1、傳感器_章數(shù)字式傳感器-編碼器第1頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日10.3 編 碼 器編碼器：將機械位移模擬量轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。結(jié)構(gòu)形式：直線式、旋轉(zhuǎn)式電氣轉(zhuǎn)換原理：接觸（電刷）式、光電式、電磁式輸出量形式：脈沖輸出、與位置對應(yīng)的數(shù)字碼編碼器特點：高精度、 高分辨率和高可靠性。第2頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日10.3.1 基本結(jié)構(gòu)與原理一、編碼器的輸出增量編碼器脈沖輸出，被測量用累計脈沖數(shù)表示，需要基準數(shù)據(jù)才能完成位移的測量。絕對編碼器輸出為與位置相對應(yīng)的固定數(shù)字碼不需要基準數(shù)據(jù)和計數(shù)系統(tǒng)。真正意義上

2、的直接數(shù)字式傳感器編碼器增量編碼器 (脈沖盤式編碼器) 絕對編碼器 (碼盤式編碼器)第3頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日二、絕對編碼器工作原理1結(jié)構(gòu)與工作原理碼盤：制作有某種碼制的圖形。工作原理：對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)角位置，產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出。測量時，可根據(jù)碼盤的起始和終止位置，確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。編碼器碼制：二進制碼、 十進制碼、 循環(huán)碼（格雷碼）等。第4頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日3. 二進制碼盤：碼道：數(shù)量等于二進制碼的位數(shù)n碼盤的分辨率：=360/2n， 例如：4位二進制碼盤， 其最小分辨的角度 =360/24 2

3、2.5。零位對應(yīng)于0000；最外圈一共分成24=16個（ 4位二進制碼盤）間隔。共有16個角度方位，每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼。第5頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日二進制碼盤的誤差當某一較高的數(shù)碼改變時，例：01111000，h i所有低位數(shù)碼均需同時改變。當電刷進出導(dǎo)電區(qū)的先后不一致時，就會造成非單值粗誤差，例：0111 0101 1000消除非單值誤差的辦法 采用循環(huán)碼(格雷碼) 第6頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日4、格雷碼（循環(huán)碼）（1）格雷碼特點：從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。第7頁，共57頁，2022年，5月20

4、日，21點21分，星期日（2）二進制碼盤與格雷碼（循環(huán)碼）碼盤比較格雷碼碼盤從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。第8頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日（3） 格雷碼碼盤特點n位格雷碼碼盤，與n位二進制碼盤一樣，有2n種不同編碼，最小分辨率=360/2n。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產(chǎn)生粗誤差。 由于這一原因使得格雷碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。第9頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日例：機械編碼器21mm, 無需A/D

5、轉(zhuǎn)換 垂直和水平安裝 操作速度：最大50R/Min第10頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日10.3.2 旋轉(zhuǎn)光電式編碼器光電式編碼器使用光電元件，其測量精度和分辨率能達到很高水平。1 - 光源；2 - 柱面鏡；3 - 碼盤；4 - 狹縫；5 - 光電元件第11頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日1、絕對編碼器碼盤：光學玻璃，透光/不透光（同心碼道） 照相腐蝕 光源：LED 光學系統(tǒng) 平行光 投影精確光電元件：硅光電池，光電晶體管特點：高精度、高分辨力、可靠性好 原理：平行光源碼盤 光電元件電信號輸出第12頁，共57頁，2022年，5月20日，21點

6、21分，星期日插值法提高絕對編碼器分辨率 增加碼道數(shù)n，可提高測量精度和分辨率，問題：最外圈刻線數(shù)2n，n受制造工藝限制，例：400mm 的碼盤，當n=20時，最外圈碼道節(jié)距僅為2m，對策：采用光學分解技術(shù)(插值法)，提高分辨率。例如，14位內(nèi)碼道加1條專用附加碼道的19位光電編碼器第13頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日附加碼道對應(yīng)于內(nèi)碼道最低位的每一個狀態(tài)（0或1）將產(chǎn)生一個完整的輸出周期（理想正弦波或余弦波）。插值器將輸入正弦、余弦波按不同系數(shù)組合，產(chǎn)生相位差為/8的16個脈沖，從而在14位編碼器的最低有效數(shù)值間隔內(nèi)插入了32個精確等分點，即相當于附加5位二進制數(shù)

7、的輸出，使編碼器的分辨率從2 14提高到2 19，角位移小于3秒。第14頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日2、 增量編碼器碼盤簡單，一般只需三條碼道計數(shù)碼道S1刻線數(shù)p決定編碼器的分辨率，360/p辨向碼道S2與S1刻線數(shù)相同，錯開半個扇區(qū)Z碼道提供基準位置第15頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日例：編碼器E6A2C，1000P/R 刻線數(shù)=1000計數(shù)碼道、辯向碼道、Z碼道的輸出信號A、B、Z第16頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日轉(zhuǎn)速變化時，輸出信號第17頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日正轉(zhuǎn)，

8、A超前B（低電平有效）第18頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日反轉(zhuǎn)，A滯后于B（低電平有效）第19頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日應(yīng)用舉例：編碼器E6A2C，1000P/R 接線電源：棕色：524VDC，藍色：0V，OUT輸出：黑色接A，白色接B，桔色z測試輸出信號輸入轉(zhuǎn)角，有信號輸出，幅值：0mv400mv，停止轉(zhuǎn)動，信號不確定，或0v或高阻狀態(tài)第20頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光電編碼器的輸出集電極開路輸出電壓輸出差分線性驅(qū)動器輸出第21頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日集電極開路輸出O

9、C當輸入為“0”時，左邊的三極管截止5V電源通過1K電阻加到右邊的三極管基極上，右邊的三極管導(dǎo)通，輸出低電即相當于一個開關(guān)閉合平；當輸入為“1”時，左邊的三極管導(dǎo)通，右邊的三極管截止，輸出端懸空，高阻狀態(tài)相當于開關(guān)斷開OC門的輸出必須上拉，才能保證高阻狀態(tài)被檢測出來。第22頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日集電極輸出也是以三極管輸出的，但沒有上拉電阻，用的時候要與VCC(5V,12V,24V) 接上拉電阻，這種電路的好處是電路可以接成大于5V的信號，比如：信號12V，24V等等; 第23頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日電壓輸出電壓輸出是以三極管

10、輸出的。編碼器電路中有上拉電阻，所以只有一種電壓信號，如果編碼器工作電壓是5V，那么其信號也是5V的信號。 第24頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日例：編碼器輸出接單片機輸出信號第25頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日差分線性驅(qū)動器輸出應(yīng)用IC(26LS31) ，將每相輸出轉(zhuǎn)為極性相反的兩路差分信號；具有高速響應(yīng)和良好的抗噪性能，適用于長距離傳輸。接收端需要用與RS-422A相應(yīng)的IC(26LS32)芯片，可有效抑制噪聲引起的共模電壓第26頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日26LS31對應(yīng)一個輸入控制信號其輸出是帶有極性的

11、互補信號第27頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日10.3.3 測量電路1、計數(shù)電路具有辯向功能，輸出加或減計數(shù)脈沖加脈沖 ： S1：單穩(wěn)電路S1下降沿觸發(fā)， S+ ：S1&S2減脈沖S”1：單穩(wěn)電路S1上升沿觸發(fā)， S-： S”1&S2第28頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日2、四倍頻細分電路原理 一個周期內(nèi)，兩相開關(guān)信號共有4次相對變化：00-10-11-01-00。每發(fā)生1次變化，可逆計數(shù)器實現(xiàn)1次加計數(shù)，1個周期內(nèi)共可實現(xiàn)4次加計數(shù)，從而實現(xiàn)正轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計數(shù)。當編碼器正向移動時，A相信號相位超前B相90第29頁，共57頁，2022年，5

12、月20日，21點21分，星期日當編碼器反向移動時，A相信號相位滯后于B相信號90一個周期內(nèi)兩相信號也有4次相對變化：00-01-11-10-00。同理，如果每發(fā)生1次變化，可逆計數(shù)器便實現(xiàn)1次減計數(shù)，在1個周期內(nèi)，共可實現(xiàn)4次減計數(shù)，就實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計數(shù)。第30頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日綜合上述分析，可以做出處理模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖所示。其中“+”、“-”分別表示計數(shù)器加/減1，“0”表示計數(shù)器不動作。 第31頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日細分電路原理圖第32頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日正轉(zhuǎn)時各路

13、信號波形第33頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日數(shù)字式傳感器產(chǎn)品一、旋轉(zhuǎn)編碼器及連軸器M系列FMAAX系列FXAA第34頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日K系列FKAT系列FTA旋轉(zhuǎn)編碼器2第35頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日海德漢編碼器利用有規(guī)則的標尺載體作為測量基準，這些刻線是制作在玻璃或鋼制材料的。轉(zhuǎn)數(shù)至10，000轉(zhuǎn)/分，大多使用玻璃；更高的轉(zhuǎn)數(shù)至40，000轉(zhuǎn)/分時，則使用鋼轂。對于大直徑的編碼器，用鋼帶作為刻線載體。第36頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光電編碼傳感器應(yīng)用舉例 1：

14、 鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計是目前油田浮頂式儲油罐液位測量普遍應(yīng)用的一種測量設(shè)備在量程超過 20m 的應(yīng)用環(huán)境中，液位測量分辨率仍可達到 1mm。測量設(shè)備主要構(gòu)成：編碼鋼帶、讀碼器、卷帶盤、定滑輪、牽引鋼帶用的細鋼絲繩及伺服系統(tǒng)等。編碼鋼帶的一端系在細鋼絲繩上，細鋼絲繩繞過定滑輪系在大罐的浮頂上編碼鋼帶的另一端繞過大罐底部的定滑輪纏繞在卷帶盤上。第37頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日自動測量過程當大罐液位下降時，細鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力增大，卷帶盤在伺服系統(tǒng)的控制下放出盤內(nèi)的編碼鋼帶；當大罐液位上升時，細鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力減小，卷帶盤在伺服系統(tǒng)的控制下將編碼鋼帶

15、收入卷帶盤內(nèi)。讀碼器可隨時讀出編碼鋼帶上反應(yīng)液位位置的編碼。經(jīng)處理后進行就地顯示，或以串行碼的形式發(fā)送給其它設(shè)備。第38頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日插值細分技術(shù)提高編碼鋼帶的分辨率設(shè)：分辨率為1mm 最低位碼道刻線間隔 ，設(shè)15個碼道，測量范圍： 215132768mm32.768m加工工藝難度較大，編碼鋼帶強度較低，使用不便。需采用插值細分技術(shù)以減少碼道數(shù)量，增加最低碼道的數(shù)據(jù)寬度。最低碼道寬度增加到5mm，應(yīng)用插值細分技術(shù)以獲得1mm的分辨率在量程為20m的條件下，碼道數(shù)量將減少到12個測量范圍： 212520480mm20.48m編碼鋼帶示意圖第39頁，共5

16、7頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光電旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用實例2鼠標它是一款真正意義上的機械鼠標。它的工作原理也很簡單：在鼠標底部裝有兩個相互垂直的樞軸，每個樞軸帶動一個機械變阻器。鼠標位置的移動會使變阻器的的阻值發(fā)生變化，由此便可以得到X與Y軸的位移信號。通過反饋的信號系統(tǒng)會判斷出鼠標的移動狀況。 世界上的第一款鼠標1968年12月9日，世界上第一款鼠標誕生于加利福尼亞。第40頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光機式鼠標是光學機械混合鼠標器。其工作方式與光電式有些不同，結(jié)合了機械鼠的一些特點：鼠標內(nèi)置了二個滾軸，分別是X方向滾軸和Y方向滾軸,這兩個滾軸都與

17、一個可以滾動的小球接觸，當小球滾動時便帶動了兩個滾軸轉(zhuǎn)動，兩個滾軸頂端都裝一個邊緣開槽的光柵輪。第41頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日當光柵輪被帶動時LED發(fā)出的光線通過光柵輪的開槽透光，未開槽不透光，從而使光敏三極管產(chǎn)生高低電平，形成脈沖信號。第42頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日通過鼠標的控制芯片轉(zhuǎn)換處理后被CPU接收并對其計數(shù)?；ハ啻怪钡膫鲃虞S分別對應(yīng)著屏幕上的橫軸和縱軸，脈沖信號的數(shù)量和頻率決定了鼠標在屏幕上移動的距離和速度。第43頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光電鼠標的工作原理在光電鼠標內(nèi)部有一個發(fā)光二極

18、管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面。然后將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過一組光學透鏡，傳輸?shù)揭粋€光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。第44頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光電鼠標通常由以下部分組成光學感應(yīng)器、光學透鏡、發(fā)光二極管、輕觸式按鍵、滾輪、連線、PS/2或USB接口、接口微處理器等。第45頁，共57頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光電鼠標上的翻頁滾輪第46頁，共57頁，