中南大學傳感與檢測pptch-數(shù)字式傳感器

1、 第第14章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器14. 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器14.1 概述概述1）數(shù)字式傳感器的定義）數(shù)字式傳感器的定義 數(shù)字式傳感器是把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。即數(shù)字式傳感器能夠直接將非電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，不需要A/D轉(zhuǎn)換，直接用數(shù)字表示。2）數(shù)字式傳感器的特點）數(shù)字式傳感器的特點相對模擬式傳感器的特點：具有高抗干擾能力和高信噪比數(shù)據(jù)可高速遠距離傳輸，而不會引入動態(tài)遲后。能同時做到高測量精度和大測量范圍。易于與計算機接口。數(shù)字式傳感器就可達到很高的控制精度和響應速度。與數(shù)字式執(zhí)行器配合使用，特別適用于重復性的工作中。數(shù)字式傳感器便于動態(tài)及多路測量，使用方便。工作可靠

2、性高，安裝方便，維護簡單。14.1 概述概述3）數(shù)字式傳感器的分類數(shù)字式傳感器的分類n 按照輸出信號的形式，常用的數(shù)字式傳感器可分為三類：脈沖輸出式數(shù)字傳感器（如光柵傳感器、感應同步器、增量編碼器等），編碼輸出式數(shù)字傳感器（如絕對編碼器等），頻率輸出式數(shù)字傳感器。n 此外，數(shù)字式傳感器也可分為直接數(shù)字式傳感器和準數(shù)字式傳感器兩大類。n 直接數(shù)字式傳感器是指它的輸出為二元形式（0-1）的信號準數(shù)字式傳感器是指以頻率形式輸出的諧振式傳感器。 14. 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器14.2 編碼器編碼器n 編碼器因為該精度、高分辨力和高可靠性而廣泛應用于多種檢測系統(tǒng)中。它能把角位移或線位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。相

3、應的編碼器是角度數(shù)字編碼器(碼盤)和直線位移編碼器(碼尺)。n 編碼器的種類很多，根據(jù)編碼器的結構形式、編碼方式、檢測方式以及光路方式不同而分成不同的類型，如圖所示。n 其中，用于角位移測量的旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是最直接和最有效的數(shù)字式傳感器。14. 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器14.2 編碼器編碼器1）光電式編碼器的結構與分類）光電式編碼器的結構與分類n 用光電方法將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖n 按結構形式分為直線式的線性編碼器和旋轉(zhuǎn)式的軸角編碼器，按編碼方式分為增量式和絕對式兩種。2）光電式編碼器的工作原理）光電式編碼器的工作原理(1) 增量式編碼器增量式編碼器n 如圖所示為增量式編碼

4、器的結構圖。光源通過碼盤上有三個碼道，由三個光電元件接收，其對應輸出Z(零位脈沖)、A(增量脈沖)及B(辨向脈沖)三位脈沖信號。14.2 編碼器編碼器2）光電式編碼器的工作原理）光電式編碼器的工作原理(2) 絕對式編碼器絕對式編碼器n 絕對式編碼器將被測角轉(zhuǎn)換成相應的代碼，指示其絕對位置，這種編碼器通過讀取編碼盤上的圖案來確定數(shù)值。n 絕對式編碼器光源發(fā)射的光線經(jīng)柱面透鏡變成一束平行光，照射在編碼盤上。編碼盤上有一環(huán)環(huán)間距不同并按一定編碼規(guī)律刻畫的透光和不透光扇形區(qū)，稱為碼道。n 圖a為光電式絕對式編碼器的碼盤，是四位二進制編碼。 n 普通二進制編碼盤由于相鄰兩扇區(qū)圖案變化時使用中易產(chǎn)生較大誤

5、差，因而在實際應用中大都采用圖b所示格雷(循環(huán))編碼。 14.2 編碼器編碼器2）光電式編碼器的工作原理）光電式編碼器的工作原理 根據(jù)碼盤的起始和終止位置確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動的中間過程無關。二進制碼盤的特點二進制碼盤的特點*：n位(n個碼道)的二進制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n，其最小分辨力:13600/2n，最外圈角節(jié)距為21；二進制碼為有權碼, 編碼Cn,Cn-1, ，C1對應于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：碼盤轉(zhuǎn)動中，CK變化時，所有Cj(jK)應同時變化。1112iniiC存在問題：相鄰兩扇區(qū)刻存在問題：相鄰兩扇區(qū)刻線偏差或讀數(shù)誤差影響大線偏差或讀數(shù)誤差影響大14.2 編碼器編碼器2）光電

6、式編碼器的工作原理）光電式編碼器的工作原理循環(huán)碼盤的特點循環(huán)碼盤的特點*：n位循環(huán)碼碼盤有2n種不同編碼；循環(huán)碼盤有軸對稱性，其最高位相反(對稱軸不同)，其余各位相同；循環(huán)碼為無權碼；循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，碼中只有一位變化，不會產(chǎn)生粗差。 循環(huán)碼是無權碼，直接譯碼困難，一般先轉(zhuǎn)換為二進制碼，再譯碼。14.2 編碼器編碼器2）光電式編碼器的工作原理）光電式編碼器的工作原理 二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換*iiiiiinnCCRRCCRC114位二進制碼與循環(huán)碼的對照表位二進制碼與循環(huán)碼的對照表式中 R循環(huán)碼； C二進制碼； i所在的位數(shù), i=0n-1； 不進位“加”，即異或。

7、14.2 編碼器編碼器3）光電式編碼器分辨率的提高方法）光電式編碼器分辨率的提高方法 (1) 倍頻法倍頻法n 在增量式編碼器中，采用電路細分技術，不改變編碼器內(nèi)部結構，對輸出脈沖進行倍頻電路處理來提高分辨率和抗干擾能力。n下圖為4倍頻電路。n 來自編碼器的方波信號A,B相差90，用RC電路在一個周期內(nèi)獲得4個邊沿，從而實現(xiàn)倍頻。順時針轉(zhuǎn)，輸出f+；反時針轉(zhuǎn)，輸出f-14.2 編碼器編碼器3）光電式編碼器分辨率的提高方法）光電式編碼器分辨率的提高方法 n 在增量式編碼器中，為提高分辨率采用電路細分和光學分解相結合的技術方法，又稱為插值法。下圖所示為在已具有14條（位）碼道的碼盤上增加1條專用附加

8、碼道。n14.2 編碼器編碼器4）光電編碼器的應用）光電編碼器的應用n 光電編碼器的結構常見有空心軸和實心軸兩種形式 ，空心軸編碼器體積較大，一般用于電極和裝置；實心軸編碼器體積較小，通常用于小巧和高精度裝置中。n 增量式編碼器輸出脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)常見2005000,3600108000和202500等幾類。n 下圖是光電碼器測角裝置原理圖，光源1通過大孔徑非球面聚光鏡2形成狹長的光束照到碼盤3上。由碼盤轉(zhuǎn)角位置決定位于狹縫4后的光電器件5所輸出的信號。輸出信號經(jīng)放大，鑒幅、整形以及加糾錯和寄存電路，再經(jīng)當量變換，最后譯碼顯示。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器 光柵式傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的

9、一種計量光柵，主要用于位移測量及與位移相關的物理量（如：速度、加速度、振動、質(zhì)量、表面輪廓等方面）測量。1）光柵的基本結構）光柵的基本結構（1）光柵）光柵n 光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線有透明的和不透明，或者是對光反射的和不反射的。圖所示為黑白型長光柵，光柵上的刻線稱為柵線。 14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器1）光柵的基本結構）光柵的基本結構(2) 光柵的分類光柵的分類n 光柵種類很多，按工作原理分為物理光柵和計量光柵兩種。n 計量光柵其分類如圖所示。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器(2) 光柵的分類光柵的分類長光柵長光柵n 刻線在玻璃尺上的光柵稱為

10、長光柵（也稱為光柵尺），用于測量長度或直線位移，其結構如圖所示。n 根據(jù)柵線型式的不同，長光柵分為黑白光柵和閃耀光柵。黑白光柵指只對入射光波的振幅或光強調(diào)制的光柵(又稱振幅光柵)其柵線密度為20125線/mm。閃耀光柵是對入射光波的相位調(diào)制(又稱相位光柵)，閃耀光柵的線槽斷面分對稱形和不對稱形，長度測量主要采用對稱形，柵線密度:1502400線/mm。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器(2) 光柵的分類光柵的分類長光柵長光柵 根據(jù)光線的走向，長光柵分為透射光柵和反射光柵。 透射光柵是在透明的玻璃上均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵；透射光柵的主光柵一般用普通工業(yè)用的白玻璃，而指示光柵用

11、光學玻璃。 反射光柵是在具有強反射能力的基體（不銹鋼或玻璃鍍金屬膜）上均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器（2）光柵的分類）光柵的分類圓光柵圓光柵n 下圖是圓光柵的結構圖，它是刻劃在玻璃盤上的光柵（又稱光柵盤），用來測量角度或角位移。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器2）光柵式傳感器的結構）光柵式傳感器的結構n光柵式傳感器主要是由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件等組成（如圖所示）。n光源主要是供給光柵傳感器工作所需的光能，它有單色光和普通白光兩種。n透鏡主要是將光源發(fā)出的點光轉(zhuǎn)換成平行光，通常采用單個凸透鏡。n光柵副主要是由主光柵和

12、指示光柵組成，是光柵傳感器的核心部分。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器2）光柵式傳感器的結構）光柵式傳感器的結構 主光柵是測量的基準（又稱為標尺光柵），其長度由測量范圍確定；而指示光柵一般比主光柵短得多，為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量即可，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋（如圖所示）。 光電接收元件是將光柵副形成的莫爾條紋的明暗強度變化轉(zhuǎn)化為電量輸出，主要包括有光電池和光敏三極管。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器3）光柵傳感器工作原理）光柵傳感器工作原理(1) 莫爾條紋形成的原理莫爾條紋形成的原理n 光柵式傳感器是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來進行測量的。莫爾條紋莫爾條紋：指把光柵常數(shù)

13、相等的主光柵和指示光柵相對疊合(片間留很小的間隔)，并使兩者柵線(光柵刻線)之間保持很小夾角 ，于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間條紋。 n 橫向莫爾條紋的斜率為： tan=tan/2n 橫向莫爾條紋（寬帶與暗帶）的間距為:WWBCABBH2sin22sin14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器3）光柵傳感器工作原理）光柵傳感器工作原理（1）莫爾條紋形成的原理）莫爾條紋形成的原理n 可見，莫爾條紋的寬度由光柵常數(shù)與光柵的夾角決定。對于給定光柵常數(shù)的兩光柵，夾角愈小，條紋寬度愈大，條紋愈稀，通過調(diào)整夾角，可使條紋寬度具有任何所需要的值。（2）莫爾條紋的特性）莫爾條紋的特性n運動對應關系運動對應關

14、系n 莫爾條紋的移動量和移動方向與主光柵相對于指示光柵的位移量和位移方向有嚴格的對應關系。 n位移放大作用位移放大作用n 莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為：n減小誤差作用減小誤差作用n 莫爾條紋是由光柵的大量柵線(常為數(shù)百條)共同形成的，對柵的刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除柵距的局部誤差和短周期誤差的影響。1WBKH14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器4）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）n 在光柵傳感器中，用來照明和接收莫爾條紋信號的光學系統(tǒng)有多種型式。n直接接收式光學系統(tǒng)n左圖所示為一般的透射光路，右圖所示為一般的反射光路。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器4）光柵

15、常用的光學系統(tǒng)（光路）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）影像式光學系統(tǒng)影像式光學系統(tǒng)n 右上圖所示為最簡單的影 像式光學系統(tǒng)n 右下圖所示為沒有指示光 柵的影像式光學系統(tǒng) 14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器4）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）分光式光學系統(tǒng)分光式光學系統(tǒng)n 分光式光學系統(tǒng)只適用于細柵距的 相位光柵。n 右圖所示為一典型的透射分光式光 學系統(tǒng)。n 左下圖所示是四分透鏡分光式光路。n 右下圖為反射分光式光學系統(tǒng)。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器4）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）光柵常用的光學系統(tǒng)（光路）粗細柵距組合的光學系統(tǒng)n左下圖所示是粗細柵距組合的光學系統(tǒng)。相位調(diào)制型

16、光學系統(tǒng)n右下圖所示是利用光學機械原理的相位調(diào)制型光學系統(tǒng)。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器5）光柵辨向原理）光柵辨向原理n 實用中，大部分被測物體的移動非單向，即有正、反向運動。n 單個光電元件缺乏辨向能力，從正向移n個柵距得n個信號脈沖，反向移m個柵距得m個信號脈沖，總計n+m個脈沖。這和單向移n+m個柵距的脈沖數(shù)相同，因而結果不正確。如能根據(jù)正、反向移動，對脈沖進行加、減計數(shù)，可得正確結果。n 完成上述任務的電路是辨向電路。為了辨向，在相距四分之一條紋間距的位置上設光電元件1和2，得兩個相位互差90的莫爾條紋正弦信號，然后送辨向電路處理。14.3 光柵式傳感器光柵式傳感器6）細分技術）細分技術n 所謂細分就是