传感器-章数字式传感器-编码器

1、传感器_章数字式传感器-编码器第1页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日10.3 编 码 器编码器：将机械位移模拟量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。结构形式：直线式、旋转式电气转换原理：接触（电刷）式、光电式、电磁式输出量形式：脉冲输出、与位置对应的数字码编码器特点：高精度、 高分辨率和高可靠性。第2页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日10.3.1 基本结构与原理一、编码器的输出增量编码器脉冲输出，被测量用累计脉冲数表示，需要基准数据才能完成位移的测量。绝对编码器输出为与位置相对应的固定数字码不需要基准数据和计数系统。真正意义上

2、的直接数字式传感器编码器增量编码器 (脉冲盘式编码器) 绝对编码器 (码盘式编码器)第3页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日二、绝对编码器工作原理1结构与工作原理码盘：制作有某种码制的图形。工作原理：对应不同的转角位置，产生某种码制的数字编码输出。测量时，可根据码盘的起始和终止位置，确定角位移，而与转动的中间过程无关。编码器码制：二进制码、 十进制码、 循环码（格雷码）等。第4页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日3. 二进制码盘：码道：数量等于二进制码的位数n码盘的分辨率：=360/2n， 例如：4位二进制码盘， 其最小分辨的角度 =360/24 2

3、2.5。零位对应于0000；最外圈一共分成24=16个（ 4位二进制码盘）间隔。共有16个角度方位，每一个角度方位对应于不同的编码。第5页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日二进制码盘的误差当某一较高的数码改变时，例：01111000，h i所有低位数码均需同时改变。当电刷进出导电区的先后不一致时，就会造成非单值粗误差，例：0111 0101 1000消除非单值误差的办法 采用循环码(格雷码) 第6页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日4、格雷码（循环码）（1）格雷码特点：从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。第7页，共57页，2022年，5月20

4、日，21点21分，星期日（2）二进制码盘与格雷码（循环码）码盘比较格雷码码盘从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。第8页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日（3） 格雷码码盘特点n位格雷码码盘，与n位二进制码盘一样，有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。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。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。 由于这一原因使得格雷码码盘获得了广泛的应用。第9页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日例：机械编码器21mm, 无需A/D

5、转换 垂直和水平安装 操作速度：最大50R/Min第10页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日10.3.2 旋转光电式编码器光电式编码器使用光电元件，其测量精度和分辨率能达到很高水平。1 - 光源；2 - 柱面镜；3 - 码盘；4 - 狭缝；5 - 光电元件第11页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日1、绝对编码器码盘：光学玻璃，透光/不透光（同心码道） 照相腐蚀 光源：LED 光学系统 平行光 投影精确光电元件：硅光电池，光电晶体管特点：高精度、高分辨力、可靠性好 原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出第12页，共57页，2022年，5月20日，21点

6、21分，星期日插值法提高绝对编码器分辨率 增加码道数n，可提高测量精度和分辨率，问题：最外圈刻线数2n，n受制造工艺限制，例：400mm 的码盘，当n=20时，最外圈码道节距仅为2m，对策：采用光学分解技术(插值法)，提高分辨率。例如，14位内码道加1条专用附加码道的19位光电编码器第13页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日附加码道对应于内码道最低位的每一个状态（0或1）将产生一个完整的输出周期（理想正弦波或余弦波）。插值器将输入正弦、余弦波按不同系数组合，产生相位差为/8的16个脉冲，从而在14位编码器的最低有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相当于附加5位二进制数

7、的输出，使编码器的分辨率从2 14提高到2 19，角位移小于3秒。第14页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日2、 增量编码器码盘简单，一般只需三条码道计数码道S1刻线数p决定编码器的分辨率，360/p辨向码道S2与S1刻线数相同，错开半个扇区Z码道提供基准位置第15页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日例：编码器E6A2C，1000P/R 刻线数=1000计数码道、辩向码道、Z码道的输出信号A、B、Z第16页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日转速变化时，输出信号第17页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日正转，

8、A超前B（低电平有效）第18页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日反转，A滞后于B（低电平有效）第19页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日应用举例：编码器E6A2C，1000P/R 接线电源：棕色：524VDC，蓝色：0V，OUT输出：黑色接A，白色接B，桔色z测试输出信号输入转角，有信号输出，幅值：0mv400mv，停止转动，信号不确定，或0v或高阻状态第20页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光电编码器的输出集电极开路输出电压输出差分线性驱动器输出第21页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日集电极开路输出O

9、C当输入为“0”时，左边的三极管截止5V电源通过1K电阻加到右边的三极管基极上，右边的三极管导通，输出低电即相当于一个开关闭合平；当输入为“1”时，左边的三极管导通，右边的三极管截止，输出端悬空，高阻状态相当于开关断开OC门的输出必须上拉，才能保证高阻状态被检测出来。第22页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日集电极输出也是以三极管输出的，但没有上拉电阻，用的时候要与VCC(5V,12V,24V) 接上拉电阻，这种电路的好处是电路可以接成大于5V的信号，比如：信号12V，24V等等; 第23页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日电压输出电压输出是以三极管

10、输出的。编码器电路中有上拉电阻，所以只有一种电压信号，如果编码器工作电压是5V，那么其信号也是5V的信号。 第24页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日例：编码器输出接单片机输出信号第25页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日差分线性驱动器输出应用IC(26LS31) ，将每相输出转为极性相反的两路差分信号；具有高速响应和良好的抗噪性能，适用于长距离传输。接收端需要用与RS-422A相应的IC(26LS32)芯片，可有效抑制噪声引起的共模电压第26页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日26LS31对应一个输入控制信号其输出是带有极性的

11、互补信号第27页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日10.3.3 测量电路1、计数电路具有辩向功能，输出加或减计数脉冲加脉冲 ： S1：单稳电路S1下降沿触发， S+ ：S1&S2减脉冲S”1：单稳电路S1上升沿触发， S-： S”1&S2第28页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日2、四倍频细分电路原理 一个周期内，两相开关信号共有4次相对变化：00-10-11-01-00。每发生1次变化，可逆计数器实现1次加计数，1个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数。当编码器正向移动时，A相信号相位超前B相90第29页，共57页，2022年，5

12、月20日，21点21分，星期日当编码器反向移动时，A相信号相位滞后于B相信号90一个周期内两相信号也有4次相对变化：00-01-11-10-00。同理，如果每发生1次变化，可逆计数器便实现1次减计数，在1个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转状态的四倍频计数。第30页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日综合上述分析，可以做出处理模块状态转换图，如图所示。其中“+”、“-”分别表示计数器加/减1，“0”表示计数器不动作。 第31页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日细分电路原理图第32页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日正转时各路

13、信号波形第33页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日数字式传感器产品一、旋转编码器及连轴器M系列FMAAX系列FXAA第34页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日K系列FKAT系列FTA旋转编码器2第35页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日海德汉编码器利用有规则的标尺载体作为测量基准，这些刻线是制作在玻璃或钢制材料的。转数至10，000转/分，大多使用玻璃；更高的转数至40，000转/分时，则使用钢毂。对于大直径的编码器，用钢带作为刻线载体。第36页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光电编码传感器应用举例 1：

14、 钢带式光电编码数字液位计是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍应用的一种测量设备在量程超过 20m 的应用环境中，液位测量分辨率仍可达到 1mm。测量设备主要构成：编码钢带、读码器、卷带盘、定滑轮、牵引钢带用的细钢丝绳及伺服系统等。编码钢带的一端系在细钢丝绳上，细钢丝绳绕过定滑轮系在大罐的浮顶上编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。第37页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日自动测量过程当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带

15、收入卷带盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编码。经处理后进行就地显示，或以串行码的形式发送给其它设备。第38页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日插值细分技术提高编码钢带的分辨率设：分辨率为1mm 最低位码道刻线间隔 ，设15个码道，测量范围： 215132768mm32.768m加工工艺难度较大，编码钢带强度较低，使用不便。需采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。最低码道宽度增加到5mm，应用插值细分技术以获得1mm的分辨率在量程为20m的条件下，码道数量将减少到12个测量范围： 212520480mm20.48m编码钢带示意图第39页，共5

16、7页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光电旋转编码器的应用实例2鼠标它是一款真正意义上的机械鼠标。它的工作原理也很简单：在鼠标底部装有两个相互垂直的枢轴，每个枢轴带动一个机械变阻器。鼠标位置的移动会使变阻器的的阻值发生变化，由此便可以得到X与Y轴的位移信号。通过反馈的信号系统会判断出鼠标的移动状况。 世界上的第一款鼠标1968年12月9日，世界上第一款鼠标诞生于加利福尼亚。第40页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光机式鼠标是光学机械混合鼠标器。其工作方式与光电式有些不同，结合了机械鼠的一些特点：鼠标内置了二个滚轴，分别是X方向滚轴和Y方向滚轴,这两个滚轴都与

17、一个可以滚动的小球接触，当小球滚动时便带动了两个滚轴转动，两个滚轴顶端都装一个边缘开槽的光栅轮。第41页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日当光栅轮被带动时LED发出的光线通过光栅轮的开槽透光，未开槽不透光，从而使光敏三极管产生高低电平，形成脉冲信号。第42页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日通过鼠标的控制芯片转换处理后被CPU接收并对其计数。互相垂直的传动轴分别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移动的距离和速度。第43页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光电鼠标的工作原理在光电鼠标内部有一个发光二极

18、管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。第44页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光电鼠标通常由以下部分组成光学感应器、光学透镜、发光二极管、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、接口微处理器等。第45页，共57页，2022年，5月20日，21点21分，星期日光电鼠标上的翻页滚轮第46页，共57页，