第十三章-數(shù)字式傳感器優(yōu)選ppt資料

第十三章數(shù)字式傳感器第一頁(yè)，共35頁(yè)。數(shù)字式傳感器與模擬式傳感器相比有以下優(yōu)點(diǎn):（1）測(cè)量精度和分辨率高；（2）穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)；（3）便于與微機(jī)接口，信號(hào)易于處理和存儲(chǔ)．適宜遠(yuǎn)距離傳輸(chuánshū)；（4）可以減少讀數(shù)誤差。第二頁(yè)，共35頁(yè)。數(shù)字式傳感器的發(fā)展不長(zhǎng)，到目前為止它有兩種類型：（1）以編碼方式產(chǎn)生代碼型的數(shù)字信號(hào)；代碼型數(shù)字傳感器又稱編碼器，它輸出的信號(hào)是數(shù)字代碼，每一個(gè)代碼對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入量的值。這類傳感器有絕對(duì)式光電編碼器和接觸式碼盤等.（2）輸出計(jì)數(shù)型的離散(lísàn)脈沖信號(hào)；計(jì)數(shù)型數(shù)字傳感器又稱脈沖數(shù)字傳感器，它輸出的脈沖數(shù)與輸入量成正比。這類傳感器有增量式光電脈沖編碼器、光柵傳感器等。第三頁(yè)，共35頁(yè)。數(shù)字式傳感器可以測(cè)線位移，也可以測(cè)角位移，還可用來(lái)計(jì)數(shù)。如計(jì)數(shù)型傳感器加上計(jì)數(shù)器可用來(lái)檢測(cè)輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)。數(shù)字式傳感器在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制中得到了日益廣泛的應(yīng)用。本章主要介紹常用的數(shù)字式位置(wèizhi)檢測(cè)傳感器，如光柵傳感器、光電式編碼器和感應(yīng)同步器等。第四頁(yè)，共35頁(yè)。13．1光柵傳感器

光柵按工作原理和用途可分為：物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵是利用光柵的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的檢測(cè)。計(jì)量光柵則利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象．主要應(yīng)用于線位移和角位移的檢測(cè)。計(jì)量光柵按應(yīng)用場(chǎng)合不同有：透射光柵和反射光柵。按用途不同有：測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量角位移的圓光柵；按光柵的表面結(jié)構(gòu)(jiégòu)不同有幅值(黑白)光柵和相位(閃耀)光柵。

第五頁(yè)，共35頁(yè)。13．1．1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理1．光柵結(jié)構(gòu)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)(chángshù))。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l0、25、50、l00、250條等線條。第六頁(yè)，共35頁(yè)。2．光柵測(cè)量原理把兩塊柵距相等的光柵(光柵l，光柵2)面向?qū)μ婧显谝黄?，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角，如圖13—2所示。這樣就可以看到在近于垂直柵線方向(fāngxiàng)上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。第七頁(yè)，共35頁(yè)。長(zhǎng)光柵橫向(hénɡxiànɡ)莫爾條紋兩塊光柵的柵線重合部位，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(gòuchéng)的；兩塊光柵的柵線錯(cuò)開部位，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。第八頁(yè)，共35頁(yè)。莫爾條紋測(cè)位移具有以下特點(diǎn)(tèdiǎn)：(1)位移的放大作用當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)．莫爾條紋便跟著移動(dòng)—個(gè)條紋寬度BH．如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)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(guān)系為θ越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1／θ倍。例如θ＝0.1度，則1/θ=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(shuō)明光柵具有位移放大作用，從而提高了測(cè)量的靈敏度。第九頁(yè)，共35頁(yè)。(2)莫爾條紋移動(dòng)方向反映位移方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動(dòng)；反之．當(dāng)光柵l向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動(dòng)。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵l的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。(3)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成．對(duì)線紋的刻劃(kèhuá)誤差有平均抵消作用．能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

（4）莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似(jìnsì)正弦變化

第十頁(yè)，共35頁(yè)。13．1.2光柵傳感器的組成光柵傳感器作為一個(gè)完整的測(cè)量裝置(zhuāngzhì)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)換成響應(yīng)的電信號(hào)的部分；光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。第十一頁(yè)，共35頁(yè)。1．光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺（主）光柵、指示（副）光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多．但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵互相重疊。兩者之間有微小的空隙。標(biāo)尺光柵一般固定在被測(cè)物體上，且隨被測(cè)物體一起(yīqǐ)移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。第十二頁(yè)，共35頁(yè)。從圖看出，兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從黑暗(hēiàn)到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗，再到最暗的漸變過(guò)程。主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W．光強(qiáng)變化一個(gè)周期．若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào).接近于正弦周期函數(shù)，如以電壓輸出．即第十三頁(yè)，共35頁(yè)。2．光柵數(shù)顯表光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量．因而對(duì)位移量的測(cè)量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。為了(wèile)辨別位移的方向，進(jìn)一步提高測(cè)量的精度，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(hào)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、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。第十四頁(yè)，共35頁(yè)。辨向原理：采用一個(gè)光電元件的光柵讀數(shù)頭，無(wú)論主光柵作正向還是反向移動(dòng)，莫爾條紋都作明暗交替變化，光電元件總是輸出同一規(guī)律(guīlǜ)變化的電信號(hào)，不能辨別運(yùn)動(dòng)方向。為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個(gè)電信號(hào)。第十五頁(yè)，共35頁(yè)。第十六頁(yè)，共35頁(yè)。（2)細(xì)分技術(shù)為提高分辨率和測(cè)量(cèliáng)比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。

所謂細(xì)分，就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖。即可使測(cè)量(cèliáng)精度提高到n倍，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來(lái)柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。

第十七頁(yè)，共35頁(yè)。在上述辨向原理中可知，在相差(xiānɡchà)BH/4位置上安裝兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位相差(xiānɡchà)的電信號(hào)、若將這兩個(gè)信號(hào)反相就可以得到四個(gè)依次相差(xiānɡchà)的信號(hào)，從而可以在移動(dòng)一個(gè)柵距的周期內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。第十八頁(yè)，共35頁(yè)。13．2編碼器將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量(位移)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)，這類傳感器稱為(chēnɡwéi)編碼器。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(cè)量。第十九頁(yè)，共35頁(yè)。13．3．2信號(hào)處理方式第二十七頁(yè)，共35頁(yè)。（4）莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似(jìnsì)正弦變化第二十三頁(yè)，共35頁(yè)。（4）可以減少讀數(shù)誤差。分段繞組分為兩組，在空間相差90度相角，故又稱為正弦、余弦繞組。數(shù)字式傳感器的發(fā)展不長(zhǎng)，到目前為止它有兩種類型：采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。式中的θ＝2πx/w稱為感應(yīng)(gǎnyìng)電動(dòng)勢(shì)的相位角，它在一個(gè)節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對(duì)位移有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)距，變化一個(gè)周期(2π)。第三十四頁(yè)，共35頁(yè)。（1）測(cè)量精度和分辨率高；第二十五頁(yè)，共35頁(yè)。2光柵傳感器的組成第二十九頁(yè)，共35頁(yè)。數(shù)字式傳感器與模擬式傳感器相比有以下優(yōu)點(diǎn):（3）便于與微機(jī)接口，信號(hào)易于處理和存儲(chǔ)．適宜遠(yuǎn)距離傳輸(chuánshū)；編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等，后兩種為非接觸式編碼器。非接觸式編碼器具有非接觸、體積小和壽命長(zhǎng)，且分辨率高的特點(diǎn)。其中光電式編碼器的性價(jià)比最高，它作為精密位移傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到(dédào)了廣泛的應(yīng)用。目前我國(guó)已有23位光電編碼器。

第二十頁(yè)，共35頁(yè)。13．2．1光電式編碼器由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(yuánpán)(碼盤)、窄縫以及安裝在圓盤(yuánpán)兩邊的光源和光敏元件等組成。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)。當(dāng)光源將光投射在碼盤上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，通過(guò)亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件輸出信號(hào)的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量。第二十一頁(yè)，共35頁(yè)。二進(jìn)制碼盤具有以下主要特點(diǎn):(1)一個(gè)n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為(2)二進(jìn)制為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1’….,C1對(duì)應(yīng)于有零位算起的轉(zhuǎn)角為；（3）碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，CK變化時(shí)，所有(suǒyǒu)的Cj(j<K)應(yīng)同時(shí)變化。

第二十二頁(yè)，共35頁(yè)。采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，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(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時(shí)改變。如果由于(yóuyú)刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會(huì)造成粗誤差。為了消除粗誤差，可采用雙讀數(shù)頭法，或用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。第二十三頁(yè)，共35頁(yè)。（1）循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，（2）從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化，如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能(kěnéng)有一個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差．產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。（3）對(duì)于n位循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有種不同編碼，最小分辨率為

第二十四頁(yè)，共35頁(yè)。因?yàn)檠h(huán)碼是一種無(wú)權(quán)(wúquán)碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼然后再譯碼。第二十五頁(yè)，共35頁(yè)。13．2．2磁編碼器由磁鼓與磁阻探頭(tàntóu)組成。

第二十六頁(yè)，共35頁(yè)。

感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形印刷電路繞組的互感隨相對(duì)位置不同而變化的原理，將直線(zhíxiàn)位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。第二十七頁(yè)，共35頁(yè)。13．3．1結(jié)構(gòu)原理感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于直線位移和角位移測(cè)量，兩者原理相同。直線式(長(zhǎng))感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連續(xù)(liánxù)繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，在空間相差90度相角，故又稱為正弦、余弦繞組。第二十八頁(yè)，共35頁(yè)。13．3．2信號(hào)處理方式按信號(hào)處理方式來(lái)分．可分為鑒相和鑒幅方式兩種。特征是用輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位(xiàngwèi)或幅值來(lái)進(jìn)行處理。下面以長(zhǎng)感應(yīng)同步器為例進(jìn)行敘述。1．鑒相方式滑尺的正余弦繞組在空間位置上錯(cuò)開l/4定尺節(jié)距，激勵(lì)時(shí)加上等幅等頻，相位(xiàngwèi)差為90度的交流電壓，即分別以sinwt和coswt來(lái)激勵(lì)，這樣，就可根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位(xiàngwèi)來(lái)鑒別位移量，故叫鑒相型。

第二十九頁(yè)，共35頁(yè)。當(dāng)正弦繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電壓為感應(yīng)(gǎnyìng)電勢(shì)為式中：k為耦合系數(shù)。當(dāng)余弦繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)(勵(lì)磁電壓)，感應(yīng)(gǎnyìng)電勢(shì)為

第三十頁(yè)，共35頁(yè)。按疊加原理求得定尺上總感應(yīng)(gǎnyìng)電動(dòng)勢(shì)為

式中的θ＝2πx/w稱為感應(yīng)(gǎnyìng)電動(dòng)勢(shì)的相位角，它在一個(gè)節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對(duì)位移有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)距，變化一個(gè)周期(2π)。

第三十一頁(yè)，共35頁(yè)。2．鑒幅方式如在滑尺的正弦、余弦繞組加以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)振幅來(lái)鑒別(jiànbié)位移量，稱為鑒幅型。加到滑尺兩繞組的交流