虚拟仪器与硬件在环第五讲

模拟式传感器将诸如应变、压力、位移、加速度等被测参数转变为电模拟量(如电流、电压)显示出来。模拟信号需要经过AD转换才能让计算机进行处理。·A/D转换模拟信号数字信号采样的过程是每隔一个时间间隔在模拟信号的波形上取一个幅度值，把时间上的连续信号变成时间上的离散信号。量化的过程是先将采样后的信号按其幅度划分成有限个区段的集合，把落入某个区段内的样值归为一类，并赋于相同的量化值。编码是按照一定的格式把经过采样和量化得到的离散数据记录下来，并在有用1信号处理环节信号处理环节低通滤波器信号变送器信号传感器输入信息现场信号控制信号多路转换开关转换器转换器信息锁存器采样保持电路输入输出接口微型计算机驱动放大执行部件业现场若用数字显示或输入计算机，就需要经过一套模数转换装置(A/D转换),将模拟量变成数字量。这不但增加了投资，而且增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度。·模拟式传感器信号弱模拟式传感器的输出信号最大一般在几十毫伏，最低时只有百万分之几毫伏，易受干扰。而数字式传感器的输出信号均在3～4V左右，其抗干扰能力远大于模拟信号的百万倍。·数字式传感器适用于各种恶劣工作环境，具有防雷击和大电流放电能力，可在室外安装使用。·数字式传感器能自动补偿和调整因偏载和温度变化而产生影响。·数字式传感器通过内部微处理器里的软件，自动补偿了蠕变。·模拟式传感器由接头、接线排(端子)、电位器、开关及长电缆等因素造成的经常引起的积累误差。数字式传感器则不存在这种误差。·数字式传感器具有自诊断功能。它不断对内部工作状况进行检测，当检测到出现故障时，会发出错误代码。到目前为止，数字式传感器种类还不多。这种传感器建立在编码器的基础上。只要编码器保证一定的制作精度，并配置合适的读雷部件，这种传感器可以达到较高的精度。另外，它的结构简单，可靠性高。因此，在空间技术、数控机械系统等方面获得厂泛用。编码器电触式电容式感应式光电式码盘码尺绝对式增量式光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信柱面镜码盘狭缝柱面镜码盘光源由光源发山的儿线，红性曲说又成不干1J儿以云聚儿，玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一知不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝后，开光电元件上。光电元件的排列与码道一一对应。当有光照身光电元件的输出相反，如前者为“1”,后者为“0”。光电元出按一定规律编码的数字量，代表了码盘转角的大小。二、码制与码盘透光。最外圈称为C₁码道，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。例如零位对应于000000(全黑),第23个方位对应于6位二进制码盘0000测量时，根据码盘的起止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。§1码盘式传感器二、码制与码盘二进制码盘具有以下主要特点：①n位(n个码道)的二进制码盘具有2°种不同编码其容量为2”,最小分辨力θ₁=360°/2”,最外圈R₁码道的角节距为40□□②二进制码为有权码，编码Cn,Cn1,.,C₁对应于由零位算起的转角为③码盘转动中，Cx变化时，所有C;(j<K)应同时变化。81.为了达到1”左右的分辨力，需要采用至少多少位码盘?2.一个刻划直径为400mm的20位码盘，其外圈间隔至少为多少μm?3.初始读数为0110,最后读数为1100,问旋转了多大角度?9二、码制与码盘理想：各个码道不仅刻划精确，而且彼此对准。现实：由于微小的制作误差，导致只要有一个码道提前或延后改变，就容易造成输出的粗误差。例：下图是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111,为十进制数7。若码道C₄黑区做得太短，就误读为1111,为十进制数15。AC₃CCCCCCCCCC§1码盘式传感器二、码制与码盘理想：各个码道不仅刻划精确，而且彼此对准。现实：由于微小的制作误差，导致只要有一个码道提前或延后改变，就容易造成输出的粗误差。AA₁₃AA⁻₁₂₃A§1§1码盘式传感器二、码制与码盘理想：各个码道不仅刻划精确，而且彼此对准。现实：由于微小的制作误差，导致只要有一个码道提前或延后改变，就容易造成输出的粗误差。(1)双读数头法(1)双读数头法(1)双读数头法OYF1输出信号1(A,无效)YF2输出与B;相反的信号YF2输出信号1(B;无效)§1码盘式传感器控制电路(读数方法)(1)双读数头法控制电路(读数方法)分析左上图分别§1码盘式传感器二、码制与码盘(1)双读数头法A;o—YF₃只要由于刻划等原因造成的总误差不超过相应码道a与b,之间的距离就不会产生粗误差。在不发生粗误差的条件下，整个编码器的精度由它的最低位(即C₁码道)决定。双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。(2)循环码盘循环码码盘具有以下特点：n位循环码码盘，与二进制码一样具有2种不同编码，最小分辨力为θ,=360°/2”,其他第i码道相当于二进制码码盘第i+1码道向零位方向转过θ,角，最外圈R码道的角节距为4θ₁;②循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，而其余各位相同；③循环码为无权码；④循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛应用。十进制数二进制码循环码0819234567§1码盘式传感器三、二进制码与循环码的转换循环码0819234567由上表，可找出循环码和二进制码之间存在的转换关系：循环码一二进制码：循环码一二进制码：§1码盘式传感器三、二进制码与循环码的转换循环码一二进制码：(a)并行变换电路(b)串行变换电路§1码盘式传感器三、二进制码与循环码的转换循环码是无权码，直接译换为二进制码后再译码。单发器下图为将循环码转变为二进制码的两种电路。单发器G二进制码<循环码：R。-1QJQR.-21KC₁=C+₁田RK田oC₁CpRDR₁R(b)串行变换电路(a)并行变换电路(b)串行变换电路采用串行变换电路时，开始之前先将JK触发器D复零，Q=0。将R,同时加到JK端，再加入Cg脉冲后，Q=C。=R,。以后若Q端为C+,在J、K端加入R,根据JK触发器的特性，若J、K为“1”,则加入C.脉冲后Q=;芪J,K为“0”,则加入Cp脉冲后保持Q=.℃x一逻辑关系可以写成重复上述步骤，可以依次获得Co、C、…、C₂、C₁21§1码盘式传感器四、应用下图是光学码盘测角仪的原理图。光源1通过大孔径非球面聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上。根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面的一排光电元件5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。纠错电路和寄存电路在需要时采用。%%5%24%3名寄存当量变换显示译码§1码盘式传感器四、应用显示器总是希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当量变换电路。DD分脉冲选通电路腺冲当量变接计数器₃码盘二进制编码输入秒十秒分设该增量式光电编码器的参数为1024p/r,大、小皮带轮的传动比为5,若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8,则电动机转动了多少分之几圈?应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转?练习：编码器在定位加工中的应用66754.14233B5如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的，它主要用于线位移和角位移的测量。由于光栅传感器具有精度高、测量范围大、易于实现测量自动化和数长度和角度有关的物理量，如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓光敏元件电压圆光栅光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成，如下图。·光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅(也称标尺光栅)和指示光栅组成。标尺光棚指示光栅光电元件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。米(米(10、25、50、100)线。·指示光栅般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。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。IWa为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数)·通常情况下，a=b=W/2,也可以做a:b=1.1:0.9。刻线密度一般为每毫米(10、25、50、100)线。·指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。二、莫尔条纹形成的原理及特点(一)莫尔条纹的形成原理把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙),并使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角θ,于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，如下图。§1光栅传感器二、莫尔条纹形成的原理及特点(一)莫尔条纹的形成原理αα—亮(暗)带的倾斜角；9—两光栅的栅线夹角。99《CABBm—横向莫尔条纹之间的距离；W—光栅常数。§1光栅传感器二、莫尔条纹形成的原理及特点由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距. 莫尔条纹的实际价值在于：能让光敏元件“看清”随光栅刻线移动所带来的光强变化。§1光栅传感器二、莫尔条纹形成的原理及特点由此可见，莫尔条纹的宽度Bu由光栅常数与光栅的夹角θ决定。对于给定光栅常数W的两光栅，夹角θ愈小，条纹宽度愈大，即条纹愈稀。所以通过调整夹角0,可以使条纹宽度具有任何所需要的值。例：W=0.02mm,若9=0.01rad=0.57°,求条纹宽度和放大倍数。§1光栅传感器二、莫尔条纹形成的原理及特点量精度。可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响。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。00强④径向光栅可进行角度测量。·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。88WC₂C.径向光栅四、辨向原理化而不能辨别莫尔条纹的移动方向。dbd解决方法：为了能够辨向，应当在相距4Bu的位置上设置两个光电元件1和2,以得到两个相位差90°的正弦信号，然后送到辨向电路处理。上左四、辨向原理·u和uw是u和u”两个方波经微分电路后得到。““wYYU上上左时光电元件2的输出电压波形如右图中曲线u₂所示。光电元件1的输出电压波形如曲线u₁所示，显然u₁超前u₂90°相角。微分微分触发器计数器Q+放大整形微分₂延时反向₃242文u₁、u₂经整形放大后得到两个方波信号和u₂;乙2工35x文上四、辨向原理主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件2的输出电压波形如右图中曲线u₂所示。光电元件1的输出电压波形如曲线u₁所示，显然u₁超前u₂90°相角。左文V,V,可逆计数器₂触发器延时微分微分反向₃+H微分触发器反向微分延时微分触发器反向微分延时H₂+YY上主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件2的输出电压波形如右图中曲线u₂所示。光电元件1的输出电压波形如曲线u,所示，显然u,超前u₂90°相角。左对于与门Y₁,由于uw处于高电对于与门Y,u处于高电平时，可逆计数器可逆计数器QW工Y:x工₂H问题：每移过一个栅距产生一个脉冲。若每毫米250条栅线的长光栅，那么其分辨力(脉冲4μm。如果希望提高当量)为到1μm、0.1μm或更高。对长光栅来说，意味着栅线的密度要达到每毫米千条线到万条线之多。就目前先进的工艺水平看，栅线密度每毫米7千条线还能实现，但要达到每毫米万条线尚无法实现。解决办法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”,来得到所需的最小读数值。所谓细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。(一)直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。M2YHH(a)未细分波形(b)四细分波形优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。§2感应同步器一一、工作原理直线感应同步器由可以相对移动的滑尺和定尺组成。3324671—机床不动部件2一定尺3一定尺座4一防护罩5—滑尺6—滑尺座7—机床可动部件滑尺绕组若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。即即L加工时，分别在滑尺和定尺的基体上用热压法粘贴上绝缘层和铜箔，然后通过光刻和化学腐蚀工艺刻出所需的平面绕组图形。在滑尺上还粘有一层铝膜，以防止静电感应。基体材料一般和被测体的材料相同，目的是使感应同步器的热膨胀系数与所安装的主体相同，如用于机床位置的感应同步器常使用低碳钢作为基体。1.标准式定尺绕组为均匀分布的连续绕组，节距W₂=2(a₇+b,)。滑尺绕组为两组断续绕组，分别是正弦绕组和余弦绕组，它们电相位角差π/2,因此两项绕组的中心线距应)W,n为正整数。两绕组的节距相同，均为W₁=2(a₁+b₁)。两引线片宽a₂1二41=23=4罪(b)§2感应同步器E-E.感应电势e与两绕组之间的互感成正比，与激磁电流i的导数成正比。·当U形激励绕组位于图(a)所示位置时：各感应导线上的感应电势方向一致，彼此相加，两绕组为正向紧耦合，互感M取最大正值+M·当U形激励绕组处于图(b)和(d)所示位置时：各感应导线上感应电势方向相反，互相抵消，使连续绕组两端感应电势为0,互感为0。当U形绕组处于图(c)所示位置时：各感应导线上感应电势方向一致，彼此相加，两绕组为反向紧耦合，互感取最大负值-M1O$2感应同步器一、工作原理形绕组中心线相对该参照点的位移代表滑尺与定尺的相对位移，记为x,(a)、(b)、(c)、(d)、(e)就分别对应于x=0、、x=W的情况。当x分别等于nW、(n+W时，n为整数，互感系数M分别为Ma、可见，滑尺与定尺的两绕组之间的互感是相对位移x的周期函数M(x),其周期为W。O§2感应同步器一、工作原理若忽略周期函数M(x)的其他谐波，则定尺组与滑尺绕组间的互感可写为0—两绕组相对位置的电相角。对长感应同步器来说，θ与相对位移x关系式中w—长感应同步器节距WNMM川川U几几绕断续绕组中，与连续绕组间的互感为余弦函数的绕组称为余弦绕组。5§2感应同步器一、工作原理距余弦绕组绕组与连续组间的互感可看做是该余弦绕组再利WL24;