第13章数字式传感器

1、第13章 数字式传感器 第13章 数字式传感器 13.1 光栅传感器光栅传感器13.2 编码器编码器13.3 感应同步器感应同步器第13章 数字式传感器 13.1 光光 栅栅 传传 感感 器器 13.1.1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构光栅结构图13 1 透射光栅示意图 光栅光栅：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，又称为刻线a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅栅距（光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a b=1.1 0.9。第13章 数字式传感器 莫尔条纹莫尔条纹：把两块栅距相等的光栅1、光栅2面向对叠合在

2、一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这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 在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的； 在f - f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。2. 光栅测量光栅测量图13-2 光栅莫尔条纹的形式第13章 数字式传感器 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。 (1) 位移的放大作用 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 WWBH2sin（13 - 1） 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。例如=0.1，则1/573

3、，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍. (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。 (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。 第13章 数字式传感器 13.1.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅读数头光栅读数头: 利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表光栅数显表: 实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 图13 3 光栅读数头结构示意图 1

4、. 光栅读数头光栅读数头 标尺光栅的有效长度即为测量范围。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。 标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。第13章 数字式传感器 前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图13-2看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 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(如图13 -4所示)， 如

5、以电压输出，即 WxUUumoo22sin（13 - 2） 式中： uo光电元件输出的电压信号； Uo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。输出电压反映了位移量的大小。 第13章 数字式传感器 输出电压uoUmUoabcdefg位移 x正最大负最大正最大图13-4 光栅位移与光强、输出电压的关系第13章 数字式传感器 2. 光栅数显表光栅数显表 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量， 因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。 为了辨别位移的方向， 进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理

6、。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。 采用图13-3中一个光电元件的光栅读数头， 无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化， 光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。 图13 - 5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。 第13章 数字式传感器 图13 5 辨向逻辑工作原理 Y1Y2AA1u2uAABB3124uu1u20 x

7、W1u2u4HB4W2W43W1、2光电元件；3、4光栅；A( )光栅移动方向；B( ) 与 A( )对应的莫尔条纹移动方向ABA（1） 辨向原理第13章 数字式传感器 (2) 细分技术所谓细分细分，就是在莫尔条纹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。四倍频细分四倍频细分第13章 数字式传感器 13.2 编编 码码 器器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码

8、器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。 编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示： 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) 接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 第13章 数字式传感器 13.2.1 光电式编码器光电式编码器124531光源；2透镜；3码盘；4窄缝；5光电元件组图13-6 光电式编码器示意图图13-7 码盘构造第13章 数字式传感器 图13-8 6位循环码码盘 表13-1 四位二进制码与循环码对照表 二进制码当某一较高的数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由

9、于刻划误差等原因， 某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差粗误差。 可用循环码代替二进制码,是一种无权码。对于n位循环码码盘，最小分辨率=360/2n。 第13章 数字式传感器 循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。 按表13 -1 所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为 11iiiiiinnCRCCCRCR或 式中： R循环码； C二进制码。 (13-3) 用与非门构成循环码-二进制码转换器，所用元件比较多。采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码或任意进制码。 如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精度也难以达到。这时可

10、采用双盘编码器， 它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。 第13章 数字式传感器 13.2.2 磁编码器磁编码器由磁鼓与磁阻探头组成多极磁鼓有两种：一种是塑磁磁鼓， 在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成形； 另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关， 而与电流平行的磁场无关。 图13 9 磁编码器的基本结构1432NNSSNNSSNNSS1磁鼓；2气隙；3磁敏传感部件；4磁敏电阻元件第13章 数字式传感器 电磁式编码器的码盘上按照一定的

11、编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。 第13章 数字式传感器 13.3 感感 应应 同同 步

12、步 器器 13.3.1 结构原理结构原理 感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。图13-10 长感应同步器示意图(a) 定尺； (b) 滑尺 exUsUc正弦绕组余弦绕组W41(a)(b)第13章 数字式传感器 图13-11 圆感应同步器示意图(a) 定子； (b) 转子 第13章 数字式传感器 13.3.2 信号处理方式信号处理方式 按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。 1. 鉴相方式鉴相方式 滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开1/4定尺的节距， 激励时加上等

13、幅等频，相位差为90的交流电压，即分别以sint和cost来激励，这样，就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量， 故叫鉴相型。 第13章 数字式传感器 当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为 sincos tUkems式中，k为耦合系数。 当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcost）, 感应电势为 sincos tUkemc按叠加原理求得定尺上总感应电动势为 )sin(cossinsincostUktUktUkeeemmmcs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）。 第13章 数字式传感器 2. 鉴幅方式鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、 同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量， 称为鉴幅型。 加到滑尺两绕组的交流励磁电压为 tUutUuccsscoscos(13-7)(13-8)式中 Us=Um sin； Uc=Um cos；Um激励电压幅值；给定的电相角。 第13章 数字式传感器 它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为 es=kUs sint sinec=kUc sint cos定尺的总感应电势为 e=es+ec=kUs sint sin+kUc sint co