传感器_06数字式传感器

1、传感器原理及应用2014年5月9日Principles and Applications of Transducer机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 主主 讲：黄海鸿讲：黄海鸿 电电 邮：邮： 地地 址：机械楼址：机械楼417室室1第六章 数字式传感器n模拟式传感器：需要A/D转换装置n数字式传感器：将被测参数直接转换成数字信号输出n具有很高的测量精度，易于实现系统的快速化、自动化和数字化，易于与微处理机配合，组成数控系统，在机械工业的生产和自动测量，在机电控制系统中得到广泛的应用n第一节 码盘式传感器n第二节 光栅式传感器26.1 码盘式传感器n光学码盘式传感器n用光电方法把被测角位移转

2、换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件n光电码盘安装在光源与光敏元件之间，光源通过窄缝照射在某个半径的码盘上，码盘后方沿此半径安装多个(视位数而定)光敏元件，便可得到并行输出信号光源柱面镜码盘狭缝光电元件36.1 码盘式传感器n光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形（形成透光和不透光区）n光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合n码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件 光电元件的排列与码道一一对应光源柱面镜码盘狭缝光电元件平行光光脉冲电脉冲46.1 码盘式传感器n绝对编码器的码盘n图中为一个6位的二

3、进制码盘。最内圈称为C6码道，一半透光、一半不透光。最外圈称为C1 码道，一共分成2664个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000 (全黑)，第23个方位对应于 (010111)。测量时，只要根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。6位二进制码盘(6个码道)最小分辨最小分辨率？率？1 分辨率：分辨率：20-21位码盘，码盘位码盘，码盘约约400-500mm，外圈间隔约，外圈间隔约1um56.1 码盘式传感器n绝对编码器n绝对码编码器相对于内部参考，能给出与可动单元或圆盘的每个可分辨位置相对应的唯一数字输出。可动单元由具有明显特性并用二进制值0或

4、1表示的区域构成。它们的编码带排列可以使计读系统直接给出与每个位置相对应的编码数。每个编码带对应于一个输出位，最里面的编码带对应于最高有效位。光源：红外发光二极管光电探测器：光电晶体管或光电二极管66.1 码盘式传感器n绝对编码器的特点n在被测转角不超过360情况下，绝对型编码器的码盘所提供的是转角的绝对值，即从起始位置（对应于输出各位皆为零的位置）所转动的角度。在应用中如遇停电，恢复供电后的显示值仍然能正确地反映当时角度。n当被测转角大于360时，绝对型码盘将变成增量型码盘。为了在测大转角时仍能得到转角绝对值，可以用两个或多个码盘借助机械减速器配合起来，扩大角度量程。但是，在这种情况下转速低

5、的高位码盘必须制作得相当精密，其角度误差应该比转速高的低位码盘末位有效值还要小，否则读数将失去意义。7 如图所示是光学码盘测角仪的原理图。光源如图所示是光学码盘测角仪的原理图。光源1 1通过大孔径非球面通过大孔径非球面聚光镜聚光镜2 2形成均匀狭长的光束照射到码盘形成均匀狭长的光束照射到码盘3 3上。根据码盘所处的转角位上。根据码盘所处的转角位置，位于狭缝置，位于狭缝4 4后面的一排光电元件后面的一排光电元件5 5输出相应的电信号。该信号经放输出相应的电信号。该信号经放大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后进行译码显示。纠错电路和大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后进行译码显示。纠错电路和寄存电

6、路在需要时采用。寄存电路在需要时采用。n绝对编码器的应用：光学码盘测角仪6.1 码盘式传感器86.1 码盘式传感器n增量编码器n由位置待定元件驱动的直尺或低惯性圆盘组成。n码盘只有一个数据环，且由等宽度的黑白径向条纹构成，则码盘转动时可产生串行光脉冲，用脉冲计数器将脉冲数累加起来也能反映转过的角度大小。但一遇停电就会把累加脉冲数丢失，必须有停电记忆措施。直线和旋转增量直线和旋转增量位置编码器位置编码器优点：结构简单，只优点：结构简单，只要一个分得足够细的要一个分得足够细的数据环和一个光敏元数据环和一个光敏元件，便可工作。件，便可工作。96.1 码盘式传感器n增量编码器n应用n编码圆盘的常用直径

7、为25 mm90 mm。直线增量编码器能以达0.5 um/周期的分辨率和达50 um的精度对位置进行测量。n通常用于位置控制。例如：磁盘和磁带驱动器的读写头定位，打印机、复印机和传真机中的纸定位，自动机床中刀具的定位以及尺寸大小的计量。小型旋转编码装置由于寿命较长而可以取代仪器面板上的控制电位器。n缺点n每当断电或在刚一通电之后便丢失位置信息。 n不能检测移动方向，除非增添辅助部件。为了辨向，往往要将两个光敏元件装在相距一定角度的位置上，根据受光时刻的先后辨别方向。106.1 码盘式传感器n增量编码器n光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽

8、暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。n设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。节距鉴向盘零位计数使用鉴向器进行相位比较116.1 码盘式传感器n增量编码器的使用nDSP定时向工控机发送脉冲数值n工控机程序： EncCounter = (ReceiveInfoi.Data48) +(ReceiveInfoi.Data5); EncValue = (ReceiveInfoi.Data68) +(Rece

9、iveInfoi.Data7); WholeValue = EncCounter*60000 + EncValue;转动圈数当前脉冲数总脉冲数126.1 码盘式传感器n编码器形状n长春一光（）空心轴编码器实心轴编码器注意：安装时，要避免与编码器刚性连接！注意：安装时，要避免与编码器刚性连接！ 136.1 码盘式传感器n增量编码器的应用n测量转轴转角146.1 码盘式传感器n增量编码器的应用n在印染行业中的应用n双心轴编码器 156.1 码盘式传感器n编码器的应用n校直机166.1 码盘式传感器n编码器的应用nOMRONnhttp:/ 光栅式传感器n光栅n由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀

10、相间排列构成的光器件。n按工作原理，分为物理光栅和计量光栅。前者的刻线比后者细密。n物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面。n计量光栅即光栅式传感器，利用光栅的莫尔条纹现象，广泛应用于位移的精密测量与控制中。分为透射光栅和反射光栅。衍射光栅186.2 光栅式传感器n光栅式传感器类型n根据结构分类n长光栅，用于测量线位移n圆光栅，用于测量角位移n根据原理分类n透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+bW 称为光栅的栅距(或光栅常数)n反射光栅196.2 光栅式传感器n光栅式传感器组成n光源

11、、聚光镜、光栅副和光电接收元件n光栅副由标尺光栅(也称主光栅)和指示光栅组成。标尺光栅与指示光栅之间保持有一定的间隙。指示光栅一般比标尺光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹n当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离平行光206.2 光栅式传感器n莫尔条纹n标尺光栅与指示光栅成某一较小夹角叠放时，在近于垂直栅线方向上形成明暗相间的条纹（在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带）n莫尔条纹的半宽度BH

12、由光栅栅距W与两光栅的夹角决定。注意：条纹间距（宽度）BWWBCABBH2sin22sin21n莫尔条纹技术的特点n调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。n莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。n光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。 n因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。 6.2 光栅式传感器WWBCABBH2sin22sin226.2 光栅式传感器n测量过程（单点信号检测）n

13、当标尺光栅与指示光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同步移动。由于条纹间距B远大于光栅栅距W，栅距被放大许多倍。光电元件测出莫尔条纹的移动，通过脉冲计数得到位移的度量。n莫尔条纹的光强度变化近似为正弦变化。236.2 光栅式传感器n测量过程n在a位置，两块光栅刻线重叠，透过的光最多，光强最大；在位置c，光被遮去一半，光强减小；在位置d，光被完全遮去而成全黑，光强为零。光栅继续右移；在位置e，光又重新透过，光强增大。在理想状态时，光强的变化与位移成线性关系。但在实际应用中两光栅之间必须有间隙，透过的光线有一定的发散，达不到最亮和全黑的状态；再加上光栅的几何形状误差，刻线的图形误差及光电元件的参数影响，

14、所以输出波形是一近似的正弦曲线。如何辨别运动方向？如何辨别运动方向？24径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量 当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。 6.2 光栅式传感器25透射式光路透射式光路( (常用光路常用光路) )1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整

15、使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。6.2 光栅式传感器266.2 光栅式传感器n应用光栅线位移传感器nKG1型开式光栅线位移传感器是一种高精度测量装置，它同光栅数显表配合组成长度测量系统，广泛应用于机床、仪器、仪表的精密检测。其特点为开启式结构，即扫描头与光栅标尺分离，间隙由机床（仪器）本身导轨保证，经调试后可获得高精度。该传感器采用100线/mm的高精度光栅，输出两路相位差90的正弦波信号。其测量范围大、精度高、使用方便，适用于各类高精度测量仪器，如测长机和高精度数控加工机械，可配接光栅数显表配合光栅计数卡接计算机使用。276.2 光栅式传感器n应用光学机械式鼠

16、标位移检测n是在纯机械式鼠标基础上进行改良，通过引入光学技术来提高鼠标的定位精度。光机鼠标也有一个胶质的小滚球，连接着X、Y转轴，但不再有圆形的译码轮，代之的是两个带有栅缝的光栅码盘，并且增加了发光二极管和感光芯片。当鼠标在桌面上移动时，滚球会带动X、Y转轴的两只光栅码盘转动，而X、Y发光二极管发出的光便会照射在光栅码盘上，由于光栅码盘存在栅缝，在恰当时机二极管发射出的光便可透过栅缝直接照射在两颗感光芯片组成的检测头上。如果接收到光信号，感光芯片便会产生“1”信号，若无接收到光信号，则将之定为信号“0”。接下来，这些信号被送入专门的控制芯片内运算生成对应的坐标偏移量，确定光标在屏幕上的位置。2

17、8尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅6.2 光栅式传感器29扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）6.2 光栅式传感器30反反射射式式光光栅栅6.2 光栅式传感器31透透射射式式光光栅栅6.2 光栅式传感器32透透射射式式圆圆光光栅栅固定固定6.2 光栅式传感器336.2 光栅式传感器34数显表数显表6.2 光栅式传感器356.2 光栅式传感器36X位移位移显示显示Y位移位移显示显示6.2 光栅式传感器376.2 光栅式传感器38比较比较电路电路驱动驱动装置装置伺服伺服电动机电动机信号处理电路信号处理电路工作台工作台光栅光栅传感器传感器位置指令位置指令PcPe位置偏差位置偏差位置反馈位置反馈Pf数控机床的位置控制系统数控机床的位置控制系统 6.2 光栅式传感器39防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加