù)字式傳感器 隨著微型計算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用泛應(yīng)用，信號的檢測、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化時代。 通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用微機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理進(jìn)行處理，這種方法簡便易行。 缺點(diǎn)： 系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜。 數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問題而出現(xiàn)的，它能把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。 數(shù)字式傳感器是測試技術(shù)、微電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。 第九章 數(shù)字式傳感器 數(shù)字式傳感器的特點(diǎn)： 測量精度高，分辨率高； 易于處理與存儲； 抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳輸。 可以減少讀數(shù)誤差；常用的數(shù)字式傳感器 柵

2、式數(shù)字傳感器； 編碼器； 頻率/數(shù)字輸出式數(shù)字傳感器； 感應(yīng)同步器式的數(shù)字傳感器。9.1 光柵傳感器9.2 編碼器9.3 數(shù)字式傳感器的應(yīng)用第九章 數(shù)字式傳感器 光柵傳感器：主要用于線位移和角位移的測量。一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理9.1 光柵傳感器光柵傳感器的原理：莫爾條紋一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理9.1 光柵傳感器標(biāo)尺光柵指示光柵莫爾條紋形成 當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線紋相交一個微小的夾角時，由于擋光效應(yīng)(當(dāng)線紋密度50條/mm時)或光的衍射作用(當(dāng)線紋密度100條/mm時)，在與光柵線紋大致垂直的方向上(兩線紋夾角的等分線上)產(chǎn)生出亮、暗相間的條紋稱為“莫爾條紋”。光柵傳感器的原理：

3、莫爾條紋一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理9.1 光柵傳感器BH莫爾條紋的特點(diǎn)：一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理9.1 光柵傳感器BH(1) 位移的放大作用 越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1/倍。例如=0.1，則1/573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍， 這相當(dāng)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。 莫爾條紋的特點(diǎn)：一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理9.1 光柵傳感器BH光柵1光柵2(3) 誤差的平均效應(yīng)(4) 連續(xù)變倍的作用其放大倍數(shù)可通過使角連續(xù)變化， 從而獲得任意粗細(xì)的莫爾條紋。莫爾條紋位移測量原理一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理9.1 光柵傳感

4、器光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓關(guān)系二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器光柵讀數(shù)據(jù)頭結(jié)構(gòu)示意圖光柵讀數(shù)據(jù)頭：實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量。二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器光柵數(shù)顯表：由于位移量的測量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。為了辨別位移的方向，進(jìn)一步提高測量精度，以及實(shí)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(jìn)一步的處理。光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細(xì)分電路、辯向電路及數(shù)字顯示電路等組成。二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器為何要辯向？二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器為何要辯向？當(dāng)可動光柵無論向前或向后移動時，在一固定點(diǎn)安裝的光電元件只能接收到莫爾條紋明暗交替

5、的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計數(shù)脈沖，從而無法辨別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復(fù)移動時位移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向電路。在相隔1/4BH莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，獲得相位差為90的兩個信號辨向。BH二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器Y1Y2AAAABB3124uu1u20 xW4HB4W2W43W辨向邏輯工作原理 1、2光電元件；3、4光柵；二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器Y1Y2AAuu1u20 xW4W2W43W辨向邏輯工作原理 二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器Y1Y2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，u

6、1所產(chǎn)生的脈沖輸出。這樣就可以根據(jù)運(yùn)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(shí)時顯示出相對于某個參考點(diǎn)的位移量。AAuu1u20 xW4W2W43W辨向邏輯工作原理 二、光柵傳感器的組成9.1 光柵傳感器9.1 光柵傳感器9.2 編碼器9.3 數(shù)字式傳感器的應(yīng)用第九章 數(shù)字式傳感器 9.2 編碼器一、光電式編碼器工作原理光電式編碼器的工作原理示意圖1光源；2透鏡；3碼盤；4窄縫；5光電元件組 碼盤由光學(xué)玻璃制成，其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)。3碼盤9.2 編碼器一、光電式編碼器工作原理光電式編碼器的工作原理示意圖1光源

7、；2透鏡；3碼盤；4窄縫；5光電元件組 當(dāng)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)窄縫后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)， 對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。 當(dāng)碼盤旋至不同位置時，光敏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。 3碼盤9.2 編碼器C4C3C2C1二、碼制與碼盤 編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、 循環(huán)碼等。9.2 編碼器 編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、 循環(huán)碼等。窄縫 n位(n個碼道)的二進(jìn)制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n。位數(shù)越多，可分辨的角

8、度越小。思考： 為了達(dá)到1的分辨率，至少需要采用多少位的碼盤？二、碼制與碼盤9.2 編碼器二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1，C1對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為： 采用二進(jìn)制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因， 某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。例：由二進(jìn)制碼0111過渡到1000時，即由7變?yōu)?時，如果刻度機(jī)械加工誤差，此時就可能會出現(xiàn)815間的某個數(shù)字。二、碼制與碼盤9.2 編碼器消除粗誤差方法：采用循環(huán)碼（格雷碼）代替二進(jìn)制碼位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼；循環(huán)碼為

9、無權(quán)碼；循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會產(chǎn)生粗誤差。 二、碼制與碼盤9.2 編碼器四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對照表或9.2 編碼器單盤與多盤編碼器二、碼制與碼盤單盤編碼器 全部碼道在一個圓盤上，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但當(dāng)位數(shù)要求增多的情況下，若要求具有很高的分辨力，則制造困難，圓盤直徑也要大。 多盤編碼器 采用幾個碼盤通過機(jī)械傳動裝置連成一起的碼盤組，則可大大提高分辨率。9.2 編碼器9.1 光柵傳感器9.2 編碼器9.3 數(shù)字式傳感器的應(yīng)用第九章 數(shù)字式傳感器 9.3 數(shù)字式傳感器的應(yīng)用編碼器在測速中的應(yīng)用M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）T m19.3 數(shù)字式傳感器的應(yīng)用編碼器在測速中的應(yīng)用T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）編碼器輸出脈沖 m2 9.3 數(shù)字式傳感器的應(yīng)用編碼器在定位加工中的應(yīng)用1絕對