传感器技术-第十章-数字式传感器

第十章数字式传感器数字式传感器:把被测模拟量转换成数字量输出。优点：①测量精度和分辨力高，测量范围大；

②信号易于处理传输；

③抗干扰能力强，稳定性好；

④便于动态及多路测量，读数直观；

⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。10.1感应同步器（自学）10.2光栅10.3编码器10.4频率式传感器（自学）10.5集成数字式传感器（自学）光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。

计量光栅按光路可分为透射式光栅和反射式光栅两大类；光栅按形状及用途又可分为长光栅和圆光栅。10.2光栅10.2.1光栅的结构与测量原理光栅副:指示光栅＋主光栅a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）。通常情况下，a=b=W/2，主副光栅刻线完全相同。透射光栅:在透明基板上刻明暗相间的条纹。反射光栅:在金属表面刻平行沟槽。上一页下一页返回常用的光栅每毫米10、25.50、100条线莫尔条纹演示1.莫尔条纹B横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹宽度:

莫尔条纹的宽度B由光栅常数与光栅夹角决定

莫尔条纹原理莫尔条纹光学放大作用举例

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则:光栅分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）

莫尔条纹的宽度是:B≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于B较大,是栅距的32倍，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。莫尔条纹技术的特点方向性:垂直于角平分线，同步性:光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距→方向对应放大性:夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度可调性:夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性:大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度理想状态下莫尔条纹的光强的变化与光栅的位移成线性关系，但由于光线的发散、光栅的几何形状误差、刻线的图形误差及光电元件的参数影响，实际输出波形是一近似的正弦曲线。（书P230图10-14）光电元件有光电池和光敏三极管等部分。需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件,以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端,常接有放大器,通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。2.光电转换光敏元件输出电压u与光栅相对位移x之间的关系:当只在中心位置安装一个光电器件时:径向光栅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。上一页下一页返回 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号,只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向,因而就不能判别运动零件的运动方向,以致不能正确测量位移。 如果能够在物体正向移动时,将得到的脉冲数累加,而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数,这样就能得到正确的测量结果。上一页下一页返回10.2.2数字转换原理1.辨向原理在相距四分之一B的位置上设置两个光电元件1和2,以得到两个相位互差90°的正弦信号辨向光路设置B辨向电路正向移动时脉冲数累加,反向移动时,便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数,这样光栅传感器就可辨向。上一页下一页返回辨向电路各点波形图2.电子细分提高分辨力方法: 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。细分就是在莫尔条纹变化一周期（即运动零件移动一个栅距）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。上一页下一页返回（1）直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可安装4个依次相距四分之一栅距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将依次产生相位差为90度的4个计数脉冲，实现了四细分。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。上一页下一页返回上一页下一页返回未细分(a)与细分(b)的波形比较（2）电阻电桥细分法（矢量和法）用信号Usc去触发施密特电路。θ是和位移x成比例的;β为细分角,其值与R1和R2的选择有关。当θ=-α(或θ=360°-α)时,Usc等于零,施密特电路过零触发。则:电阻电桥细分法用于10细分上一页下一页返回为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路:放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同上页光栅在机床上的安装位置（2个自由度）光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表光栅在机床上

的安装位置

（3个自由度）（续）2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示3自由度光栅数显表光栅数显表（续）三座标数显表光栅数显表

设定按键安装有直线光栅的数控机床加工实况

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10.3.1基本结构与原理最简单的数字式传感器是编码器(ADE)，包括旋转式编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）按原理分类:电触式、电容式、感应式和光电式等旋转式编码器有绝对编码器和增量编码器两种上一页下一页返回10.3编码器绝对式编码器演示4个电刷4位二进制码盘

+5V输入公共码道

最小分辨角度为α=360°/2n

每个码道上的数字Ci只能是0或1C4C3C2C1二进制码盘主要特点:（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n；（2）二进制码为有权码，编码CnCn-1…C1对应于由零位算起的转角为:（3）码盘转动中，若第K位CK变化，则所有低于第K位的位Cj(j<K)全部同时改变。上一页下一页返回二进制码盘的粗大误差及消除要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。消除粗大误差方法: 双读数头法；格雷码(循环码)代替二进制码 上一页下一页返回直观,易于后续电路和计算机处理。多位码同时动作→同步误差→错码格雷码（循环码）有权码

对称性,无权码 二进制码相邻两数只有一位不同→每次只有一位变化→转换(1)n位格雷码码盘具有2n种不同编码；(2)格雷码码盘具有轴对称性,其最高位相反,其余各位相同；(3)格雷码为无权码；(4)格雷码码盘转到相邻区域时,编码中只有一位发生变化,不会产生粗大误差。上一页下一页返回角度位置十进制码二进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0123456789101112131415000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位编码器码制对照格雷码和二进制码的转换关系:根据以上关系,两种码制之间的转换可用硬件或软件实现。1.绝对编码器10.3.2旋转式光电编码器

1－光源2－柱面镜3－码盘4－狭缝5－元件大多采用格雷码盘单盘与多盘编码器:单盘编码器: 全部码道在一个圆盘上,结构简单,使用方便。但当位数要求增多的情况下,若要求具有很高的分辨力,则制造困难,圆盘直径也要大。多盘编码器:采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组,则可大大提高分辨率。上一页下一页返回正向旋转时输出波形反向旋转时输出波形2.增量编码器转轴码盘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另一种设计形式的增量编码器辨向信号和零标志光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A.B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。狭缝C,每转一圈能产生一个脉冲,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。光电增量编码器的应用测转速和线位移10.3.3测量电路目前都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感器检测元件封装在一起。故测量电路部分只需计数和细分电路。计数电路波形图如下:正转时反转时1.计数电路细分电路和光栅细分电路原理相同。角编码器外形角编码器外形（续）拉线式角编码器利用线轮,能将直线运动转换成旋转运动。角编码器外形

（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）绝对式编码器和增量式码盘增量式码盘10码道光电绝对式码盘绝对式编码器按照角度直接进行编码,可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志安装套编码器的安装方式

1.编码器的套式安装安装轴2.编码器的轴式安装编码器在定位加工中的应用