人教版必修一地球的宇宙环境课件

第八章数字传感器

制作时间：2010.09.09修改时间：2011.10.05第八章数字传感器

制作时间：2010.09.09本章学习的主要内容：1、光栅式传感器2、光电编码器3、磁栅式传感器4、感应同步器本章学习的主要内容：1、光栅式传感器2、光电编码器3、磁栅式数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加8－1光栅式传感器光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。其优点为：结构简单测量精度高易于实现自动化和数字化等8－1光栅式传感器光栅式传感器是光电式传一、光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分构成。光栅读数头包括：光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。一、光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分构1．分类按运动形式分：直线型：主光栅为直尺形→直线移动旋转型：主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式：光源与光电元件在两侧→透射光反射式：光源与光电元件同一侧→反射光1．分类按运动形式分：按光学形式分：2．光栅尺（标尺光栅和指示光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2

指示光栅标尺光栅2．光栅尺（标尺光栅和指示光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或1－反射主光栅2－指示光栅3－场镜4－反射镜5－聚光镜6－光源7－物镜8－光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。3．光栅读数头（1）反射式光栅1－反射主光栅该光路适用于黑白反射光栅。3．光栅读数头（1）反射式光栅结构图反射式光栅结构图

此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。1－光源2－准直透镜3－主光栅4－指示光栅5－光电元件（2）透射式光栅

此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。1－光源（2）透射式光栅透射式光栅结构图透射式光栅结构图旋转式光栅示意图旋转式光栅示意图光栅传感器实物图扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅传感器实物图扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆播放中……圆弧莫尔条纹——演示单击准备演示播放动画特点是：两光栅的圆心存在偏心播放中……圆弧莫尔条纹——演示单击准备演示播放动画特点是：光闸莫尔条纹——演示播放动画播放中……特点是：两光栅没有偏心光闸莫尔条纹——演示播放动画播放中……特点是：环形莫尔条纹——演示播放动画播放中……单击准备演示环形莫尔条纹——演示播放动画播放中……单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹——演示播放动画单击准备演示辐射形莫尔条纹——演示播放动画长光栅莫尔条纹——演示播放动画长光栅莫尔条纹——演示播放动画长光栅光闸莫尔条纹——演示播放动画长光栅光闸莫尔条纹——演示播放动画横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定莫尔条纹的宽度横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与莫尔条纹的主要特性：（1）消除光栅刻线不均匀误差光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。即准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度（2）位移的放大特性放大性：夹角θ很小→B＝W

/θ>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活莫尔条纹的主要特性：即准确性：大量刻线→误差平均效应→同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移动方向垂直（3）移动特性－输出信号中直流分量（4）光强与位置关系对应性：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”。同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应注意事项：光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。注意事项：光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光两光电元件相对位置1、2－光电元件2．辨向原理两光电元件相对位置1、2－光电元件2．辨向原理去加法计数器去减法计数器辨向电路及输出脉冲图去加法计数器去减法计数器辨向电路及输出脉冲图UZ1UZ2UZ3去加法计数器UZ1UZ2UZ3去加法计数器去减法计数器UZ1UZ2UZ3去减法计数器UZ1UZ2UZ3脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。得出：被测物体位移＝栅距×脉冲数【例】先正向移动11个脉冲，而后反向移动5个脉冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移8个栅距。脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，三、细分技术问题的提出：

如何在现有仪器条件下提高分辨力？ 在选择合适的光栅栅距的前提下，对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需最小读数值。细分：在莫尔条纹变化一周期时，等间距输出若干个脉冲，提高了分辨力。三、细分技术问题的提出：电桥细分法（矢量和法）若电桥平衡，UZ=0，有e1、e2相位差90度，光栅位置x令过零触发器电桥细分法（矢量和法）若电桥平衡，UZ=0，有e1、e2相位uo1uo2uo1uo2三自由度光栅数显表四、光栅数显装置

三自由度光栅数显表四、光栅数显装置1－读数头；2－壳体；3－发光接受线路板；4－指示光栅座；5－指示光栅；6－光栅刻线；7－光栅尺；8－主光栅结构示意图光栅数显装置结构示意图及电路原理框图1－读数头；2－壳体；3－发光接受线路板；4－指示光栅座；国产光栅数显装置的LSI芯片组成：

1、光栅信号处理芯片（HKF710502）主要功能：完成输入信号的同步；整形；四细分；辨向；加减控制；参考零位信号的处理；记忆功能的实现和分辨力的选择等。2．逻辑控制芯片（HKE701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD

译码；XJ校验以及超速报警。国产光栅数显装置的LSI芯片组成：1、光栅信号处理芯片（H3．可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201）主要功能：接受计数脉冲，完成可逆计数；接受参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。3．可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201）主要功能：1．位置测量五、光栅式传感器的应用1．位置测量五、光栅式传感器的应用机床导轨位置检测动画演示机床导轨位置检测动画演示2．测长仪光栅式万能测长仪工作原理图2．测长仪光栅式万能测长仪工作原理图8－2光电编码器编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。8－2光电编码器编码器是将直线运动1．构造类型转动方式直线—线性编码器转动—转轴编码器光束形式透射式反射式光电编码器的分类1．构造类型转动方式直线—线性编码器转动—转轴编2．信号性质增量式辨别方向零位信号绝对式—绝对式编码器可辨向的增量式编码器不可辨向的脉冲发生器有零位信号无零位信号3.混合式绝对值编码器把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上。2．信号性质增量式辨别方向零位信号绝对式—绝对式编信号航空插头光电编码器外形图空心轴光电编码器信号航空插头光电编码器外形图空心轴光电编码器拉线式角编码器，利用线轮能将直线运动转换成旋转运动。拉线式角编码器，利用线轮能将直线运动转换成旋其他光电编码器外形图其他光电编码器外形图转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC一、增量式光电编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC人教版必修一地球的宇宙环境课件结构示意图l－均匀分布透光槽的编码盘2－LED光源3－光栏板上狭缝4－sin信号接收器5－cos信号接收器6－零位读出光电元件7－转轴8－零位标记槽结构示意图l－均匀分布透光槽的编增量式编码器原理动画演示增量式编码器原理动画演示1．辨向信号和零标志在前图的码盘里圈，还有一个狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，又称为sin、cos元件。1．辨向信号和零标志在前图的码盘里圈，还有测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数n

有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：2．增量式光电编码器的分辨力及分辨率分辨力为分辨率为测量精度取决于它所能分辨的最小角度，二、绝对式光电编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。二、绝对式光电编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器的结构示意图1－光源；2－透镜；3－编码盘；4－狭缝；5－光电元件绝对式光电编码器的结构示意图1－光源；2－透镜；3－编码盘；

a）光电码盘的平面结构（8码道）

b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）a）光电码盘的平面结构（8码道）绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘上的码道数n

有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨力

分辨率为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用格雷码（Groycode）图案的编码盘。绝对式光电编码器测量精度取决于它所能格雷码和自然二进制码的比较表D十进制B二进制R格雷码D十进制B二进制R格雷码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000格雷码和自然二进制码的比较表DBRDBR0000000008绝对式光电编码器测角仪原理图1－光源；2－聚光镜；3－编码盘；4－狭缝光阑绝对式光电编码器测角仪原理图1－光源；2－聚光镜；3－编码盘透光区不透光区零位标志增量式绝对式增量式、绝对式有何区别？透光区不透光区零位标志增量式绝对式增量式、绝对式有何区别？1．位置测量三、光电编码器的应用光电编码器位置测量动画演示1．位置测量三、光电编码器的应用光电编码器位置测量动画演示轴环式数显表外形图

1－数显面板2－轴环3－穿轴孔4－电源线5－复位机构轴环式数显表外形图

1－数显面板2－轴环3－穿轴工位定位示意图1－绝对式编码器2－电动机

3－转轴

4－转盘

5－工件

6－刀具工位定位示意图1－绝对式编码器数控加工中心数控加工中心在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角用不同的刀具加工复杂的工件用不同的刀具加工复杂的工件2．转速测量光电编码器转速测量动画演示2．转速测量光电编码器转速测量动画演示在伺服电机中的应用应用方面：转速测量转子磁极位置测量角位移测量在伺服电机中的应用应用方面：1、分辨率：与位置精度有关2、外观尺寸：与安装空间的关系3、轴允许负重：与寿命、安装状况的关系4、允许最大转数（最高响应频率）：马达等驱动轴的转数与分辨率的关系5、输出相位差：与NC机械等用的控制部分的匹配情况6、对环境的适应性：与使用环境的关系7、增量型、绝对值型：考虑到成本，看在切断电源时能否检测绝对值位置。有无计数器、抗噪音性能如何等。光电编码器的选择1、分辨率：光电编码器的选择1、机械部分

1）测长度还是测角度；

2）轴连接安装形式；

3）使用环境，粉尘，水气，震动，撞击。2、电气部分

1）连接的输出接收部分；

2）信号形式；

3）分辨率要求；

4）控制要求。*绝对式编码器的问题*绝对值编码器：每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆。光电编码器使用注意事项1、机械部分光电编码器使用注意事项8－3磁栅式传感器磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。8－3磁栅式传感器磁栅优点：大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图一、磁栅的组成及类型1．磁栅的组成磁栅传感器是由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头一、磁栅的组成及类型1．磁栅的组成磁栅传感磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔2．磁栅的类型长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形2．磁栅的类型长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形1－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫1－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5磁尺磁栅外观图磁头磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO

磁栅尺德国SIKO磁栅尺磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理1．基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理1．式中：Em－感应电势的幅值W－磁栅信号的节距x－机械位移量磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：式中：Em－感应电势的幅值磁头输出的电势2．信号处理方式当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：

式中：－机械位移相角，2．信号处理方式当两只磁头励磁线圈加上同将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：将两路输出相加，则获得总输出：（1）鉴相方式将第二个磁头的电压读出信号移相900磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的意义何在？磁尺与磁头接触，使用寿命设置两个磁头的利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。

经检波器去掉高频载波后可得：（2）鉴幅方式与光栅的信号辨向、细分一致。利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位鉴幅型磁栅传感器的原理框图鉴幅型磁栅传感器的原理框图磁栅数显装置的结构示意图1－磁性标尺2－磁头3－固定块4－尺体安装孔5－泡沫垫6－滑板安装孔7－磁头连接板8－滑板三、磁栅数显装置

磁栅数显装置的结构示意图三、磁栅数显装置国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：1．磁头放大器（SF023）2．磁尺检测专用集成芯片（SF6114）主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相900；通道A和通道B信号求和放大；补偿两只磁头特性所需的调整和来自数显表供给两只磁头的励磁信号。主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相位微调。国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：1．磁头放大器（SF024．可逆计数芯片（WK50395）。3．磁尺细分专用集成芯片（SIM－011）；主要功能：对磁尺的节距W＝200μm实现200或40或20等分的电气细分，从而获得1、5、10μm的分辨力（最小显示值）。该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道MOS六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位用BCD码置数，及有异步清零功能。4．可逆计数芯片（WK50395）。3．磁尺细分专用集成芯片1．磁栅测量系统压板磁头磁尺四、磁栅式传感器的应用数显1．磁栅测量系统压板磁头磁尺四、磁栅式传感器的应用数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺2．应用实例磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺2．应用实例8－4感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）8－4感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。用途：可用来测量直线或转角位移。分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、一、感应同步器的结构和类型圆盘式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图1．结构一、感应同步器的结构和类型圆盘式感应同步器示意图直线式感应定尺与滑尺绕组关系图定尺与滑尺绕组关系图感应同步器的解剖图感应同步器的解剖图2．类型直线式旋转式（圆盘式）带型标准型窄型2．类型直线式旋转式（圆盘式）带型标准型窄型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表种类定尺尺寸（mm）滑尺尺寸（mm）测量周期（mm）精度(μm)标准型250×58×9.5100×73×9.521.5～2.5窄型250×30×9.574×35×9.522.5～5带型(200～2000)×19－2