傳感器與檢測技術(shù)-第9章-數(shù)字式傳感器

第9章數(shù)字式傳感器

數(shù)字式傳感器是能夠?qū)⒎请娏哭D(zhuǎn)換成數(shù)字量的一類傳感器，它的特點(diǎn)是測量精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，便于與計(jì)算機(jī)通信，測量信號適宜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)取?這些傳感器既可以測線位移,也可以測角位移,還可用來測長度,它們在自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字是傳感器發(fā)展歷史不長，種類也不太多，下面就常用的光柵傳感器、光電式編碼器和感應(yīng)同步器加以介紹。第一頁，共40頁。第一頁，共40頁。

一．光柵的結(jié)構(gòu)

光柵是一種在鍍膜玻璃上刻有許多明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（即柵線）的光學(xué)元件。如下圖所示：9.1光柵傳感器圖中a為柵線的寬度，b為柵線間距，a+b=W稱為光柵的柵距（光柵常數(shù)）通常a=b=W/2。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。第二頁，共40頁。第二頁，共40頁。

二．光柵測量原理將兩塊柵距相等的光柵疊合在一起，并使兩者的柵線之間相交一個(gè)微小的夾角,如圖9-2所示。這樣就可以看到在與光柵線紋大致垂直的方向上,出現(xiàn)亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。其中兩條亮條紋（或兩條暗條紋）之間的距離稱為莫爾條紋寬度（或莫爾條紋間距），記作BH。則有：（9-1）第三頁，共40頁。第三頁，共40頁。莫爾條紋的特點(diǎn):

(1)位移的放大作用當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí),莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距BH,因莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為:BH≈W/θ由此可知，θ越小,BH越大。例如θ=10分,則1/θ≈344,即莫爾條紋寬度是柵距的344倍。這相當(dāng)于把柵距放大了1/θ倍,提高了測量的靈敏度。

（2）莫爾條紋的移動(dòng)方向如光柵1向右移動(dòng)，則莫爾條紋向下移動(dòng)。反之向上移動(dòng)。見下圖所示第四頁，共40頁。第四頁，共40頁。光柵1光柵2BHW第五頁，共40頁。第五頁，共40頁。

(3)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用,能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 三、光柵傳感器的組成

光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（標(biāo)尺光柵和指示光柵）、光電接收元件和光柵數(shù)顯表組成。如圖9–3(c)為透射光柵示意圖。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多,但兩者刻有同樣的柵距,使用時(shí)兩光柵互相重疊,兩者之間有微小的空隙,其中一片固定,另一片隨著被測物體移動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)位移測量。第六頁，共40頁。第六頁，共40頁。 由莫爾條紋的形成可知，兩條亮線之間光強(qiáng)是一個(gè)漸變的過程。若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化,則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后,輸出電壓可用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示,如下圖9-4所示。則式中：uo——為光電元件輸出的電壓信號;

Uo—為輸出信號中的平均直流分量;

Um—為輸出信號中正弦交流分量的幅值。（9-2）第七頁，共40頁。第七頁，共40頁。圖9-4光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系第八頁，共40頁。第八頁，共40頁。當(dāng)光柵位移一個(gè)柵距W,波形就變化一周,這時(shí)相應(yīng)條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH。因此只要記錄波形變化周數(shù)(即條紋移動(dòng)數(shù))n,就可知道光柵的位移x。

x=nW（9-3）將輸出的電壓信號經(jīng)過放大、整形變?yōu)榉讲?經(jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號,再經(jīng)過辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),則可以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。

四．辨向原理位移是向量,因而對位移量的測量,除了確定大小之外,還應(yīng)確定其方向。第九頁，共40頁。第九頁，共40頁。其方法是在相隔1/4條紋間距的位置上放置兩個(gè)光電元件,得到兩個(gè)相位差π/2的電信號u1和u2，經(jīng)過整形后得兩個(gè)方波信號u1ˊ和u2ˊ。如圖9–5所示，從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可看出,當(dāng)光柵沿A方向移動(dòng)時(shí),u1ˊ經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖，正好發(fā)生在u2ˊ的“1”電平時(shí),從而經(jīng)Y1輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖;而u1ˊ經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2ˊ的“0”電平相遇,與門Y2被阻塞,故Y2無脈沖輸出。同理可知，當(dāng)光柵沿A反方向移動(dòng)時(shí)，與門Y1無脈沖輸出，與門Y2輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確的給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖,再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器，就可實(shí)時(shí)顯示出相對于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。第十頁，共40頁。第十頁，共40頁。

五．細(xì)分技術(shù)在前面討論的光柵測量原理中可知,以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量,其分辨力為光柵柵距。為了提高分辨力和測量比柵距更小的位移量,可采用細(xì)分技術(shù)。 所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號變化一個(gè)周期內(nèi),發(fā)出若干個(gè)脈沖,以減小脈沖當(dāng)量,如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n脈沖,即可使測量精度提高n倍,而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍,因此也稱之為n倍頻。細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。下面介紹電子細(xì)分法中常用的四倍頻細(xì)分法,這種細(xì)分法也是許多其它細(xì)分法的基礎(chǔ)。第十一頁，共40頁。第十一頁，共40頁。 在上述辨向原理中可知,在相差BH/4位置上安裝兩個(gè)光電元件,得到兩個(gè)相位相差π/2的電信號。若將這兩個(gè)信號反相就可以得到四個(gè)依此相差π/2的信號,從而可以在移動(dòng)一個(gè)柵距的周期內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。也可以在相差BH/4位置上安放四個(gè)光電元件來實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。這種方法不可能得到高的細(xì)分?jǐn)?shù)，因?yàn)樵谝粋€(gè)莫爾條紋的間距內(nèi)不可能安裝更多的光電元件,但它有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),就是對莫爾條紋產(chǎn)生的信號波形沒有嚴(yán)格要求。第十二頁，共40頁。第十二頁，共40頁。

9.2數(shù)字編碼器一．概述

將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號,這類傳感器稱為編碼器。編碼器增量式編碼器(脈沖盤式編碼器)絕對式編碼器(碼盤式編碼器)電磁式編碼器接觸式編碼器光電式編碼器下面主要介紹光電式編碼器非接觸式編碼器第十三頁，共40頁。第十三頁，共40頁。

二．光電式編碼器

1、光電式編碼器的結(jié)構(gòu) 光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖9-6所示。 它的主要部件是碼盤，碼盤是由光學(xué)玻璃制成,其上刻有許多同心碼道,每條碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分,即亮區(qū)和暗區(qū)。其碼盤構(gòu)造如圖9-7所示。第十四頁，共40頁。第十四頁，共40頁。

2、光電式變碼器的工作原理

如圖11-53所示是一個(gè)6位二進(jìn)制碼盤。最內(nèi)圈碼盤一半透光,一半不透光,最外圈一共分成26=64個(gè)黑白間隔。當(dāng)光源將光投射在碼盤上時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤,通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后,由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng),對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號,前者為“1”,后者為“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時(shí),光敏元件輸出信號的組合是不同的,例如零位對應(yīng)于000000（全黑）;第23個(gè)方位對應(yīng)于010111。這樣在測量時(shí),只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置,就可以確定角位移,而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過程無關(guān)。第十五頁，共40頁。第十五頁，共40頁。 一個(gè)n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率,即能分辨的角度為α=360°/2n。若n=6,則α≈5.6°，如要達(dá)到1秒左右的分辨率,至少采用20位的碼盤。對于一個(gè)刻劃直徑為400mm的20位碼盤,其外圈分劃間隔不到1.2μm。可見碼盤的制作不是一件易事。 采用二進(jìn)制編碼器時(shí),任何微小的制作誤差,都可能造成讀數(shù)的粗誤差。主要是二進(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí),所有比它低的各位數(shù)碼需同時(shí)改變。如果由于刻劃誤差等原因,某一較高位提前或延后改變,就會造成粗誤差。第十六頁，共40頁。第十六頁，共40頁。 為了清除粗誤差,可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。圖9-8所示是一個(gè)6位的循環(huán)碼碼盤。對于n位循環(huán)碼碼盤,與二進(jìn)制碼一樣,具有2n種不同編碼,最小分辨率α=360°/2n。下表給出了四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對照表。從表中看出,循環(huán)碼是一種無權(quán)碼,從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí),僅有一位編碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差,只要誤差不太大,只可能有一個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差,產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差,不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。第十七頁，共40頁。第十七頁，共40頁。十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制碼循環(huán)碼十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制碼循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000表9-1四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對照表第十八頁，共40頁。第十八頁，共40頁。循環(huán)碼是一種無權(quán)碼,這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼然后再譯碼。按表9-1所列,可以找到循環(huán)碼和二進(jìn)制碼之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:Rn=CnRi=Ci⊕Ci+1（9-5）或Ci=Ri⊕Ci+1式中：R——表示循環(huán)碼；C——表示二進(jìn)制碼。第十九頁，共40頁。第十九頁，共40頁。根據(jù)上式用與非門構(gòu)成循環(huán)碼——二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換器,這種轉(zhuǎn)換器所用元件比較多。如采用存貯器芯片可直接把循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼。大多數(shù)編碼器都是單盤的,全部碼道則在一個(gè)圓盤上,但如要求有很高的分辨率時(shí),碼盤制作困難,圓盤直徑增大,而且精度也難以達(dá)到。這時(shí)可采用雙盤編碼器,它的特點(diǎn)是由兩個(gè)分辨率較低的碼盤組合而成為高分辨率的編碼器。第二十頁，共40頁。第二十頁，共40頁。

9.3感應(yīng)同步器

一．結(jié)構(gòu)原理

感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理,將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號的。 感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種,分別用于直線位移和角位移測量,兩者原理相同。直線式（長）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成,如下圖9-9所示。第二十一頁，共40頁。第二十一頁，共40頁。圖9-9長感應(yīng)同步器示意圖（a）定尺（b）滑尺w（a）（b）第二十二頁，共40頁。第二十二頁，共40頁。圖9-10圓感應(yīng)同步器示意圖（a）定子（b）轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)式(圓)感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成,如下圖9-10所示。第二十三頁，共40頁。第二十三頁，共40頁。 在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連續(xù)繞組,而在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組,在空間相差90°相角,即在空間位置上錯(cuò)開1/4定尺的節(jié)距；故又稱為正、余弦繞組。工作時(shí)如果在其中一種繞組上通以交流激勵(lì)電壓,由于電磁耦合,在另一種繞組上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,該電動(dòng)勢隨定尺與滑尺（或轉(zhuǎn)子與定子）的相對位置不同呈正弦、余弦函數(shù)變化,再通過對此信號的檢測處理,便可測量出直線或轉(zhuǎn)角的位移量。第二十四頁，共40頁。第二十四頁，共40頁。

2．信號處理方式從信號處理方式來說,可分為鑒相和鑒幅方式兩種。它們的特征是用輸出感應(yīng)電動(dòng)勢的相位或幅值來進(jìn)行處理。下面以長感應(yīng)同步器為例進(jìn)行敘述。

（1）鑒相方式

滑尺的正弦、余弦繞組在空間位置上錯(cuò)開1/4定尺的節(jié)距,激勵(lì)時(shí)加上等幅等頻,相位差為90°的交流電壓,即分別以sinωt和cosωt來激勵(lì),這樣,就可以根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量,故叫鑒相型。第二十五頁，共40頁。第二十五頁，共40頁。 當(dāng)正弦繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)勵(lì)磁電壓為us=Umsinωt，則勵(lì)磁電流(式中R為正弦繞組電阻）在定尺繞組上的感應(yīng)電勢為:即es=—kωUmcosωtsinθ(9-6)式中，k為耦合系數(shù)，M=ksinθ。當(dāng)余弦繞組單獨(dú)激勵(lì)時(shí)（勵(lì)磁電壓為uc=Umcosωt）,同理可知，在定尺繞組上的感應(yīng)電勢為:

ec=kωUmsinωtcosθ(9-7)第二十六頁，共40頁。第二十六頁，共40頁。 按疊加原理求得定尺上總感應(yīng)電動(dòng)勢為:

e=es+ec=—kωUmcosωtsinθ+kωUmsinωt

cosθ=kωUmsin(ωt—θ)(9-8) 式中的θ=2πx/W，稱為感應(yīng)電動(dòng)勢的相位角,它在一個(gè)節(jié)距W之內(nèi)與定尺和滑尺的相對位移有一一對應(yīng)的關(guān)系,位移x每經(jīng)過一個(gè)節(jié)距W，則θ就變化一個(gè)周期（2π）。第二十七頁，共40頁。第二十七頁，共40頁。

（2）鑒幅式 如在滑尺的正、余弦繞組加以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓,則可根據(jù)感應(yīng)電勢振幅來鑒別位移量,稱為鑒幅型。當(dāng)加到滑尺兩繞組的交流勵(lì)磁電壓為:us=Umsinфcosωt(9-9)uc=Umcosф

cosωt(9-10)式中,Um為激勵(lì)電壓幅值,ф為給定的電相角。第二十八頁，共40頁。第二十八頁，共40頁。它們分別在定尺繞組上感應(yīng)出電動(dòng)勢為:

es=kωUmsinфsinωtsinθ(9-11)

ec=kωUmcosфsinωtcosθ

(9-12)定尺的總感應(yīng)電勢為:

e=es+ec=kωUmsinфsinωtsinθ+kωUmcosфsinωtcosθ=kωUmsinωt(cosфcosθ+sinфsinθ)=kωUmsinωtcos(ф-θ)(9-13) 式中把感應(yīng)同步器兩尺的相對位移θ(=2πx/W)和感應(yīng)電勢的幅值kωUmcos(ф-θ)聯(lián)系了起來。第二十九頁，共40頁。第二十九頁，共40頁。3．感應(yīng)同步器位移測量系統(tǒng)圖9-11為感應(yīng)同步器鑒相測量方式數(shù)字位移測量裝置方框圖。脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖序列,經(jīng)過脈沖一相位變換器進(jìn)行N分頻后,輸出參考信號方波θ0和指令信號方波θ1。第三十頁，共40頁。第三十頁，共40頁。第三十一頁，共40頁。第三十一頁，共40頁。參考信號方波θ0經(jīng)過激磁供電線路,轉(zhuǎn)換成振幅和頻率相同而相位差為90°的正、余弦電壓,給感應(yīng)同步器滑尺的正、余弦繞組激磁。感應(yīng)同步器定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓,經(jīng)放大和整形后成為反饋信號方波θ2。指令信號θ1和反饋信號θ2同時(shí)送給鑒相器,鑒相器既判斷θ2和θ1相位差的大小,又判斷指令信號θ1的相位超前還是滯后于反饋信號θ2的相位。假定開始時(shí)θ1=θ