模擬式傳感器將諸如應(yīng)變、壓力、位移、加速度等被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔M量(如電流、電壓)顯示出來(lái)。模擬信號(hào)需要經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換才能讓計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。·A/D轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)采樣的過(guò)程是每隔一個(gè)時(shí)間間隔在模擬信號(hào)的波形上取一個(gè)幅度值，把時(shí)間上的連續(xù)信號(hào)變成時(shí)間上的離散信號(hào)。量化的過(guò)程是先將采樣后的信號(hào)按其幅度劃分成有限個(gè)區(qū)段的集合，把落入某個(gè)區(qū)段內(nèi)的樣值歸為一類(lèi)，并賦于相同的量化值。編碼是按照一定的格式把經(jīng)過(guò)采樣和量化得到的離散數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，并在有用1信號(hào)處理環(huán)節(jié)信號(hào)處理環(huán)節(jié)低通濾波器信號(hào)變送器信號(hào)傳感器輸入信息現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)控制信號(hào)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器信息鎖存器采樣保持電路輸入輸出接口微型計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)放大執(zhí)行部件業(yè)現(xiàn)場(chǎng)若用數(shù)字顯示或輸入計(jì)算機(jī)，就需要經(jīng)過(guò)一套模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置(A/D轉(zhuǎn)換),將模擬量變成數(shù)字量。這不但增加了投資，而且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性和精確度?！つM式傳感器信號(hào)弱模擬式傳感器的輸出信號(hào)最大一般在幾十毫伏，最低時(shí)只有百萬(wàn)分之幾毫伏，易受干擾。而數(shù)字式傳感器的輸出信號(hào)均在3～4V左右，其抗干擾能力遠(yuǎn)大于模擬信號(hào)的百萬(wàn)倍?！?shù)字式傳感器適用于各種惡劣工作環(huán)境，具有防雷擊和大電流放電能力，可在室外安裝使用?！?shù)字式傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償和調(diào)整因偏載和溫度變化而產(chǎn)生影響?！?shù)字式傳感器通過(guò)內(nèi)部微處理器里的軟件，自動(dòng)補(bǔ)償了蠕變。·模擬式傳感器由接頭、接線排(端子)、電位器、開(kāi)關(guān)及長(zhǎng)電纜等因素造成的經(jīng)常引起的積累誤差。數(shù)字式傳感器則不存在這種誤差?！?shù)字式傳感器具有自診斷功能。它不斷對(duì)內(nèi)部工作狀況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤代碼。到目前為止，數(shù)字式傳感器種類(lèi)還不多。這種傳感器建立在編碼器的基礎(chǔ)上。只要編碼器保證一定的制作精度，并配置合適的讀雷部件，這種傳感器可以達(dá)到較高的精度。另外，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。因此，在空間技術(shù)、數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)等方面獲得廠泛用。編碼器電觸式電容式感應(yīng)式光電式碼盤(pán)碼尺絕對(duì)式增量式光學(xué)碼盤(pán)式傳感器是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信柱面鏡碼盤(pán)狹縫柱面鏡碼盤(pán)光源由光源發(fā)山的兒線，紅性曲說(shuō)又成不干1J兒以云聚兒，玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一知不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過(guò)亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，開(kāi)光電元件上。光電元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)有光照身光電元件的輸出相反，如前者為“1”,后者為“0”。光電元出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小。二、碼制與碼盤(pán)透光。最外圈稱為C?碼道，一共分成26=64個(gè)黑白間隔。每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。例如零位對(duì)應(yīng)于000000(全黑),第23個(gè)方位對(duì)應(yīng)于6位二進(jìn)制碼盤(pán)0000測(cè)量時(shí)，根據(jù)碼盤(pán)的起止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。§1碼盤(pán)式傳感器二、碼制與碼盤(pán)二進(jìn)制碼盤(pán)具有以下主要特點(diǎn)：①n位(n個(gè)碼道)的二進(jìn)制碼盤(pán)具有2°種不同編碼其容量為2”,最小分辨力θ?=360°/2”,最外圈R?碼道的角節(jié)距為40□□②二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn1,.,C?對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為③碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中，Cx變化時(shí)，所有C;(j<K)應(yīng)同時(shí)變化。81.為了達(dá)到1”左右的分辨力，需要采用至少多少位碼盤(pán)?2.一個(gè)刻劃直徑為400mm的20位碼盤(pán)，其外圈間隔至少為多少μm?3.初始讀數(shù)為0110,最后讀數(shù)為1100,問(wèn)旋轉(zhuǎn)了多大角度?9二、碼制與碼盤(pán)理想：各個(gè)碼道不僅刻劃精確，而且彼此對(duì)準(zhǔn)?，F(xiàn)實(shí)：由于微小的制作誤差，導(dǎo)致只要有一個(gè)碼道提前或延后改變，就容易造成輸出的粗誤差。例：下圖是一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤(pán)展開(kāi)圖。當(dāng)讀數(shù)狹縫處于AA位置時(shí)，正確讀數(shù)為0111,為十進(jìn)制數(shù)7。若碼道C?黑區(qū)做得太短，就誤讀為1111,為十進(jìn)制數(shù)15。AC?CCCCCCCCCC§1碼盤(pán)式傳感器二、碼制與碼盤(pán)理想：各個(gè)碼道不僅刻劃精確，而且彼此對(duì)準(zhǔn)。現(xiàn)實(shí)：由于微小的制作誤差，導(dǎo)致只要有一個(gè)碼道提前或延后改變，就容易造成輸出的粗誤差。AA??AA????A§1§1碼盤(pán)式傳感器二、碼制與碼盤(pán)理想：各個(gè)碼道不僅刻劃精確，而且彼此對(duì)準(zhǔn)?，F(xiàn)實(shí)：由于微小的制作誤差，導(dǎo)致只要有一個(gè)碼道提前或延后改變，就容易造成輸出的粗誤差。(1)雙讀數(shù)頭法(1)雙讀數(shù)頭法(1)雙讀數(shù)頭法OYF1輸出信號(hào)1(A,無(wú)效)YF2輸出與B;相反的信號(hào)YF2輸出信號(hào)1(B;無(wú)效)§1碼盤(pán)式傳感器控制電路(讀數(shù)方法)(1)雙讀數(shù)頭法控制電路(讀數(shù)方法)分析左上圖分別§1碼盤(pán)式傳感器二、碼制與碼盤(pán)(1)雙讀數(shù)頭法A;o—YF?只要由于刻劃等原因造成的總誤差不超過(guò)相應(yīng)碼道a與b,之間的距離就不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。在不發(fā)生粗誤差的條件下，整個(gè)編碼器的精度由它的最低位(即C?碼道)決定。雙讀數(shù)頭的缺點(diǎn)是讀數(shù)頭的個(gè)數(shù)增加了一倍。當(dāng)編碼器位數(shù)很多時(shí)，光電元件安裝位置也有困難。(2)循環(huán)碼盤(pán)循環(huán)碼碼盤(pán)具有以下特點(diǎn)：n位循環(huán)碼碼盤(pán)，與二進(jìn)制碼一樣具有2種不同編碼，最小分辨力為θ,=360°/2”,其他第i碼道相當(dāng)于二進(jìn)制碼碼盤(pán)第i+1碼道向零位方向轉(zhuǎn)過(guò)θ,角，最外圈R碼道的角節(jié)距為4θ?;②循環(huán)碼碼盤(pán)具有軸對(duì)稱性，其最高位相反，而其余各位相同；③循環(huán)碼為無(wú)權(quán)碼；④循環(huán)碼碼盤(pán)轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤(pán)獲得了廣泛應(yīng)用。十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制碼循環(huán)碼0819234567§1碼盤(pán)式傳感器三、二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換循環(huán)碼0819234567由上表，可找出循環(huán)碼和二進(jìn)制碼之間存在的轉(zhuǎn)換關(guān)系：循環(huán)碼一二進(jìn)制碼：循環(huán)碼一二進(jìn)制碼：§1碼盤(pán)式傳感器三、二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換循環(huán)碼一二進(jìn)制碼：(a)并行變換電路(b)串行變換電路§1碼盤(pán)式傳感器三、二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換循環(huán)碼是無(wú)權(quán)碼，直接譯換為二進(jìn)制碼后再譯碼。單發(fā)器下圖為將循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼的兩種電路。單發(fā)器G二進(jìn)制碼<循環(huán)碼：R。-1QJQR.-21KC?=C+?田RK田oC?CpRDR?R(b)串行變換電路(a)并行變換電路(b)串行變換電路采用串行變換電路時(shí)，開(kāi)始之前先將JK觸發(fā)器D復(fù)零，Q=0。將R,同時(shí)加到JK端，再加入Cg脈沖后，Q=C。=R,。以后若Q端為C+,在J、K端加入R,根據(jù)JK觸發(fā)器的特性，若J、K為“1”,則加入C.脈沖后Q=;芪J,K為“0”,則加入Cp脈沖后保持Q=.℃x一邏輯關(guān)系可以寫(xiě)成重復(fù)上述步驟，可以依次獲得Co、C、…、C?、C?21§1碼盤(pán)式傳感器四、應(yīng)用下圖是光學(xué)碼盤(pán)測(cè)角儀的原理圖。光源1通過(guò)大孔徑非球面聚光鏡2形成均勻狹長(zhǎng)的光束照射到碼盤(pán)3上。根據(jù)碼盤(pán)所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件5輸出相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當(dāng)量變換，最后進(jìn)行譯碼顯示。糾錯(cuò)電路和寄存電路在需要時(shí)采用。%%5%24%3名寄存當(dāng)量變換顯示譯碼§1碼盤(pán)式傳感器四、應(yīng)用顯示器總是希望以度、分、秒來(lái)表示，為此需要使用脈沖當(dāng)量變換電路。DD分脈沖選通電路腺?zèng)_當(dāng)量變接計(jì)數(shù)器?碼盤(pán)二進(jìn)制編碼輸入秒十秒分設(shè)該增量式光電編碼器的參數(shù)為1024p/r,大、小皮帶輪的傳動(dòng)比為5,若希望當(dāng)加工好元件1后緊接著加工元件8,則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少分之幾圈?應(yīng)等待編碼器給出多少脈沖數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)?練習(xí)：編碼器在定位加工中的應(yīng)用66754.14233B5如速度、加速度、振動(dòng)、質(zhì)量、表面輪廓如速度、加速度、振動(dòng)、質(zhì)量、表面輪廓光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，它主要用于線位移和角位移的測(cè)量。由于光柵傳感器具有精度高、測(cè)量范圍大、易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化和數(shù)長(zhǎng)度和角度有關(guān)的物理量，如速度、加速度、振動(dòng)、質(zhì)量、表面輪廓光敏元件電壓圓光柵光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件組成，如下圖?！す鈻鸥笔枪鈻艂鞲衅鞯闹饕糠?。在長(zhǎng)度計(jì)量中應(yīng)用的光柵通常稱為計(jì)量光柵，它主要由主光柵(也稱標(biāo)尺光柵)和指示光柵組成。標(biāo)尺光棚指示光柵光電元件當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并用數(shù)字顯示，從而測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)距離。米(米(10、25、50、100)線。·指示光柵般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。透射光柵是在一塊長(zhǎng)方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。IWa為刻線寬度，b為刻線間的縫隙寬度，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,也可以做a:b=1.1:0.9?？叹€密度一般為每毫米(10、25、50、100)線。·指示光柵一般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。二、莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn)(一)莫爾條紋的形成原理把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對(duì)疊合在一起(片間留有很小的間隙),并使兩者柵線(光柵刻線)之間保持很小的夾角θ,于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，如下圖?！?光柵傳感器二、莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn)(一)莫爾條紋的形成原理αα—亮(暗)帶的傾斜角；9—兩光柵的柵線夾角。99《CABBm—橫向莫爾條紋之間的距離；W—光柵常數(shù)?！?光柵傳感器二、莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn)由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距. 莫爾條紋的實(shí)際價(jià)值在于：能讓光敏元件“看清”隨光柵刻線移動(dòng)所帶來(lái)的光強(qiáng)變化?！?光柵傳感器二、莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn)由此可見(jiàn)，莫爾條紋的寬度Bu由光柵常數(shù)與光柵的夾角θ決定。對(duì)于給定光柵常數(shù)W的兩光柵，夾角θ愈小，條紋寬度愈大，即條紋愈稀。所以通過(guò)調(diào)整夾角0,可以使條紋寬度具有任何所需要的值。例：W=0.02mm,若9=0.01rad=0.57°,求條紋寬度和放大倍數(shù)?！?光柵傳感器二、莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn)量精度?？梢蕴岣邷y(cè)量精度或可以采用較粗的光柵。的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對(duì)于測(cè)量精度沒(méi)有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測(cè)量精度。這是用光柵測(cè)量和普通標(biāo)尺測(cè)量的主要差別。00強(qiáng)④徑向光柵可進(jìn)行角度測(cè)量?！ぎ?dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，條紋即沿徑向移動(dòng)，·測(cè)出條紋移動(dòng)數(shù)目，即可得到標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。88WC?C.徑向光柵四、辨向原理化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向。dbd解決方法：為了能夠辨向，應(yīng)當(dāng)在相距4Bu的位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2,以得到兩個(gè)相位差90°的正弦信號(hào)，然后送到辨向電路處理。上左四、辨向原理·u和uw是u和u”兩個(gè)方波經(jīng)微分電路后得到。““wYYU上上左時(shí)光電元件2的輸出電壓波形如右圖中曲線u?所示。光電元件1的輸出電壓波形如曲線u?所示，顯然u?超前u?90°相角。微分微分觸發(fā)器計(jì)數(shù)器Q+放大整形微分?延時(shí)反向?242文u?、u?經(jīng)整形放大后得到兩個(gè)方波信號(hào)和u?;乙2工35x文上四、辨向原理主光柵正向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，這時(shí)光電元件2的輸出電壓波形如右圖中曲線u?所示。光電元件1的輸出電壓波形如曲線u?所示，顯然u?超前u?90°相角。左文V,V,可逆計(jì)數(shù)器?觸發(fā)器延時(shí)微分微分反向?+H微分觸發(fā)器反向微分延時(shí)微分觸發(fā)器反向微分延時(shí)H?+YY上主光柵正向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，這時(shí)光電元件2的輸出電壓波形如右圖中曲線u?所示。光電元件1的輸出電壓波形如曲線u,所示，顯然u,超前u?90°相角。左對(duì)于與門(mén)Y?,由于uw處于高電對(duì)于與門(mén)Y,u處于高電平時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器QW工Y:x工?H問(wèn)題：每移過(guò)一個(gè)柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖。若每毫米250條柵線的長(zhǎng)光柵，那么其分辨力(脈沖4μm。如果希望提高當(dāng)量)為到1μm、0.1μm或更高。對(duì)長(zhǎng)光柵來(lái)說(shuō)，意味著柵線的密度要達(dá)到每毫米千條線到萬(wàn)條線之多。就目前先進(jìn)的工藝水平看，柵線密度每毫米7千條線還能實(shí)現(xiàn)，但要達(dá)到每毫米萬(wàn)條線尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。解決辦法：在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對(duì)柵距進(jìn)行測(cè)微，電子學(xué)中稱“細(xì)分”,來(lái)得到所需的最小讀數(shù)值。所謂細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。(一)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)分可用4個(gè)依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。M2YHH(a)未細(xì)分波形(b)四細(xì)分波形優(yōu)點(diǎn)：對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形要求不嚴(yán)格，電路簡(jiǎn)單，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。缺點(diǎn)：光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。§2感應(yīng)同步器一一、工作原理直線感應(yīng)同步器由可以相對(duì)移動(dòng)的滑尺和定尺組成。3324671—機(jī)床不動(dòng)部件2一定尺3一定尺座4一防護(hù)罩5—滑尺6—滑尺座7—機(jī)床可動(dòng)部件滑尺繞組若滑尺繞組加勵(lì)磁電壓，則由于電磁感應(yīng)而在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其大小取決于滑尺與定尺的相對(duì)位置。即即L加工時(shí)，分別在滑尺和定尺的基體上用熱壓法粘貼上絕緣層和銅箔，然后通過(guò)光刻和化學(xué)腐蝕工藝刻出所需的平面繞組圖形。在滑尺上還粘有一層鋁膜，以防止靜電感應(yīng)?；w材料一般和被測(cè)體的材料相同，目的是使感應(yīng)同步器的熱膨脹系數(shù)與所安裝的主體相同，如用于機(jī)床位置的感應(yīng)同步器常使用低碳鋼作為基體。1.標(biāo)準(zhǔn)式定尺繞組為均勻分布的連續(xù)繞組，節(jié)距W?=2(a?+b,)?；呃@組為兩組斷續(xù)繞組，分別是正弦繞組和余弦繞組，它們電相位角差π/2,因此兩項(xiàng)繞組的中心線距應(yīng))W,n為正整數(shù)。兩繞組的節(jié)距相同，均為W?=2(a?+b?)。兩引線片寬a?1二41=23=4罪(b)§2感應(yīng)同步器E-E.感應(yīng)電勢(shì)e與兩繞組之間的互感成正比，與激磁電流i的導(dǎo)數(shù)成正比?！ぎ?dāng)U形激勵(lì)繞組位于圖(a)所示位置時(shí)：各感應(yīng)導(dǎo)線上的感應(yīng)電勢(shì)方向一致，彼此相加，兩繞組為正向緊耦合，互感M取最大正值+M·當(dāng)U形激勵(lì)繞組處于圖(b)和(d)所示位置時(shí)：各感應(yīng)導(dǎo)線上感應(yīng)電勢(shì)方向相反，互相抵消，使連續(xù)繞組兩端感應(yīng)電勢(shì)為0,互感為0。當(dāng)U形繞組處于圖(c)所示位置時(shí)：各感應(yīng)導(dǎo)線上感應(yīng)電勢(shì)方向一致，彼此相加，兩繞組為反向緊耦合，互感取最大負(fù)值-M1O$2感應(yīng)同步器一、工作原理形繞組中心線相對(duì)該參照點(diǎn)的位移代表滑尺與定尺的相對(duì)位移，記為x,(a)、(b)、(c)、(d)、(e)就分別對(duì)應(yīng)于x=0、、x=W的情況。當(dāng)x分別等于nW、(n+W時(shí)，n為整數(shù)，互感系數(shù)M分別為Ma、可見(jiàn)，滑尺與定尺的兩繞組之間的互感是相對(duì)位移x的周期函數(shù)M(x),其周期為W。O§2感應(yīng)同步器一、工作原理若忽略周期函數(shù)M(x)的其他諧波，則定尺組與滑尺繞組間的互感可寫(xiě)為0—兩繞組相對(duì)位置的電相角。對(duì)長(zhǎng)感應(yīng)同步器來(lái)說(shuō)，θ與相對(duì)位移x關(guān)系式中w—長(zhǎng)感應(yīng)同步器節(jié)距WNMM川川U幾幾繞斷續(xù)繞組中，與連續(xù)繞組間的互感為余弦函數(shù)的繞組稱為余弦繞組。5§2感應(yīng)同步器一、工作原理距余弦繞組繞組與連續(xù)組間的互感可看做是該余弦繞組再利WL24;