1、第第3章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 數(shù)字式傳感器能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。數(shù)字式傳感器能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 與模擬傳感器相比的特點(diǎn)是與模擬傳感器相比的特點(diǎn)是: :抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng), ,穩(wěn)定性強(qiáng)穩(wěn)定性強(qiáng); ;易于微機(jī)接口易于微機(jī)接口, ,便于信號處理和實(shí)現(xiàn)自動化測量。便于信號處理和實(shí)現(xiàn)自動化測量。 本章講述常用的數(shù)字式傳感器本章講述常用的數(shù)字式傳感器 光柵傳感器光柵傳感器 磁柵傳感器磁柵傳感器 旋轉(zhuǎn)式光電編碼器旋轉(zhuǎn)式光電編碼器 直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器3.1 3.1 光柵傳感器光柵傳感器一一. .光柵及其測量系統(tǒng)光柵及其測量系統(tǒng)1.1.光

2、柵的結(jié)構(gòu)類型光柵的結(jié)構(gòu)類型 1 1）長光柵尺）長光柵尺2）圓光柵）圓光柵刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵也稱光柵盤，用刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心一種是切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個毫米的小圓相切的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個毫米的小圓相切若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。若按光線的走向，圓光柵只有透

3、射光柵。2.2.光柵測量系統(tǒng)（光柵讀數(shù)頭）光柵測量系統(tǒng)（光柵讀數(shù)頭）二二. .光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理1.1.莫爾條紋的形成及其特征莫爾條紋的形成及其特征 當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的刻線相交一個微當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的刻線相交一個微小的夾角時小的夾角時, , 光源照射光柵尺，由于光源照射光柵尺，由于擋光擋光效應(yīng)效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯開處形成暗帶。在與光柵而在刻線彼此錯開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上線紋大致垂直的方向上, , 產(chǎn)生出亮暗相間產(chǎn)生出亮暗相間的條紋的條紋, , 這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條紋莫爾條紋

4、”。莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征1) 放大作用放大作用WWBCABBH2422sin22放大倍數(shù)為放大倍數(shù)為 1/,1/,越小越小, , B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1時時 =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mmW=0.02mm BH=11.4592mm。2) 2) 對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)關(guān)系)cos)2cos(0 xUUxWUUUmavmavW2( , 3） 誤差的平均效應(yīng)誤差的平均效應(yīng)光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵

5、的大量刻線形成莫爾條紋由光柵的大量刻線形成, 對線紋的刻劃誤差對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用有平均抵消作用, 幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。短周期誤差的影響。 例例W=0.02mm, 接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范圍內(nèi)有范圍內(nèi)有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對莫爾條紋位置和形狀基本無影響。差對莫爾條紋位置和形狀基本無影響。2.2.辨向原理及辨向電路辨向原理及辨向電路1 1）為什么要辨向）為什么要辨向 當(dāng)

6、可動光柵（主光柵）無論向前或向后移當(dāng)可動光柵（主光柵）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的變化，后面的數(shù)收到莫爾條紋明暗交替的變化，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。測量電路中加入辨向電路。2 2）辨向原理與辨向電路）辨向原理與辨向電路辨向電路辨向電路設(shè)計數(shù)器記得脈沖數(shù)為設(shè)計數(shù)器記得脈沖數(shù)為N，位移，位移 x=

7、N W 光柵測量位移屬于增量光柵測量位移屬于增量式測量。式測量。三三.細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù) 目的：提高分辨力（測量比柵距更小的位移量）。目的：提高分辨力（測量比柵距更小的位移量）。 細(xì)分思想：在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周細(xì)分思想：在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周期內(nèi)期內(nèi), , 發(fā)出發(fā)出n n脈沖脈沖, , 每個脈沖代表原來柵距的每個脈沖代表原來柵距的1/n1/n。由于細(xì)分后計數(shù)脈沖頻率提高了由于細(xì)分后計數(shù)脈沖頻率提高了n n倍倍, , 因此也稱之因此也稱之為為n n倍頻。倍頻。 細(xì)分類型：細(xì)分類型： 電子細(xì)分又分為四倍頻直接細(xì)分和電位器橋細(xì)分。電子細(xì)分又分為四倍頻直接細(xì)分和電位器橋細(xì)分。1

8、. 四倍頻細(xì)分四倍頻細(xì)分在相差在相差B/4B/4位置上安放兩個光電元件，得到兩個相差位置上安放兩個光電元件，得到兩個相差/2/2電壓信號（電壓信號（S S和和C C），將這兩個信號整形、反相），將這兩個信號整形、反相得到四個依次相差得到四個依次相差/2/2的電壓信號。的電壓信號。0 0（S S），），9090（C C）180180（S S）270270（C C）。）。在光柵作相對運(yùn)動時，經(jīng)過微分電路，在正向運(yùn)動在光柵作相對運(yùn)動時，經(jīng)過微分電路，在正向運(yùn)動時，得到四個微分脈沖（加計數(shù)脈沖）；反向運(yùn)動時，得到四個微分脈沖（加計數(shù)脈沖）；反向運(yùn)動時，得到四個微分脈沖（減計數(shù)脈沖）。時，得到四個微分脈

9、沖（減計數(shù)脈沖）。2.2.電位器橋（電阻鏈）細(xì)分電位器橋（電阻鏈）細(xì)分實(shí)現(xiàn)方法及原理實(shí)現(xiàn)方法及原理 四細(xì)分后得到的四個相位差為四細(xì)分后得到的四個相位差為9090度的交流信號度的交流信號U Um msin,Usin,Um mcoscos和和-U-Um msin,-Usin,-Um mcoscos。以這四。以這四個交流信號為原函數(shù)（兩原函數(shù)間各接幾個電位個交流信號為原函數(shù)（兩原函數(shù)間各接幾個電位器，構(gòu)成電位器橋，把器，構(gòu)成電位器橋，把=0-360=0-360度度, , （x=0-Wx=0-W）分成四個象限。分成四個象限。每一個象限，由于電壓的合成與電位器的移相作每一個象限，由于電壓的合成與電位器的

10、移相作用，電阻鏈上各電位器中間抽頭得到幅值各不相用，電阻鏈上各電位器中間抽頭得到幅值各不相同的一系列移相信號（新函數(shù)）。同的一系列移相信號（新函數(shù)）。四四.光柵數(shù)顯裝置光柵數(shù)顯裝置 主要芯片簡介主要芯片簡介1.1.光柵信號處理芯片光柵信號處理芯片(HKF710502)(HKF710502) 主要功能：信號的同步、整形、四細(xì)分、辨向、加減控制、主要功能：信號的同步、整形、四細(xì)分、辨向、加減控制、參考零位信號的處理、記憶功能的實(shí)線和分辨率的選擇等。參考零位信號的處理、記憶功能的實(shí)線和分辨率的選擇等。2.2.邏輯控制芯片（邏輯控制芯片（HKE701314HKE701314） 主要功能：為整機(jī)提供高頻

11、和低頻脈沖；完成主要功能：為整機(jī)提供高頻和低頻脈沖；完成BCDBCD譯碼；譯碼；XJXJ校驗(yàn)及超速報警。校驗(yàn)及超速報警。3.3.可逆計數(shù)與零位記憶芯片（可逆計數(shù)與零位記憶芯片（HKE701201)HKE701201) 主要功能：接收從光柵信號處理芯片傳來的計數(shù)脈沖，完主要功能：接收從光柵信號處理芯片傳來的計數(shù)脈沖，完成可逆計數(shù)；接收參考零位脈沖，使計數(shù)器確定參考零位成可逆計數(shù)；接收參考零位脈沖，使計數(shù)器確定參考零位的數(shù)值，同時也完成清零、置數(shù)、記憶等功能。的數(shù)值，同時也完成清零、置數(shù)、記憶等功能。五五.光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用3.2 3.2 旋轉(zhuǎn)式光電編碼器旋轉(zhuǎn)式光電編碼器一一.增量式

12、增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器旋轉(zhuǎn)光電編碼器1.1.工作原理工作原理2.2.增量式光電盤增量式光電盤4.旋轉(zhuǎn)方向的判別旋轉(zhuǎn)方向的判別二二. .絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器1.1.測量原理測量原理2.2.絕對式光電碼盤絕對式光電碼盤n2360min3.3.循環(huán)碼盤循環(huán)碼盤1）編碼規(guī)則）編碼規(guī)則將二進(jìn)制碼右移將二進(jìn)制碼右移 一位并舍去最末一位并舍去最末位與原二進(jìn)制做位與原二進(jìn)制做不進(jìn)位加法。不進(jìn)位加法。2）特點(diǎn)）特點(diǎn)相鄰兩個數(shù)碼之相鄰兩個數(shù)碼之間只有一位變化。間只有一位變化。4.提高分辨率的方法插值法提高分辨率的方法插值法三三. .光電編碼器的應(yīng)用光電編碼器的應(yīng)用1.1.在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床中的

13、應(yīng)用2.2.角度及轉(zhuǎn)速的測量角度及轉(zhuǎn)速的測量 脈沖頻率法脈沖頻率法脈沖周期法脈沖周期法3.3 直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器一.直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)二二. 工作原理工作原理三三. 數(shù)顯裝置數(shù)顯裝置1.1.鑒幅式鑒幅式2.主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)1 1）精度）精度 在整個測量范圍內(nèi)作靜態(tài)測量時的顯示值與被測實(shí)際值的在整個測量范圍內(nèi)作靜態(tài)測量時的顯示值與被測實(shí)際值的最大可能偏離量，用正負(fù)偏差表示最大可能偏離量，用正負(fù)偏差表示2 2）分辨力）分辨力 系統(tǒng)能反映的最小位移變化量。在數(shù)字系統(tǒng)中分辨力與脈系統(tǒng)能反映的最小位移變化量。在數(shù)字系統(tǒng)中分辨力與脈沖當(dāng)量或最低為顯示數(shù)字一致。所謂脈沖當(dāng)量沖當(dāng)量或

14、最低為顯示數(shù)字一致。所謂脈沖當(dāng)量q q是指一個是指一個脈沖所對應(yīng)的機(jī)械位移變化量。對于線位移測量，可用下脈沖所對應(yīng)的機(jī)械位移變化量。對于線位移測量，可用下式計算：式計算：m) ( nWq/103式中：式中：W W節(jié)距節(jié)距 n n系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)3）跟蹤速度）跟蹤速度 當(dāng)機(jī)械運(yùn)動大于系統(tǒng)所允許的跟蹤速度時，增量當(dāng)機(jī)械運(yùn)動大于系統(tǒng)所允許的跟蹤速度時，增量脈沖跟不上機(jī)械位移增量，就會發(fā)生丟失節(jié)距而脈沖跟不上機(jī)械位移增量，就會發(fā)生丟失節(jié)距而不能正常工作的情況。系統(tǒng)的允許跟蹤速度不能正常工作的情況。系統(tǒng)的允許跟蹤速度u ui i為為qfuii式中：式中：f fi i- -增量脈沖頻率增量脈沖頻率

15、 q-q-脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量四四.安裝使用注意事項安裝使用注意事項 安裝結(jié)構(gòu)圖如下所示。完整的感應(yīng)同步器有定尺組件、安裝結(jié)構(gòu)圖如下所示。完整的感應(yīng)同步器有定尺組件、滑尺組件和防護(hù)罩三部分?；呓M件和防護(hù)罩三部分。感應(yīng)同步器的安裝要求如下：感應(yīng)同步器的安裝要求如下：五五.感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器的應(yīng)用1.1.機(jī)床閉環(huán)控制機(jī)床閉環(huán)控制2.定位控制定位控制3.隨動控制隨動控制3.4 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器一一. .旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)二二.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理1.1.兩級繞組式的工作原理兩級繞組式的工作原理2.四級繞組式的工作方式四級繞組式的工作方式1 1）鑒相工作方式）鑒相工作方式定子繞組分別通以同幅定子繞組分別通以同幅值、同頻率、相位相差值、同頻率、相位相差9090度的交流電壓。度的交流電壓。tUutUumcmscossin11根據(jù)疊加原理，轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)疊加原理，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為這兩個電中的感應(yīng)電壓為這兩個電壓的代數(shù)和，即壓的代數(shù)和，即)cos(2tKUum2）鑒幅式工作方式）鑒幅式工作方式 當(dāng)兩個定子繞組分別通以同頻率、同相位，單幅值不同的當(dāng)兩個定子繞組分別通以同頻率、同相位，