傳感器_章數(shù)字式傳感器-編碼器第一頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六10.3編碼器編碼器：將機(jī)械位移模擬量轉(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(duì)應(yīng)的數(shù)字碼編碼器特點(diǎn)：高精度、高分辨率和高可靠性。第二頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六10.3.1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(cè)量用累計(jì)脈沖數(shù)表示，需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)才能完成位移的測(cè)量。絕對(duì)編碼器——輸出為與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)系統(tǒng)。真正意義上的直接數(shù)字式傳感器編碼器增量編碼器

(脈沖盤(pán)式編碼器)絕對(duì)編碼器

(碼盤(pán)式編碼器)第三頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六二、絕對(duì)編碼器工作原理1．結(jié)構(gòu)與工作原理碼盤(pán)：制作有某種碼制的圖形。工作原理：對(duì)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(cè)量時(shí)，可根據(jù)碼盤(pán)的起始和終止位置，確定角位移，而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。編碼器碼制：二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼（格雷碼）等。第四頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六3.二進(jìn)制碼盤(pán)：碼道：數(shù)量等于二進(jìn)制碼的位數(shù)n碼盤(pán)的分辨率：α=360°/2n，例如：4位二進(jìn)制碼盤(pán)，其最小分辨的角度α=360°/24≈22.5°。零位對(duì)應(yīng)于0000；最外圈一共分成24=16個(gè)（4位二進(jìn)制碼盤(pán)）間隔。共有16個(gè)角度方位，每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。第五頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六二進(jìn)制碼盤(pán)的誤差當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí)，例：01111000，hi所有低位數(shù)碼均需同時(shí)改變。當(dāng)電刷進(jìn)出導(dǎo)電區(qū)的先后不一致時(shí)，就會(huì)造成非單值粗誤差，例：011101011000消除非單值誤差的辦法——采用循環(huán)碼(格雷碼)

第六頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六4、格雷碼（循環(huán)碼）（1）格雷碼特點(diǎn)：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。第七頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）二進(jìn)制碼盤(pán)與格雷碼（循環(huán)碼）碼盤(pán)比較格雷碼碼盤(pán)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。第八頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六（3）格雷碼碼盤(pán)特點(diǎn)n位格雷碼碼盤(pán)，與n位二進(jìn)制碼盤(pán)一樣，有2n種不同編碼，最小分辨率α=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(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。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得格雷碼碼盤(pán)獲得了廣泛的應(yīng)用。第九頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六例：機(jī)械編碼器Φ21mm,

無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換

垂直和水平安裝

操作速度：最大50R/Min第十頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六10.3.2旋轉(zhuǎn)光電式編碼器光電式編碼器使用光電元件，其測(cè)量精度和分辨率能達(dá)到很高水平。1---光源；2---柱面鏡；3---碼盤(pán)；4---狹縫；5---光電元件第十一頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六1、絕對(duì)編碼器碼盤(pán)：光學(xué)玻璃，透光/不透光（同心碼道）→照相腐蝕光源：LED→光學(xué)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(diǎn)：高精度、高分辨力、可靠性好

原理：平行光源→碼盤(pán)→光電元件→電信號(hào)輸出第十二頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六插值法提高絕對(duì)編碼器分辨率增加碼道數(shù)n，可提高測(cè)量精度和分辨率，問(wèn)題：最外圈刻線數(shù)＝2n，n受制造工藝限制，例：400mm的碼盤(pán)，當(dāng)n=20時(shí)，最外圈碼道節(jié)距僅為2m，對(duì)策：采用光學(xué)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位光電編碼器第十三頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六附加碼道對(duì)應(yīng)于內(nèi)碼道最低位的每一個(gè)狀態(tài)（0或1）將產(chǎn)生一個(gè)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π/8的16個(gè)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(gè)精確等分點(diǎn)，即相當(dāng)于附加5位二進(jìn)制數(shù)的輸出，使編碼器的分辨率從214提高到219，角位移小于3秒。第十四頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2、增量編碼器碼盤(pán)簡(jiǎn)單，一般只需三條碼道計(jì)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(cuò)開(kāi)半個(gè)扇區(qū)Z碼道——提供基準(zhǔn)位置第十五頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六例：編碼器E6A2C，1000P/R

刻線數(shù)=1000

計(jì)數(shù)碼道、辯向碼道、Z碼道的輸出信號(hào)A、B、Z第十六頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六轉(zhuǎn)速變化時(shí)，輸出信號(hào)第十七頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六正轉(zhuǎn)，A超前B（低電平有效）第十八頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六反轉(zhuǎn)，A滯后于B（低電平有效）第十九頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六應(yīng)用舉例：編碼器E6A2C，1000P/R接線電源：棕色：5~24VDC，藍(lán)色：0V，OUT輸出：黑色接A，白色接B，桔色z測(cè)試輸出信號(hào)輸入轉(zhuǎn)角，有信號(hào)輸出，幅值：0mv~400mv，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)不確定，或0v或高阻狀態(tài)第二十頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六光電編碼器的輸出集電極開(kāi)路輸出電壓輸出差分線性驅(qū)動(dòng)器輸出第二十一頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六集電極開(kāi)路輸出OC當(dāng)輸入為“0”時(shí)，左邊的三極管截止5V電源通過(guò)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(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合平；當(dāng)輸入為“1”時(shí)，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(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)OC門(mén)的輸出必須上拉，才能保證高阻狀態(tài)被檢測(cè)出來(lái)。第二十二頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六集電極輸出也是以三極管輸出的，但沒(méi)有上拉電阻，用的時(shí)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(hào)，比如：信號(hào)12V，24V等等;第二十三頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六電壓輸出電壓輸出是以三極管輸出的。編碼器電路中有上拉電阻，所以只有一種電壓信號(hào)，如果編碼器工作電壓是5V，那么其信號(hào)也是5V的信號(hào)。第二十四頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六例：編碼器輸出接單片機(jī)輸出信號(hào)第二十五頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六差分線性驅(qū)動(dòng)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(hào)；具有高速響應(yīng)和良好的抗噪性能，適用于長(zhǎng)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二十六頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六26LS31對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入控制信號(hào)其輸出是帶有極性的互補(bǔ)信號(hào)第二十七頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六10.3.3測(cè)量電路1、計(jì)數(shù)電路具有辯向功能，輸出加或減計(jì)數(shù)脈沖加脈沖：

S‘1：?jiǎn)畏€(wěn)電路S1下降沿觸發(fā)，S+：S‘1&S2減脈沖S”1：?jiǎn)畏€(wěn)電路S1上升沿觸發(fā)，S-：S”1&S2第二十八頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六2、四倍頻細(xì)分電路原理一個(gè)周期內(nèi)，兩相開(kāi)關(guān)信號(hào)共有4次相對(duì)變化：00-10-11-01-00。每發(fā)生1次變化，可逆計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)1次加計(jì)數(shù)，1個(gè)周期內(nèi)共可實(shí)現(xiàn)4次加計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計(jì)數(shù)。①當(dāng)編碼器正向移動(dòng)時(shí)，A相信號(hào)相位超前B相90°第二十九頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六②當(dāng)編碼器反向移動(dòng)時(shí)，A相信號(hào)相位滯后于B相信號(hào)90°一個(gè)周期內(nèi)兩相信號(hào)也有4次相對(duì)變化：00-01-11-10-00。同理，如果每發(fā)生1次變化，可逆計(jì)數(shù)器便實(shí)現(xiàn)1次減計(jì)數(shù)，在1個(gè)周期內(nèi)，共可實(shí)現(xiàn)4次減計(jì)數(shù)，就實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計(jì)數(shù)。第三十頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六綜合上述分析，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(jì)數(shù)器加/減1，“0”表示計(jì)數(shù)器不動(dòng)作。第三十一頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六細(xì)分電路原理圖第三十二頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六正轉(zhuǎn)時(shí)各路信號(hào)波形第三十三頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)字式傳感器產(chǎn)品一、旋轉(zhuǎn)編碼器及連軸器M系列FMA－AX系列FXA－A第三十四頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六K系列FKAT系列FTA旋轉(zhuǎn)編碼器2第三十五頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六海德漢編碼器利用有規(guī)則的標(biāo)尺載體作為測(cè)量基準(zhǔn)，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(shí)，則使用鋼轂。對(duì)于大直徑的編碼器，用鋼帶作為刻線載體。第三十六頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六光電編碼傳感器應(yīng)用舉例1：

鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計(jì)是目前油田浮頂式儲(chǔ)油罐液位測(cè)量普遍應(yīng)用的一種測(cè)量設(shè)備在量程超過(guò)20m

的應(yīng)用環(huán)境中，液位測(cè)量分辨率仍可達(dá)到1mm。測(cè)量設(shè)備主要構(gòu)成：編碼鋼帶、讀碼器、卷帶盤(pán)、定滑輪、牽引鋼帶用的細(xì)鋼絲繩及伺服系統(tǒng)等。編碼鋼帶的一端系在細(xì)鋼絲繩上，細(xì)鋼絲繩繞過(guò)定滑輪系在大罐的浮頂上編碼鋼帶的另一端繞過(guò)大罐底部的定滑輪纏繞在卷帶盤(pán)上。第三十七頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六自動(dòng)測(cè)量過(guò)程當(dāng)大罐液位下降時(shí)，細(xì)鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力增大，卷帶盤(pán)在伺服系統(tǒng)的控制下放出盤(pán)內(nèi)的編碼鋼帶；當(dāng)大罐液位上升時(shí)，細(xì)鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力減小，卷帶盤(pán)在伺服系統(tǒng)的控制下將編碼鋼帶收入卷帶盤(pán)內(nèi)。讀碼器可隨時(shí)讀出編碼鋼帶上反應(yīng)液位位置的編碼。經(jīng)處理后進(jìn)行就地顯示，或以串行碼的形式發(fā)送給其它設(shè)備。第三十八頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六插值細(xì)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(gè)碼道，測(cè)量范圍：215×1＝32768mm＝32.768m加工工藝難度較大，編碼鋼帶強(qiáng)度較低，使用不便。需采用插值細(xì)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(xì)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(gè)測(cè)量范圍：212×5＝20480mm＝20.48m編碼鋼帶示意圖第三十九頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六光電旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用實(shí)例2——鼠標(biāo)它是一款真正意義上的機(jī)械鼠標(biāo)。它的工作原理也很簡(jiǎn)單：在鼠標(biāo)底部裝有兩個(gè)相互垂直的樞軸，每個(gè)樞軸帶動(dòng)一個(gè)機(jī)械變阻器。鼠標(biāo)位置的移動(dòng)會(huì)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(hào)。通過(guò)反饋的信號(hào)系統(tǒng)會(huì)判斷出鼠標(biāo)的移動(dòng)狀況。

世界上的第一款鼠標(biāo)1968年12月9日，世界上第一款鼠標(biāo)誕生于加利福尼亞。第四十頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六?光機(jī)式鼠標(biāo)是光學(xué)機(jī)械混合鼠標(biāo)器。其工作方式與光電式有些不同，結(jié)合了機(jī)械鼠的一些特點(diǎn)：鼠標(biāo)內(nèi)置了二個(gè)滾軸，分別是X方向滾軸和Y方向滾軸,這兩個(gè)滾軸都與一個(gè)可以滾動(dòng)的小球接觸，當(dāng)小球滾動(dòng)時(shí)便帶動(dòng)了兩個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)滾軸頂端都裝一個(gè)邊緣開(kāi)槽的光柵輪。第四十一頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)光柵輪被帶動(dòng)時(shí)LED發(fā)出的光線通過(guò)光柵輪的開(kāi)槽透光，未開(kāi)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(hào)。第四十二頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六通過(guò)鼠標(biāo)的控制芯片轉(zhuǎn)換處理后被CPU接收并對(duì)其計(jì)數(shù)。互相垂直的傳動(dòng)軸分別對(duì)應(yīng)著屏幕上的橫軸和縱軸，脈沖信號(hào)的數(shù)量和頻率決定了鼠標(biāo)在屏幕上移動(dòng)的距離和速度。第四十三頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六光電鼠標(biāo)的工作原理在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，通過(guò)該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部表面。然后將光電鼠標(biāo)底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過(guò)一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€(gè)光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。第四十四頁(yè)，共五十七頁(yè)，編輯于2023年，星期六光電鼠標(biāo)通常由以下部分組成光學(xué)感應(yīng)器