第9章数字式传感器ppt课件

1、传感器原理及工程应用第9章 数字式式传感器 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI第9章 数字式式传感器 本章基本要求：了解数字传感器种类、数字传感器发展方向；理解各种数字传感器的构成原理、鉴相电路原理、鉴幅电路原理；重点掌握光栅、同步感应器、编码盘传感器特点。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI第9章 数字式式传感器类型：a、编码方式产生代码型的数字信号编码盘）b、输出计数型的离散脉冲信号光栅、感应同步器）优点： a、测量精度高、分辨率高、b、稳定性好、抗干扰能力强c、便于与微机接口、适宜远距离传输测量参数：a、机械量：线位移、角位移b、其他量：计数JIANG

2、 HAN UNIJIANG HAN UNI第9章 数字式式传感器 9.1 光 栅 传 感 器 9.2 编码盘 9.3 感应同步器 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1 光 栅 传 感 器敏感元件：光栅参数变化过程：非电量莫尔条纹光电元件脉冲分类： a、按工作原理：物理光栅光栅的衍射）、计量光栅光栅的莫尔条纹） b、按应用场合：透射光栅、反射光栅 c、按用途不同：线位移长光栅、角位移圆光栅 d、按表面结构：幅值光栅几何光栅） 、相位光栅衍射光栅）用途： 主要用于长度和角度的精密测量，在坐标测量仪数控机床伺服系统有广泛应用。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI

3、9.1 光 栅 传 感 器 9.1.1 光栅的结构及莫尔条纹现象 9.1.2 光栅传感器的组成 9.1.3 光栅传感器的应用JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.1 光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构光栅结构光栅：在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗光栅：在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹。相间、等间距分布的细小条纹。a为栅线宽度不透光），为栅线宽度不透光），b为栅线间宽为栅线间宽透光），透光）， a+b=W称为光栅的栅距，称为光栅的栅距，通常通常a=b=W/2。目前常用的光栅每毫米刻成目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、250条线条。条

4、线条。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.1 光栅的结构及工作原理 2. 2.光栅测量原理光栅测量原理莫尔条纹：两块栅距相等的光栅光栅莫尔条纹：两块栅距相等的光栅光栅1 1、光栅、光栅2 2面向对叠合在一起，中面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角线之间形成一个很小的夹角，这，这样就可以看到在近于垂直栅线方向样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。叫莫尔条纹。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.1 光栅的结构及工作原理两

5、块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带；两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，由黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.1 光栅的结构及工作原理莫尔条纹测位移三大特点： （1位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距 W 时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度 BH 。越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。例=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，从而提高了测量的灵敏度。 WWBH2sin2JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.1 光栅的结构及工作

6、原理 （2莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。 （3） 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成 组成：光栅读数头、光栅数显表光栅读数头：利用光栅原理把位移量转换成响应的电信号；光栅数显表：实现细分、辨向和显示功能的电子系统。JIANG HAN UNIJIANG HAN U

7、NI9.1.2 光栅传感器的组成 1.光栅读数头组成：标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件 标尺光栅的有效长度即为测量范围，其长度取决于测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 x123451光 源 ； 2透 镜 ； 3标 尺 光 栅 ； 4指 示 光 栅 ；5光 电 元 件JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。电压输出： 式中：uo光电元件输出的电压信号； U

8、o输出信号中的平均直流分量； Um输出信号中正弦交流分量的幅值。WxUUumoo22sinJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成输 出 电 压uoUmUoabcdefg位 移x正 最 大负 最 大正 最 大JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成 2.光栅数显表目的：分辨运动方向、细分组成：整形放大电路、辨向电路、细分电路及数字显示电路JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成 （1） 辨向原理 为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。在相隔BH/4间距的位置上，放置两

9、个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2，经过整形后得两个方波信号u1和u2。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成光栅沿A方向移动时，经Y1输出一个计数脉冲，而与门Y2被阻塞，无脉冲输出。光栅沿A方向移动时，与门Y1无脉冲输出，而与门Y2输出一个计数脉冲，则说明u2来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出，再将其输入可逆计数器。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成 （2） 细分计数 所谓细分，就是在莫尔条纹

10、信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出 n 个脉冲，即可使测量精度提高到 n 倍，而每个脉冲相当于原来栅距的 1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了 n 倍，因此也称之为 n 倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成机械细分：在相差BH/4的位置分别安装4个光电元件实现4倍频细分JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成电桥48点细分：JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成电桥细分：调整电阻阻值比，获得不同

11、相位JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.2 光栅传感器的组成电阻链细分：JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.3 光栅传感器的应用 1. 光栅式万能测长仪采用透射式黑白光栅，栅距W=0.01mm，两光栅之间的间隙为0.02mm0.035mm，利用四裂相指示光栅获得四路信号，经放大、整形、细分和辨向电路，进入可逆计数器计数，同时由显示电路显示。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.1.3 光栅传感器的应用 2. 圆形光栅传感器角度测量两组光电二极管和光敏三极管在测量空间以一定相位(可定为90相位)关系分别置于光栅转盘两侧，光栅转盘与

12、机械转角同步转动，使光敏三极管随机械转角变化导通或截止，并通过光电变换电路模块输出具有一定相位差的两组增量式脉冲信号。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2 感应同步器敏感元件：平面印刷电路绕组工作原理：基于互感随相对位置不同而变化的原理，将线位移或角位移转换成电信号。 测量参数：线位移、角位移、转速、振动应用场合：机床定位、数控、仪表分度装置优点： a.较高的精度和分辨能力，精度可达1.5m，分辨力0.5m b.抗干扰能力强 c.使用寿命长，维护简单 d.可以长距离测量，工艺性好，成本低，便于复制和成批生产。 UMXJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9

13、.2 感应同步器9.2.1 感应同步器结构 9.2.2 感应同步器工作原理 9.2.3 感应同步器的应用JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 9.2.1 感应同步器结构类型： 直线式线位移） 旋转式角位移） （a定尺 （b） 滑尺 （a定子 （b)转子exUsUc正弦绕组余弦绕组W41(a)(b)JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.1 感应同步器结构 组成： a、定尺定子）：连续绕组 b、滑尺转子）：正弦、余弦绕组两绕组相差90相角）exUsUc正 弦 绕 组余 弦 绕 组W41(a )(b )JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.

14、2 感应同步器工作原理工作过程：工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺或转子与定子的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理， 便可测量出直线或转角的位移量。exUsUc正 弦 绕 组余 弦 绕 组W41(a )(b )JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器工作原理感应电动势： (a)e=0 (b)e=max (c)e=-maxdtdeJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI感应电势变化图JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应

15、同步器工作原理 分类特征：按照输出感应电动势的相位或幅值来进行处理 1.鉴相方式 2.鉴幅方式JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器工作原理 1.鉴相方式激励电压：等幅等频，相位差为90的交流电压。 正弦绕组励磁电压： 余弦绕组励磁电压： exUsUc正 弦 绕 组余 弦 绕 组W41(a )(b )tUkdtdmcostUumssintUumccostUkdtdmsinJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器工作原理 正弦绕组感应电动势： 余弦绕组感应电动势：sincostUkemscossintUkemcJIANG HA

16、N UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器工作原理按照叠加原理，总感应电动势：式中的=2x/称为感应电动势的相位角)sin(cossinsincostUktUktUkeeemmmcsJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI13.3.3 感应同步器位移测量系统 鉴相测量方式数字位移测量装置脉 冲发 生 器脉 冲 相 位 变换激 磁供 电 线 路鉴 相 器门译 码 显 示可 逆 计 数 器放 大 整 形参 考 信 号0sincos感 应 同 步 器指 令 信 号1误 差 信 号反 馈 信 号2JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI13.3.3 感应同步器位

17、移测量系统 测量位移过程：开始时1=2，当滑尺相对定尺平行移动后，12，由鉴相器判别之后，将有相位差=2-1作为误差信号。使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。 一方面脉冲送给可逆计数器去计数并显示出来；另一方面脉冲修改指令信号的相位1，使1随2而变化。当1再次与2相等时，误差信号=0，从而门被关闭。因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中，就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器工作原理 2.鉴幅方式激励电压：同频同相，幅值不同的交流电压。 正弦绕组励磁电压： 余弦绕组励磁电压： exUsUc正 弦 绕 组余

18、弦 绕 组W41(a )(b )tUkdtdssintUuSscostUucccostUkdtdcsinJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器工作原理 正弦绕组感应电动势： 余弦绕组感应电动势：sinsintUkecscossintUkeccJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 信号处理方式按照叠加原理，总感应电动势：式中的=2x/称为感应电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距， 变化一个周期2）。tcomUktcomUktUktUktUkeeemmmcscssin)()(sin)s

19、insincos(cossincossinsinsinJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.2.2 感应同步器位移测量系统 鉴幅方式测量原理鉴辐器门槛电路门电路时钟脉冲发生器译码显示正弦振荡器数模转换器匹配变压器转换计数器可逆计数器周期零点显示x定尺滑尺放大滤波整形JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3 编码器编码器：将机械转动的位移转换成以数字代码形式表示的电信号特点：高精度、 高分辨率和高可靠性 分类：光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。编码器 脉冲盘式编码器(增量编码器) 码盘式编码器(绝对编码器

20、) 接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3 编码盘 9.3.1 绝对编码器 9.3.2 增量编码器 9.3.3 光电式编码器的应用JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器 1.接触式码盘编码器组成：a、码盘涂黑处为导电区b、电刷码盘：由印刷电路板制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有某种码制二进制、十进制、循环码排列的导电和不导电区域。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器码盘：由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道， 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光

21、部分，即亮区和暗区。分类： a、二进制码盘 b、循环码盘 c、十进制码盘JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器6位二进制码盘： 最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。零位对应于000000全黑）；第23个方位对应于010111。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个 n 位二进制码盘的最小分辨率， 即能分辨的角度为=360/2n， 一个 6 位二进制码盘，其最小分辨的

22、角度 360/26 5.6。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。缘由：如果由于某一较高的数码刻划误差、安装等原因， 较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器循环码盘：循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。6位的循环码码盘，与二进制码一样，具有 26 种不同编码，最小分辨率=360/26。循环码译码： 11nniiiiiiRCRCCCRCJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI9.3.1 绝对编码器2.光电编码器组成：