傳感器技術(shù)-第十章-數(shù)字式傳感器

第十章數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器:把被測模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。優(yōu)點(diǎn)：①測量精度和分辨力高，測量范圍大；

②信號易于處理傳輸；

③抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；

④便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；

⑤安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。10.1感應(yīng)同步器（自學(xué)）10.2光柵10.3編碼器10.4頻率式傳感器（自學(xué)）10.5集成數(shù)字式傳感器（自學(xué)）光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。

計(jì)量光柵按光路可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類；光柵按形狀及用途又可分為長光柵和圓光柵。10.2光柵10.2.1光柵的結(jié)構(gòu)與測量原理光柵副:指示光柵＋主光柵a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）。通常情況下，a=b=W/2，主副光柵刻線完全相同。透射光柵:在透明基板上刻明暗相間的條紋。反射光柵:在金屬表面刻平行溝槽。上一頁下一頁返回常用的光柵每毫米10、25.50、100條線莫爾條紋演示1.莫爾條紋B橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋寬度:

莫爾條紋的寬度B由光柵常數(shù)與光柵夾角決定

莫爾條紋原理莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，則:光柵分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）

莫爾條紋的寬度是:B≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于B較大,是柵距的32倍，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)方向性:垂直于角平分線，同步性:光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距→方向?qū)?yīng)放大性:夾角θ很小→B>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度可調(diào)性:夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準(zhǔn)確性:大量刻線→誤差平均效應(yīng)→克服個別/局部誤差→提高精度理想狀態(tài)下莫爾條紋的光強(qiáng)的變化與光柵的位移成線性關(guān)系，但由于光線的發(fā)散、光柵的幾何形狀誤差、刻線的圖形誤差及光電元件的參數(shù)影響，實(shí)際輸出波形是一近似的正弦曲線。（書P230圖10-14）光電元件有光電池和光敏三極管等部分。需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件,以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端,常接有放大器,通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。2.光電轉(zhuǎn)換光敏元件輸出電壓u與光柵相對位移x之間的關(guān)系:當(dāng)只在中心位置安裝一個光電器件時:徑向光柵進(jìn)行角度測量當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時,條紋即沿徑向移動,測出條紋移動數(shù)目,即可得到標(biāo)尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。上一頁下一頁返回 單個光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號,只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向,因而就不能判別運(yùn)動零件的運(yùn)動方向,以致不能正確測量位移。 如果能夠在物體正向移動時,將得到的脈沖數(shù)累加,而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù),這樣就能得到正確的測量結(jié)果。上一頁下一頁返回10.2.2數(shù)字轉(zhuǎn)換原理1.辨向原理在相距四分之一B的位置上設(shè)置兩個光電元件1和2,以得到兩個相位互差90°的正弦信號辨向光路設(shè)置B辨向電路正向移動時脈沖數(shù)累加,反向移動時,便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù),這樣光柵傳感器就可辨向。上一頁下一頁返回辨向電路各點(diǎn)波形圖2.電子細(xì)分提高分辨力方法: 在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對柵距進(jìn)行測微(電子學(xué)中稱“細(xì)分”)，來得到所需的最小讀數(shù)值。細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期（即運(yùn)動零件移動一個柵距）時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。上一頁下一頁返回（1）直接細(xì)分直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。四細(xì)分可安裝4個依次相距四分之一柵距的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內(nèi)將依次產(chǎn)生相位差為90度的4個計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。優(yōu)點(diǎn):對莫爾條紋信號波形要求不嚴(yán)格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)。 缺點(diǎn):光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回未細(xì)分(a)與細(xì)分(b)的波形比較（2）電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）用信號Usc去觸發(fā)施密特電路。θ是和位移x成比例的;β為細(xì)分角,其值與R1和R2的選擇有關(guān)。當(dāng)θ=-α(或θ=360°-α)時,Usc等于零,施密特電路過零觸發(fā)。則:電阻電橋細(xì)分法用于10細(xì)分上一頁下一頁返回為光柵設(shè)計(jì)的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計(jì)數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路:放大、整形、細(xì)分、辨向、報警、阻抗變換等。為光柵設(shè)計(jì)的專用信號處理單元（光柵插補(bǔ)器）功能同上頁光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個自由度）光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表光柵在機(jī)床上

的安裝位置

（3個自由度）（續(xù)）2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示3自由度光柵數(shù)顯表光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表光柵數(shù)顯表

設(shè)定按鍵安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況

防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部10.3.1基本結(jié)構(gòu)與原理最簡單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE)，包括旋轉(zhuǎn)式編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）按原理分類:電觸式、電容式、感應(yīng)式和光電式等旋轉(zhuǎn)式編碼器有絕對編碼器和增量編碼器兩種上一頁下一頁返回10.3編碼器絕對式編碼器演示4個電刷4位二進(jìn)制碼盤

+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360°/2n

每個碼道上的數(shù)字Ci只能是0或1C4C3C2C1二進(jìn)制碼盤主要特點(diǎn):（1）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，其最小分辨力θ1＝3600／2n；（2）二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼CnCn-1…C1對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為:（3）碼盤轉(zhuǎn)動中，若第K位CK變化，則所有低于第K位的位Cj(j<K)全部同時改變。上一頁下一頁返回二進(jìn)制碼盤的粗大誤差及消除要求各個碼道刻劃精確，彼此對準(zhǔn)，這給碼盤制作造成很大困難。由于微小的制作誤差，只要有—個碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。消除粗大誤差方法: 雙讀數(shù)頭法；格雷碼(循環(huán)碼)代替二進(jìn)制碼 上一頁下一頁返回直觀,易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理。多位碼同時動作→同步誤差→錯碼格雷碼（循環(huán)碼）有權(quán)碼

對稱性,無權(quán)碼 二進(jìn)制碼相鄰兩數(shù)只有一位不同→每次只有一位變化→轉(zhuǎn)換(1)n位格雷碼碼盤具有2n種不同編碼；(2)格雷碼碼盤具有軸對稱性,其最高位相反,其余各位相同；(3)格雷碼為無權(quán)碼；(4)格雷碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時,編碼中只有一位發(fā)生變化,不會產(chǎn)生粗大誤差。上一頁下一頁返回角度位置十進(jìn)制碼二進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0123456789101112131415000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位編碼器碼制對照格雷碼和二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系:根據(jù)以上關(guān)系,兩種碼制之間的轉(zhuǎn)換可用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。1.絕對編碼器10.3.2旋轉(zhuǎn)式光電編碼器

1－光源2－柱面鏡3－碼盤4－狹縫5－元件大多采用格雷碼盤單盤與多盤編碼器: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。上一頁下一頁返回正向旋轉(zhuǎn)時輸出波形反向旋轉(zhuǎn)時輸出波形2.增量編碼器轉(zhuǎn)軸碼盤及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC另一種設(shè)計(jì)形式的增量編碼器辨向信號和零標(biāo)志光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號A.B彼此相差90相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90。狹縫C,每轉(zhuǎn)一圈能產(chǎn)生一個脈沖,該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖,作為測量的起始基準(zhǔn)。光電增量編碼器的應(yīng)用測轉(zhuǎn)速和線位移10.3.3測量電路目前都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感器檢測元件封裝在一起。故測量電路部分只需計(jì)數(shù)和細(xì)分電路。計(jì)數(shù)電路波形圖如下:正轉(zhuǎn)時反轉(zhuǎn)時1.計(jì)數(shù)電路細(xì)分電路和光柵細(xì)分電路原理相同。角編碼器外形角編碼器外形（續(xù)）拉線式角編碼器利用線輪,能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。角編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）絕對式編碼器和增量式碼盤增量式碼盤10碼道光電絕對式碼盤絕對式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼,可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志安裝套編碼器的安裝方式

1.編碼器的套式安裝安裝軸2.編碼器的軸式安裝編碼器在定位加工中的應(yīng)用