1、傳感器原理及工程應(yīng)用,第9章 數(shù)字式式傳感器,第9章 數(shù)字式式傳感器,本章基本要求： 了解數(shù)字傳感器種類、數(shù)字傳感器發(fā)展方向； 理解各種數(shù)字傳感器的構(gòu)成原理、鑒相電路原理、鑒幅電路原理； 重點(diǎn)掌握光柵、同步感應(yīng)器、編碼盤傳感器特點(diǎn)。,第9章 數(shù)字式式傳感器,類型： a、編碼方式產(chǎn)生代碼型的數(shù)字信號(hào)（編碼盤） b、輸出計(jì)數(shù)型的離散脈沖信號(hào)（光柵、感應(yīng)同步器） 優(yōu)點(diǎn)： a、測量精度高、分辨率高、 b、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng) c、便于與微機(jī)接口、適宜遠(yuǎn)距離傳輸 測量參數(shù)： a、機(jī)械量：線位移、角位移 b、其他量：計(jì)數(shù),第9章 數(shù)字式式傳感器,9.1 光 柵 傳 感 器 9.2 編碼盤 9.3 感應(yīng)同

2、步器,9.1 光 柵 傳 感 器,敏感元件：光柵 參數(shù)變化過程：非電量莫爾條紋光電元件脈沖 分類： a、按工作原理：物理光柵（光柵的衍射）、計(jì)量光柵（光柵的莫爾條紋） b、按應(yīng)用場合：透射光柵、反射光柵 c、按用途不同：線位移長光柵、角位移圓光柵 d、按表面結(jié)構(gòu)：幅值光柵（幾何光柵） 、相位光柵（衍射光柵） 用途： 主要用于長度和角度的精密測量，在坐標(biāo)測量儀數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)有廣泛應(yīng)用。,9.1 光 柵 傳 感 器,9.1.1 光柵的結(jié)構(gòu)及莫爾條紋現(xiàn)象 9.1.2 光柵傳感器的組成 9.1.3 光柵傳感器的應(yīng)用,9.1.1 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理,1. 光柵結(jié)構(gòu) 光柵：在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明

3、暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋。 a為柵線寬度（不透光），b為柵線間寬（透光）， a+b=W稱為光柵的柵距，通常a=b=W/2。 目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、 100、250條線條。,9.1.1 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理,2.光柵測量原理 莫爾條紋：兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。,9.1.1 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理,兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶； 兩塊光柵的柵線錯(cuò)開，形成條紋的暗帶，由黑色叉線圖案組成的。 因此莫

4、爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。,9.1.1 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理,莫爾條紋測位移三大特點(diǎn)： （1）位移的放大作用 當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距 W 時(shí)， 莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度 BH 。 越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1/倍。 例=0.1，則1/573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，從而提高了測量的靈敏度。,9.1.1 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理,（2）莫爾條紋移動(dòng)方向 如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動(dòng)； 反之，當(dāng)光柵1向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動(dòng)。 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。 （

5、3） 誤差的平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。,9.1.2 光柵傳感器的組成,組成：光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表 光柵讀數(shù)頭：利用光柵原理把位移量轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號(hào)； 光柵數(shù)顯表：實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。,9.1.2 光柵傳感器的組成,1.光柵讀數(shù)頭 組成：標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件 標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍，其長度取決于測量范圍。 指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。,9.1.2 光柵傳感器的組成,主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期

6、。 若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。 電壓輸出： 式中：uo光電元件輸出的電壓信號(hào)； Uo輸出信號(hào)中的平均直流分量； Um輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值。,9.1.2 光柵傳感器的組成,9.1.2 光柵傳感器的組成,2.光柵數(shù)顯表 目的：分辨運(yùn)動(dòng)方向、細(xì)分 組成：整形放大電路、辨向電路、細(xì)分電路及數(shù)字顯示電路,9.1.2 光柵傳感器的組成,（1） 辨向原理 為了能夠辨向，需要有相位差為/2的兩個(gè)電信號(hào)。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個(gè)光電元件1和2，得到兩個(gè)相位差/2的電信號(hào)u1和u2，經(jīng)過整形后得兩個(gè)方波信號(hào)u1和u2。,9.1.2 光

7、柵傳感器的組成,光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，經(jīng)Y1輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，而與門Y2被阻塞，無脈沖輸出。光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，與門Y1無脈沖輸出，而與門Y2輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則說明u2來控制在不同的移動(dòng)方向時(shí)，u1所產(chǎn)生的脈沖輸出，再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器。,9.1.2 光柵傳感器的組成,9.1.2 光柵傳感器的組成,（2） 細(xì)分計(jì)數(shù) 所謂細(xì)分，就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量，如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出 n 個(gè)脈沖，即可使測量精度提高到 n 倍，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的 1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高到了 n 倍，因此也稱之為 n 倍頻。細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。,9.1.2

8、 光柵傳感器的組成,機(jī)械細(xì)分：在相差BH/4的位置分別安裝4個(gè)光電元件實(shí)現(xiàn)4倍頻細(xì)分,9.1.2 光柵傳感器的組成,電橋48點(diǎn)細(xì)分：,9.1.2 光柵傳感器的組成,電橋細(xì)分：調(diào)整電阻阻值比，獲得不同相位,9.1.2 光柵傳感器的組成,電阻鏈細(xì)分：,9.1.3 光柵傳感器的應(yīng)用,1. 光柵式萬能測長儀 采用透射式黑白光柵，柵距W=0.01mm，兩光柵之間的間隙為0.02mm0.035mm，利用四裂相指示光柵獲得四路信號(hào)，經(jīng)放大、整形、細(xì)分和辨向電路，進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，同時(shí)由顯示電路顯示。,9.1.3 光柵傳感器的應(yīng)用,2. 圓形光柵傳感器角度測量 兩組光電二極管和光敏三極管在測量空間以一定相位

9、(可定為90相位)關(guān)系分別置于光柵轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，光柵轉(zhuǎn)盤與機(jī)械轉(zhuǎn)角同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使光敏三極管隨機(jī)械轉(zhuǎn)角變化導(dǎo)通或截止，并通過光電變換電路模塊輸出具有一定相位差的兩組增量式脈沖信號(hào)。,9.2 感應(yīng)同步器,敏感元件：平面印刷電路繞組 工作原理：基于互感隨相對(duì)位置不同而變化的原理，將線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 測量參數(shù)：線位移、角位移、轉(zhuǎn)速、振動(dòng) 應(yīng)用場合：機(jī)床定位、數(shù)控、儀表分度裝置 優(yōu)點(diǎn)： a.較高的精度和分辨能力，精度可達(dá)1.5m，分辨力0.5m b.抗干擾能力強(qiáng) c.使用壽命長，維護(hù)簡單 d.可以長距離測量，工藝性好，成本低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。,9.2 感應(yīng)同步器,9.2.1 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu) 9

10、.2.2 感應(yīng)同步器工作原理 9.2.3 感應(yīng)同步器的應(yīng)用,9.2.1 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),類型： 直線式（線位移） 旋轉(zhuǎn)式（角位移） （a）定尺 （b） 滑尺 （a）定子 （b)轉(zhuǎn)子,9.2.1 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),組成： a、定尺（定子）：連續(xù)繞組 b、滑尺（轉(zhuǎn)子）：正弦、余弦繞組（兩繞組相差90相角）,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,工作過程：工作時(shí)如果在其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對(duì)位置不同而呈正弦、余弦函數(shù)變化，再通過對(duì)此信號(hào)的檢測處理， 便可測量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,

11、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： (a)e=0 (b)e=max (c)e=-max,感應(yīng)電勢(shì)變化圖,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,分類特征：按照輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位或幅值來進(jìn)行處理 1.鑒相方式 2.鑒幅方式,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,1.鑒相方式 激勵(lì)電壓：等幅等頻，相位差為90的交流電壓。 正弦繞組勵(lì)磁電壓： 余弦繞組勵(lì)磁電壓：,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,正弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： 余弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,按照疊加原理，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： 式中的=2x/稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位角,13.3.3 感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng),鑒相測量方式數(shù)字位移測量裝置,13.3.3 感應(yīng)同步器位移測

12、量系統(tǒng),測量位移過程： 開始時(shí)1=2，當(dāng)滑尺相對(duì)定尺平行移動(dòng)后，12，由鑒相器判別之后，將有相位差=2-1作為誤差信號(hào)。使門電路允許脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖通過。 一方面脈沖送給可逆計(jì)數(shù)器去計(jì)數(shù)并顯示出來； 另一方面脈沖修改指令信號(hào)的相位1，使1隨2而變化。當(dāng)1再次與2相等時(shí)，誤差信號(hào)=0，從而門被關(guān)閉。 因此在滑尺相對(duì)定尺連續(xù)不斷地移動(dòng)過程中，就可以實(shí)現(xiàn)把位移量準(zhǔn)確地用可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和顯示出來,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,2.鑒幅方式 激勵(lì)電壓：同頻同相，幅值不同的交流電壓。 正弦繞組勵(lì)磁電壓： 余弦繞組勵(lì)磁電壓：,9.2.2 感應(yīng)同步器工作原理,正弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： 余弦繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：,

13、9.2.2 信號(hào)處理方式,按照疊加原理，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： 式中的=2x/稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位角，它在一個(gè)節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對(duì)位移有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每經(jīng)過一個(gè)節(jié)距， 變化一個(gè)周期（2）。,9.2.2 感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng),鑒幅方式測量原理,9.3 編碼器,編碼器：將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào) 特點(diǎn)：高精度、 高分辨率和高可靠性 分類： 光電式編碼器的性價(jià)比最高，它作為精密位移傳感器在自動(dòng)測量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。,9.3 編碼盤,9.3.1 絕對(duì)編碼器 9.3.2 增量編碼器 9.3.3 光電式編碼器的應(yīng)用,9.3.1 絕對(duì)編碼器,1.接觸式碼盤編碼器 組

14、成：a、碼盤（涂黑處為導(dǎo)電區(qū)）b、電刷 碼盤：由印刷電路板制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有某種碼制（二進(jìn)制、十進(jìn)制、循環(huán)碼）排列的導(dǎo)電和不導(dǎo)電區(qū)域。,9.3.1 絕對(duì)編碼器,碼盤：由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道， 每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。 分類： a、二進(jìn)制碼盤 b、循環(huán)碼盤 c、十進(jìn)制碼盤,9.3.1 絕對(duì)編碼器,6位二進(jìn)制碼盤： 最內(nèi)圈碼盤一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成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。 零位對(duì)應(yīng)于000000（全黑）； 第23個(gè)方位對(duì)應(yīng)于010111。,9.3.1 絕對(duì)編碼器,這樣在測量時(shí)，

15、 只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過程無關(guān)。 一個(gè) n 位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率， 即能分辨的角度為=360/2n， 一個(gè) 6 位二進(jìn)制碼盤，其最小分辨的 角度 360/26 5.6。,9.3.1 絕對(duì)編碼器,采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。,原因：如果由于某一較高的數(shù)碼刻劃誤差、安裝等原因， 較高位提前或延后改變，就會(huì)造成粗誤差。,9.3.1 絕對(duì)編碼器,循環(huán)碼盤：循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，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。,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)

16、比特。,9.3.1 絕對(duì)編碼器,9.3.1 絕對(duì)編碼器,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。 6位的循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有 26 種不同編碼，最小分辨率=360/26。 循環(huán)碼譯碼：,9.3.1 絕對(duì)編碼器,2.光電編碼器 組成： a、編碼圓盤（碼盤） b、狹縫 c、光源 d、光敏元件,9.3.1 絕對(duì)編碼器,2.光電編碼器 細(xì)分：若碼盤已具有14條(位)碼道，在14位的碼道上增加1條專用附加碼道，使多個(gè)光敏元件產(chǎn)生較為理想的正弦彼輸出，各正弦波信弓再經(jīng)過零比較器轉(zhuǎn)換為一系列脈沖，從而細(xì)分了附加碼道的光電元件輸出的正弦信號(hào)。,9.3.2 增量編碼器,增量編碼器：又稱為脈沖盤式編碼器，一般只有三個(gè)碼道，它不能直接產(chǎn)生幾位編碼輸出，故它不具有絕對(duì)碼盤碼的含義。 圓盤上等角距地開有兩道縫隙，分為外圈和內(nèi)圈，外圈用來產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的增量碼道，決定了編碼器的分辨率，縫隙越多，分辨率越高。內(nèi)圈上也有和外圈上相同數(shù)量的縫隙，內(nèi)外圈的相鄰兩縫錯(cuò)開半條縫寬，內(nèi)圈作為辨向碼道；另外在某一徑向位置開