光纤数字编码器

1、1 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是基于光导纤是基于光导纤 维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产 物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器 用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的传递敏感信息的 媒质。媒质。 一、光纤传感器一、光纤传感器 它同时具有光纤及光学测量的特点它同时具有光纤及光学测量的特点: : 电绝缘性能好。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高

2、灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、光纤传感器可测量位移、速度、 加速度、液位、应变、压力、加速度、液位、应变、压力、 流量、振动、温度、电流、电流量、振动、温度、电流、电 压、磁场等物理量压、磁场等物理量 1 1、斯乃尔定理、斯乃尔定理（Snells LawSnells Law） 当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折射率大) )入射至光疏物质时发生折射，入射至光疏物质时发生折射， 如图如图(a)(a)，其折射角大于入射角，即，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2时，时，r ri i。 n1 n2

3、r i (a)光的折射示意图 可见，入射角可见，入射角i增大时，折射角增大时，折射角 r也随之增大，且始终也随之增大，且始终ri。 n1、n2、r、i之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sini=n2sinr 5 当当ii0并继续增大时，并继续增大时，r90，这时便发生全反射，这时便发生全反射 现象，如图现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。，其出射光不再折射而全部反射回来。 式中：式中：i0临界角临界角 i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin901 n1 n2 r i (c)光全反射示意图 n1 n2 r i (b)临界状态示意图 当当r=9

4、0时，时，i仍仍90，此时，此时， 出射光线沿界面传播如图（出射光线沿界面传播如图（b），）， 称为临界状态。这时有称为临界状态。这时有 斯乃尔定理 *当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角： （b）临界状态：）临界状态： （c）全反射）全反射 ： ri nnsinsin 21 )/arcsin( 12 0 nn i 0 ii 7 2 2、光纤结构、光纤结构 分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光分析光纤导光原理，除了应用斯乃尔定理外还须结合光 纤结构来说明。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯纤结构来说明

5、。光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯( (纤芯纤芯) ) 和玻璃包皮和玻璃包皮( (包层包层) )两个同心圆柱的双层结构组成。两个同心圆柱的双层结构组成。 纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤 心折射率心折射率n1比包层折射率比包层折射率n2稍大些两层之间形成良好稍大些两层之间形成良好 的光学界面，光线在这个界面上反射传播。的光学界面，光线在这个界面上反射传播。 2R2r n2 n1 n n2 n1 纤 芯 包 层 光纤结构 8 j i k r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纤导光示意图光纤导光示意图 n0sini=n

6、1sinj -1 n1sink=n2sinr -2 n1cosj=n2sinr -3 sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 光进入光学纤维后光进入光学纤维后,多次多次 在内壁上发生全内反射在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另光从纤维的一端传向另 一端一端. 光学纤维光学纤维:中央折射率中央折射率 大大,表层折射率小的透表层折射率小的透 明细玻璃丝明细玻璃丝. (a) 原理原理 光学纤维光学纤维 c n g n 0 n c n i A i i 2 B 这说明这说明arcsinNAarcsinNA是一临界角是一临界角, ,凡入射角凡入射角i i arcsinN

7、AarcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包的那些光线进入光纤都不能传播而在包 层消失；相反层消失；相反, ,只有入射角只有入射角i iarcsinNAarcsinNA的光线的光线 才可进入光纤被全反射传播才可进入光纤被全反射传播 阶跃光学纤维的端面阶跃光学纤维的端面 gc nn 00 sinin称为光学纤维的称为光学纤维的数值孔经数值孔经NA，它决定了可经光学纤维传，它决定了可经光学纤维传 递的光束的入射角递的光束的入射角. 2 2 2 10 sinnn i 11 光纤传感器结构原理及分类光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理 传统传感器的电源、敏感

8、元件、信号接收和处理系统以传统传感器的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以 及信息传输均用金属导线连接，见图及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信 号的装置。由光发送器、敏感元件号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的光纤或非光纤的)、 光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。 光纤 信号处理光接收器 敏感元件 光发送器 （b）光纤传感器 信号处理 电 源 信号接收 敏感元件 （a）传统传感器 导线 由光发送器发出的光经源光由光发送器发出的光

9、经源光 纤引导至敏感元件。这时，纤引导至敏感元件。这时， 光的某一性质受到被测量的光的某一性质受到被测量的 调制，已调光经接收光纤耦调制，已调光经接收光纤耦 合到光接收器，使光信号变合到光接收器，使光信号变 为电信号，最后经信号处理为电信号，最后经信号处理 得到所期待的被测量。得到所期待的被测量。 传统传感器是以传统传感器是以机机电测量电测量为基础，为基础， 而光纤传感器则以而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础。为基础。 （1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型功能型、非功能型和拾光型三三 大类。大类。 1 1）功能型

10、（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因 素素( (弯曲、相变弯曲、相变) )的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性( (光强、相光强、相 位、偏振态等位、偏振态等) )的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功的功 能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连 续，增加其长度，可提高灵敏度。续，增加其长度，可提高灵敏度。 信号处理 光受信器 光纤敏感元件 光发送器 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起

11、导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的 “感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤 不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术 ，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵 敏度要求不太高的场合。敏度要求不太高的场合。 信号处理光受信器 敏感元件 光发送器 光纤 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由用光纤作为探头，接收由 被测对象辐射的光或被其反射、被测对象辐射的光或被

12、其反射、 散射的光。其典型例子如光纤散射的光。其典型例子如光纤 激光多普勒速度计、辐射式光激光多普勒速度计、辐射式光 纤温度传感器等。纤温度传感器等。 信号 处理 光受 信器 光发送器 光纤 耦合器 被测对象 1、绝对式编码器、绝对式编码器 二、数字式编码器的输出形式二、数字式编码器的输出形式 绝对式编码器是按位移量直接进行编码的转绝对式编码器是按位移量直接进行编码的转 换器换器, ,其精度达其精度达1%1%。它的结构和原理可分为。它的结构和原理可分为接触式、接触式、 光电式和电磁式。光电式和电磁式。 绝对式编码器将被测点的绝对位置转换为二绝对式编码器将被测点的绝对位置转换为二 进制的数字编码

13、输出，进制的数字编码输出， 即便中途断电，即便中途断电， 重新上重新上 电后也能读出当前位置的数据。电后也能读出当前位置的数据。 显然，显然， 若要求若要求 的分辨力越高、的分辨力越高、 量程越大，二进制的数位就越多，量程越大，二进制的数位就越多， 结构就越复杂。结构就越复杂。 2、增量式编码器、增量式编码器 增量式编码器测量输出的是当前状态与前一状增量式编码器测量输出的是当前状态与前一状 态的差值，态的差值， 即增量值。即增量值。 它通常是以脉冲数字形式它通常是以脉冲数字形式 输出，输出， 然后用计数器计取脉冲数。然后用计数器计取脉冲数。 它需要规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测它需要

14、规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测 物理量的值，同时它还要确定一个物理量的值，同时它还要确定一个零位标志，零位标志，即测量的起即测量的起 始点标志。这样，被测量就等于当量值乘以自零位标志开始点标志。这样，被测量就等于当量值乘以自零位标志开 始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。例如，用增量式始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。例如，用增量式 光电编码器或光栅测量直线位移，若当量值为光电编码器或光栅测量直线位移，若当量值为0.01 mm0.01 mm， 计数值为计数值为200200时则位移为时则位移为2.00 mm2.00 mm，分辨力为，分辨力为0.01 mm0.01 mm。增量增量 式测

15、量的缺点是：一旦中途断电，将无法得知运动部件的式测量的缺点是：一旦中途断电，将无法得知运动部件的 绝对位置。绝对位置。 3 3、增量式输出的脉冲波形、增量式输出的脉冲波形 在增量式测量中，移在增量式测量中，移 动部件每移动一个基本动部件每移动一个基本 长度单位，位置传感器长度单位，位置传感器 便发出一个测量信号，便发出一个测量信号， 此信号通常是脉冲形式。此信号通常是脉冲形式。 这样，一个脉冲所代表这样，一个脉冲所代表 的基本长度单位就是分的基本长度单位就是分 辨力，对脉冲计数，便辨力，对脉冲计数，便 可得到位移量。可得到位移量。 绝对式绝对式测量的特点是：测量的特点是：每一被测点都有一个对应

16、的编码，每一被测点都有一个对应的编码， 常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新 上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有 绝对式角编码器。绝对式角编码器。 增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形 增量式测量装置只测量位移增量，即增量式测量装置只测量位移增量，即 工作台每移动一个基本长度单位，检工作台每移动一个基本长度单位，检 测装置便发出一个检测信号，此信号测装置便发出一个检测信号，此信号 通常是脉冲形式。通常是脉冲形式。增量式检测装置均增量式检测

17、装置均 有零点标志，作为基准起点有零点标志，作为基准起点。数控机。数控机 床采用增量式检测装置时，在每次接床采用增量式检测装置时，在每次接 通电源通电源后要回参考点操作，以保证测后要回参考点操作，以保证测 量位置的正确，大多数数控机床采用量位置的正确，大多数数控机床采用 这种测量方式。这种测量方式。 数字式编码器的工作原理数字式编码器的工作原理 1、接触式码盘、接触式码盘 图为一个四位接触式码盘。图为一个四位接触式码盘。 涂黑部涂黑部 分为导电区，分为导电区， 输出为输出为“1 1”，空白部分为，空白部分为 不导电区，输出为不导电区，输出为“0 0”。 所有导电部分所有导电部分 连在一起，接高

18、电位。连在一起，接高电位。 图示码盘共有四图示码盘共有四 圈码道，在每圈码道上都有一个电刷，电圈码道，在每圈码道上都有一个电刷，电 刷经电阻接地。刷经电阻接地。 当码盘与被测物转轴一当码盘与被测物转轴一 起转动时，电刷上出现的电位对应一定的起转动时，电刷上出现的电位对应一定的 数码。若有数码。若有n n条码道，条码道， 则角度分辨率为则角度分辨率为 图图 接触式码盘接触式码盘 n Q 2 360 8421 8421码制的码盘，由电刷安装不码制的码盘，由电刷安装不 可能绝对精确必然存在机械偏差，这可能绝对精确必然存在机械偏差，这 种机械偏差会产生非单值误差。例如，种机械偏差会产生非单值误差。例如

19、， 由二进制码由二进制码 01110111过渡到过渡到10001000时（电刷时（电刷 从从 h h 区过渡到区过渡到 i i 区），即由区），即由 7 7 变为变为 8 8 时，如果电刷进出导电区的先后可时，如果电刷进出导电区的先后可 能是不一致的，此时就会出现能是不一致的，此时就会出现8 81515间间 的某个数字。这就是所谓的非单值误的某个数字。这就是所谓的非单值误 差。差。 采用循环码制可以消除非单值误差。其编码如前表所示。采用循环码制可以消除非单值误差。其编码如前表所示。 循环码的特点是任意一个半径径线上只可能一个码道上会有数循环码的特点是任意一个半径径线上只可能一个码道上会有数 码

20、的改变，这一持点就可以避免制造或安装不精确而带来的非码的改变，这一持点就可以避免制造或安装不精确而带来的非 单值误差。如图所示。单值误差。如图所示。 图图 接触式格雷码盘接触式格雷码盘 2、光电式码盘、光电式码盘 光电式码盘亦称脉冲式角度光电式码盘亦称脉冲式角度数字数字 编码器，编码器， 其结构示意图如图所示。其结构示意图如图所示。 在在 一个圆盘上按码道开有相等角距的缝隙，一个圆盘上按码道开有相等角距的缝隙， 在码道上分为透明区和不透明区，在码道上分为透明区和不透明区， 分别分别 代表代表“1 1”和和“0 0”， 相当于接触式码盘的相当于接触式码盘的 导电区和不导电区。导电区和不导电区。

21、在开缝圆盘两边分在开缝圆盘两边分 别安装光源及光敏元件，别安装光源及光敏元件， 相当于接触式相当于接触式 码盘的电源和电刷。码盘的电源和电刷。 其测量方法与接触其测量方法与接触 式码盘相似。式码盘相似。 光电式码盘的优点是无触点磨损，光电式码盘的优点是无触点磨损， 因而允许高转速；因而允许高转速； 每条缝隙宽度可做得很小，每条缝隙宽度可做得很小， 所以精度和分辨率很高，所以精度和分辨率很高， 单个单个 码盘可做到码盘可做到1818位，组合码盘达位，组合码盘达2222位。位。 其缺点是结构复杂、其缺点是结构复杂、 价格昂贵、价格昂贵、 光源寿命短。光源寿命短。 图图 光电式码盘光电式码盘 1构造

22、类型构造类型 转动方式转动方式 直线直线 线性编码器线性编码器 转动转动 转轴编码器转轴编码器 光束形式光束形式 透射式透射式 反射式反射式 光电编码器的分类光电编码器的分类 2信号性质信号性质 增量式增量式 辨别方向辨别方向 零位信号零位信号 绝对式绝对式 绝对式编码器绝对式编码器 可辨向的增量式可辨向的增量式 编码器编码器 不可辨向的脉冲不可辨向的脉冲 发生器发生器 有零位信号有零位信号 无零位信号无零位信号 信号航空插头信号航空插头 光电编码器外形图光电编码器外形图 拉线式角编拉线式角编 码器利用线轮，码器利用线轮， 能将直线运动转能将直线运动转 换成旋转运动。换成旋转运动。 （参考德国

23、图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司） 绝对式码盘与增量绝对式码盘与增量 式码盘有何区别？式码盘有何区别？ 透光区透光区 不透光区不透光区 零位标志零位标志 1010码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 增量式编码器增量式编码器 转轴转轴 盘码及盘码及 狭缝狭缝 光敏元件光敏元件 光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A A、B B狭缝狭缝LEDLED A B C 零位标志零位标志 A B C 增量式编码器原理动画演示增量式编码器原理动画演示 1辨向信号和零标志辨向信号和零标志 在前图的码盘里圈，还有一个狭缝在前图的码盘里圈，还有一个狭缝C，每转，每转 能产生一个

24、脉冲，该脉冲信号又称能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号一转信号” 或零标志脉冲，作为测量的起始基准。或零标志脉冲，作为测量的起始基准。 光栏板上的两个狭光栏板上的两个狭 缝距离是码盘上的两个缝距离是码盘上的两个 狭缝距离的（狭缝距离的（m +1/4） 倍，倍，m 为正整数，并设为正整数，并设 置了两组光敏元件置了两组光敏元件A、B， 又称为又称为sin、cos元件。元件。 测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这 与码盘圆周上的狭缝条纹数与码盘圆周上的狭缝条纹数 n 有关，即最小能分有关，即最小能分 辨的角度及分辨率为：辨的角度及分辨率为： 360 n

25、 1 n 2增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的分辨力及分辨率 分辨力为分辨力为 分辨率为分辨率为 二、绝对式光电编码器二、绝对式光电编码器 绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数 字代码表示。字代码表示。 根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组 成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。 绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器原理动画演示 格雷码和自然二进制码的比

26、较表格雷码和自然二进制码的比较表 D D D 十进制十进制十进制十进制十进制十进制 B B B 二进制二进制二进制二进制二进制二进制 R R R 格雷码格雷码格雷码格雷码格雷码格雷码 D D D 十进制十进制十进制十进制十进制十进制 B B B 二进制二进制二进制二进制二进制二进制 R R R 格雷码格雷码格雷码格雷码格雷码格雷码 0 1 2 3 4 5 6 7 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 8 9 10 11 12 13 14 15 1000 1001 1010

27、1011 1100 1101 1110 1111 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 例如，条纹数为例如，条纹数为10241024，则能分辨的最小角度，则能分辨的最小角度 =360=360/1024=0.352/1024=0.352 。 v增量式脉冲编码器是一种增量检测装置，它的增量式脉冲编码器是一种增量检测装置，它的 型号由每转输出的脉冲数来区别。数控机床上型号由每转输出的脉冲数来区别。数控机床上 常用的编码器有两种，一种是以十进制为单位常用的编码器有两种，一种是以十进制为单位 的，如的，如2 000 P/r、2 500 P/r、3 000 P/r

28、等；等； 另一种是以二进制为单位的，如另一种是以二进制为单位的，如1 024 P/r、2 048 P/r、4 096 P/r等。目前，在高速、高精等。目前，在高速、高精 度数字伺服系统中，应用高分辨率的脉冲编码度数字伺服系统中，应用高分辨率的脉冲编码 器的脉冲数则较高，如器的脉冲数则较高，如18 000 P/r、20 000 P/r、25 000 P/r、30 000 P/r等。现在已有使等。现在已有使 用每转用每转10万以上脉冲的脉冲编码器。万以上脉冲的脉冲编码器。 3、电磁式码盘、电磁式码盘 它是在导磁体它是在导磁体( (软铁软铁) )圆盘上用腐蚀的方法做成一定的圆盘上用腐蚀的方法做成一定

29、的 编码图形，把码道分为导磁区和非导磁区。再用一个很小编码图形，把码道分为导磁区和非导磁区。再用一个很小 的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流 激励，副边产生感应电动势。显然各磁头感应电动势与被激励，副边产生感应电动势。显然各磁头感应电动势与被 测物体转动的角度相对应。测物体转动的角度相对应。 1 1增量增量式编码器式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器的参设该增量式光电编码器的参 数为数为1024 1024 p/rp/r，大、小皮带轮的传，大、小皮带轮的传 动比为动比为5

30、5，若希望当加工好元件，若希望当加工好元件1 1后后 紧接着加工元件紧接着加工元件8 8，则电动机转动，则电动机转动 了多少分之几圈？应等待编码器给了多少分之几圈？应等待编码器给 出多少脉冲数时，电动机停转？出多少脉冲数时，电动机停转？ 数字式编码器的应用数字式编码器的应用 编码器在定位加工中的应用编码器在定位加工中的应用 编码器在数编码器在数 控加工中心的刀库控加工中心的刀库 选刀控制中的应用选刀控制中的应用 旋转刀库旋转刀库 被加工工件被加工工件 刀具刀具 角编码器的输出为角编码器的输出为 当前刀具号当前刀具号 角编码器与角编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接 用不同的刀具加工复杂用不同的刀具加工复杂 的工件的工件 1位置测量位置测量 光光 电电 编编 码码 器器 位位 置置 测测 量量 动动 画画 演演 示示 2转速测量转速测量 光电编码器转速测量动画演示光电编码器转速测量动画演示 编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的