传感器技术讲解课件二

第3章数字式传感器

数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比的特点是:抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。

本章讲述常用的数字式传感器光栅传感器磁栅传感器旋转式光电编码器直线感应同步器旋转变压器3.1光栅传感器一.光栅及其测量系统1.光栅的结构类型1）长光栅尺2）圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。2.光栅测量系统（光栅读数头）二.光栅传感器的工作原理1.莫尔条纹的形成及其特征当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。莫尔条纹的特征1)放大作用放大倍数为1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°时θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。2)对应关系3）误差的平均均效应光电元件对光栅栅的栅距误差具具有消差作用。。莫尔条纹由光栅栅的大量刻线形形成,对线纹的刻划误误差有平均抵消消作用,几条刻线的栅距距误差或断裂对对莫尔条纹的位位置和形状影响响甚微。能在很很大程度上消除除短周期误差的的影响。例W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作作，某几条刻线线误差对莫尔条条纹位置和形状状基本无影响。。2.辨向原理及辨向向电路1）为什么要辨向向当可动光栅（主主光栅）无论向向前或向后移动动时，在一固定定点安装的光电电元件只能接收收到莫尔条纹明明暗交替的变化化，后面的数字字电路都将发生生同样的计数脉脉冲，从而无法法辨别光栅移动动的方向，也不不能正确测量出出有往复移动时时位移的大小。。因而必须在测测量电路中加入入辨向电路。2）辨向原理与辨辨向电路辨向电路设计数器记得脉脉冲数为N，位移x=NW光栅测量位移属属于增量式测量量。三.细分技术目的：提高分辨辨力（测量比栅栅距更小的位移移量）。细分思想：在一一个栅距即一个个莫尔条纹信号号变化周期内,发出n脉冲,每个脉冲代表原原来栅距的1/n。由于细分后计计数脉冲频率提提高了n倍,因此也称之为n倍频。细分类型：电子细分又分为为四倍频直接细细分和电位器桥桥细分。1.四倍频细分在相差B/4位置上安放两个个光电元件，得得到两个相差π/2电压信号（S和C），将这两个信号整整形、反相得到到四个依次相差差π/2的电压信号。0°（S），90°（C）180°（S）270°（C）。在光栅作相对运动动时，经过微分分电路，在正向向运动时，得到到四个微分脉冲冲（加计数脉冲冲）；反向运动动时，得到四个个微分脉冲（减减计数脉冲）。。2.电位器桥（电阻阻链）细分实现方法及原理理四细分后得到的的四个相位差为为90度的交流信号Umsinθ,Umcosθ和-Umsinθ,-Umcosθ。以这四个交流信信号为原函数（（两原函数间各各接几个电位器器，构成电位器器桥，把θ=0-360度,（x=0-W）分成四个象限。。每一个象限，由由于电压的合成成与电位器的移移相作用，电阻阻链上各电位器器中间抽头得到到幅值各不相同同的一系列移相信信号（新函数））。四.光栅数显装置主要芯片简介1.光栅信号处理芯芯片(HKF710502)主要功能：信号号的同步、整形形、四细分、辨辨向、加减控制制、参考零位信信号的处理、记记忆功能的实线线和分辨率的选选择等。2.逻辑控制芯片（（HKE701314）主要功能：为整整机提供高频和和低频脉冲；完完成BCD译码；XJ校验及超速报警警。3.可逆计数与零位位记忆芯片（HKE701201)主要功能：接收收从光栅信号处处理芯片传来的的计数脉冲，完完成可逆计数；；接收参考零位位脉冲，使计数数器确定参考零零位的数值，同同时也完成清零零、置数、记忆忆等功能。五.光栅传传感器器的应应用3.2旋转式式光电电编码码器一.增量式式旋转光光电编编码器器1.工作原原理2.增量式式光电电盘4.旋转方方向的的判别别二.绝对式式光电电编码码器1.测量原原理2.绝对式式光电电码盘盘3.循环码码盘1）编码码规则则将二进进制码码右移移一一位并并舍去去最末末位与与原二二进制制做不不进位位加法法。2）特点点相邻两两个数数码之之间只只有一一位变变化。。4.提高分分辨率率的方方法－－插值值法三.光电编编码器器的应应用1.在数控控机床床中的的应用用2.角度及及转速速的测测量脉冲频频率法法脉冲周周期法法3.3直线式式感应应同步步器一.直线式式感应应同步步器的的结构构二.工作原原理三.数显装装置1.鉴幅式式2.主要性性能指指标1）精度度在整个个测量量范围围内作作静态态测量量时的的显示示值与与被测测实际际值的的最大大可能能偏离离量，，用正正负偏偏差表表示2）分辨辨力系统能能反映映的最最小位位移变变化量量。在在数字字系统统中分分辨力力与脉脉冲当当量或或最低低为显显示数数字一一致。。所谓谓脉冲冲当量量q是指一一个脉脉冲所所对应应的机机械位位移变变化量量。对对于线线位移移测量量，可可用下下式计计算：：式中：：W－节距距n－系统统的细细分数数3）跟踪踪速度度当机械械运动动大于于系统统所允允许的的跟踪踪速度度时，，增量量脉冲冲跟不不上机机械位位移增增量，，就会会发生生丢失失节距距而不不能正正常工工作的的情况况。系系统的的允许许跟踪踪速度度ui为式中：：fi-增量脉脉冲频频率q-脉冲当当量四.安装使使用注注意事事项安装结结构图图如下下所示示。完完整的的感应应同步步器有有定尺尺组件件、滑滑尺组组件和和防护护罩三三部分分。感应同同步器器的安安装要要求如如下：：五.感应同同步器器的应应用1.机床闭闭环控控制2.定位控控制3.随动控控制3.4旋转变变压器器一.旋转变变压器器的结结构二.旋转变变压器器的工工作原原理1.两级绕绕组式式的工工作原原理2.四级绕绕组式式的工工作方方式1）鉴相相工作作方式式定子绕绕组分分别通通以同同幅值值、同同频率率、相相位相相差90度的交交流电电压。。根据叠叠加原原理，，转子子绕组组中的的感应应电压压为这这两个个电压压的代代数和和，即即2）鉴幅幅式工工作方方式当两个个定子子绕组组分别别通以以同频频率、、同相相位，，单幅幅值不不同的的交流流电压压其幅值值分别别为α－定子子绕组组的电电气