傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 項目九 基于數(shù)字式傳感器的位置檢測儀的設(shè)計與制作

項目九 基于數(shù)字式傳感器的位置檢測儀的設(shè)計與制作增量式編碼器的結(jié)構(gòu)組成：它由檢測頭、脈沖編碼器以及發(fā)光二極管的驅(qū)動電路和光敏三極管的光電檢測電路組成。在一個圓盤的邊緣上開有相等角度的細縫（分透明和不透明兩種），在開縫圓盤兩邊安裝光源及光敏元件。增量式編碼器工作原理：在圓盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，經(jīng)過光敏元件就產(chǎn)生一次電信號的變化，再經(jīng)過整形放大，可以得到一定幅度和功率的電脈沖輸出信號（脈沖數(shù)=轉(zhuǎn)過的細縫數(shù)）。將脈沖信號送到計數(shù)器中去進行計數(shù)，則計數(shù)碼就能反映圓盤轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角。增量式編碼器下圖給出了變相環(huán)節(jié)的邏輯電路框圖。采用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置，這兩套光電轉(zhuǎn)換裝置在空間的相對位置有一定的關(guān)系，保證它們產(chǎn)生的信號在相同位置上相差1/4周期，將得到的兩路信號（相位相差900）經(jīng)放大整形后，脈沖編碼器輸出兩路方波信號。增量式編碼器正轉(zhuǎn)時，光敏元件2比光敏元件1先感光，此時與門DA1有輸出，將加減控制器觸發(fā)器使可逆計數(shù)器的加減母線為高電位。同時，DA1的輸出脈沖又經(jīng)或門送到可逆計數(shù)器的輸入端，計數(shù)器進行加法計數(shù)。反轉(zhuǎn)時，光敏元件1比光敏元件2先感光，計數(shù)器進行減法計數(shù)。這樣就可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向，自動進行加法減法計數(shù)，它每次反映的都是相對于上次角度的增量。增量式編碼器增量式編碼器增量式編碼器如圖所示，通道A和通道B的信號的周期相同，且相位相差1/4個周期，結(jié)合兩相的信號值：當(dāng)B相和A相先是都讀到高電平（1

1），再B讀到高電平，A讀到低電平（1

0），則為順時針轉(zhuǎn)當(dāng)B相和A相先是都讀到低電平（0

0），再B讀到高電平，A讀到低電平（1

0），則為逆時針轉(zhuǎn)除通道A、通道B

以外，還會設(shè)置一個額外的通道Z

信號，表示編碼器特定的參考位置，如圖所示，傳感器轉(zhuǎn)一圈后Z

軸信號才會輸出一個脈沖，在Z軸輸出時，可以通過將AB通道的計數(shù)清零，實現(xiàn)對碼盤絕對位置的計算。增量式編碼器增量式編碼器的工作特點：1、只有當(dāng)設(shè)備運動時才會輸出信號。2、一般會輸出通道A和通道B

兩組信號，并且有90°

的相位差（1/4個周期），同時采集這兩組信號就可以計算設(shè)備的運動速度和方向。增量式編碼器世界上第一臺光纖編碼器是如何誕生的？2003年，瑞士。Doppelmayr/Garaventa公司需要一個“光纖”編碼器，可對雷電免疫，并能在長距離內(nèi)運行。這個需求促使研發(fā)公司經(jīng)過不斷的研究實驗，最終Micronor與控制器供應(yīng)商Frey

AG合作開發(fā)了第一個光纖增量編碼器(現(xiàn)為HK-MR346)由此可見，創(chuàng)造往往來源于解決問題的實踐中。項目九 基于數(shù)字式傳感器的位置檢測儀的設(shè)計與制作碼盤式編碼器，也叫絕對式編碼器。在總體結(jié)構(gòu)上與增量式比較類似，都是由碼盤、檢測裝置和放大整形電路構(gòu)成，但是具體的碼盤結(jié)構(gòu)和輸出信號含義不同。盤式角度—數(shù)字編碼器是按角度直接進行編碼的傳感器。這種傳感器是把碼盤裝在檢測軸上，按結(jié)構(gòu)可把它分為：接觸式、充電式、電磁式等幾種。編碼方式一般采用自然二進制、格雷碼或者BCD

碼等。碼盤式編碼器碼盤式編碼器碼盤結(jié)構(gòu)如圖所示：碼盤式編碼器是直接輸出數(shù)字的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼盤，每條道上有透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件，當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。碼盤式編碼器碼盤式編碼器1.碼盤利用若干透光和不透光的線槽組成一套二進制編碼，這些二進制碼與編碼器轉(zhuǎn)軸的每一個不同角度是唯一對應(yīng)的。2.絕對式編碼器的碼盤上有很多圈線槽，被稱為碼道，每一條（圈）碼道內(nèi)部線槽數(shù)量和長度都不同。它們共同組成一套二進制編碼，一條（圈）碼道對應(yīng)二進制數(shù)的其中一個位（通常是碼盤最外側(cè)的碼道表示最低位，最內(nèi)側(cè)的碼道表示最高位）。3.碼道的數(shù)量決定了二進制編碼的位數(shù)，一個絕對式編碼器有N

條碼道，則它輸出二進制數(shù)的總個數(shù)是2的N次方個。4.讀取這些二進制碼就能知道設(shè)備的絕對位置，所以稱之為絕對式編碼器。碼盤式編碼器工作原理：圖中L.S.B表示低數(shù)碼道，1.S.B表示1數(shù)碼道，2.S.B表示2數(shù)碼，以此類推。黑色部分表示高電平1，使用時將這部分挖掉，讓光源投射出去，以便通過接收元件轉(zhuǎn)換為電脈沖；白色部分表示低電平0，使用時這部分遮斷光源，以便接收元件轉(zhuǎn)換為低電平脈沖。在AO直線上，每個數(shù)碼道設(shè)置一個光源，如發(fā)光二極管。編碼盤的轉(zhuǎn)軸O可直接利用待測物的轉(zhuǎn)軸。待測的角位移可由各個碼道上的二進制數(shù)表示，如OB直線上的三個數(shù)碼道所代表的二進制數(shù)碼為010.但在直線OA位置上時，二進制數(shù)碼可能產(chǎn)生較大誤差。在低數(shù)碼道L.S.B時，這種誤差僅為1和0之間的誤差，如在數(shù)碼道2.S.B時，有可能出現(xiàn)000，111和110等誤差。這種現(xiàn)象稱錯碼，碼盤設(shè)計時可通過編碼技術(shù)和掃描方法解決。碼盤式編碼器碼盤式編碼器碼盤式編碼器編碼盤的結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)較簡單，但對碼盤的制作和電刷（或光電元件）的安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會出鍺。例如：當(dāng)電刷由

h（0111）i（1000）過度時，如電刷位置安裝不準(zhǔn)，可能出現(xiàn)8—15之間的任一十進制數(shù)，這種誤差屬于非單值性誤差。清除非單值誤差的方法：方法1：采用雙電刷、工藝電路上都比較復(fù)雜，故很少采用。方法2：采用循環(huán)碼代替二進制碼。由于循環(huán)碼的相鄰的兩個數(shù)碼間只有一位時變化的，因此即使制作和安裝不準(zhǔn)，產(chǎn)生的誤差最多也只是一位數(shù)。碼盤式編碼器碼盤式編碼器增量型與絕對值型編碼器的主要區(qū)別：①增量型編碼器是在機械軸旋轉(zhuǎn)時，每旋轉(zhuǎn)經(jīng)過一個固定的角度間隔，交替輸出一組脈沖編碼。②絕對值型編碼器則始終是基于機械軸當(dāng)前所在的角度，持續(xù)輸出其旋轉(zhuǎn)位置編碼。碼盤式編碼器絕對編碼器應(yīng)用場合：紡織機械、灌溉機械、造紙印刷、水利閘門、機器人及機械手臂、港口起重機械、鋼鐵冶金設(shè)備、重型機械設(shè)備、精密測量設(shè)備、機床、食品機械等都有絕對編碼器的應(yīng)用。若沒有特殊要求，在測量物料進給距離時，就沒有必要采用絕對值反饋，為了提升測量精度，可以使用單圈絕對值編碼器。如果要實現(xiàn)對物體的位置測量，就可以考慮使用多圈絕對值型編碼器，來確保位置和精度達到使用要求。碼盤式編碼器絕對型旋轉(zhuǎn)光電編碼器，因其每一個位置絕對唯一、抗干擾、無需掉電記憶，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。增量式編碼器機床旋轉(zhuǎn)編碼器機床旋轉(zhuǎn)編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，用來測量轉(zhuǎn)速并配合PWM技術(shù)可以實現(xiàn)快速調(diào)速，是工業(yè)中常用的電機定位設(shè)備，可以精確的測試電機的角位移和旋轉(zhuǎn)位置。我國的編碼器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：目前來看的話國內(nèi)對核心技術(shù)的掌控還是和國外有一定的差距。簡單來說，國內(nèi)現(xiàn)如今還不能做出精度較高的絕對值編碼器，最直接的原因就是在碼盤上刻線的技術(shù)還不夠成熟，導(dǎo)致編碼器的分辨率不夠高，達不到現(xiàn)如今一般廠家的要求。如今德國“工業(yè)4.0”發(fā)布后，國內(nèi)也開始實施“中國制造2025”計劃，其主要目的是借鑒國外技術(shù)發(fā)展自我品牌。但國外廠商對技術(shù)的保密以及國產(chǎn)市場現(xiàn)狀的不友好使得創(chuàng)造自主品牌這條路十分難走，然而許多企業(yè)還是毅然決然地踏上了路程。雖然也是為了跟上當(dāng)下自主品牌發(fā)展的趨勢，但我們明白只有依靠自己，才能走得更遠。增量式編碼器我國的編碼器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：增量式編碼器國產(chǎn)編碼器進口編碼器項目九 基于數(shù)字式傳感器的位置檢測儀的設(shè)計與制作我們需要先了解激光干涉現(xiàn)象是什么？激光與普通光不一樣，是單色光，是某物質(zhì)的電子能量躍遷產(chǎn)生的，所以它的振動頻率很單一，波動方向也恒定，是干涉光波。用干涉實驗來說明。下面圖中的一束激光，經(jīng)過兩個小孔得到兩個同樣性質(zhì)的光，于是它們在傳播過程中疊加了，有的地方振動始終加強，某些地方的震動始終減弱，而且振動強度有著穩(wěn)定的空間分布。在固定位置接收到的光強按一定規(guī)律作強弱交替變化，形成激光的干涉條紋。角度傳感器角度傳感器激光角度測量傳感器，采用邁克爾遜干涉原理，用兩路光程差的變化來表示角度的變化，經(jīng)角錐棱鏡反射的一路光的光程隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，因此干涉條紋也發(fā)生相應(yīng)的移動，測得條紋的移動量，就可測得轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角。在此原理基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的角度測量系統(tǒng)致力于光路結(jié)構(gòu)的改進和消除各種誤差因素的影響。經(jīng)過改進后可以測量大約90度的角度，但各種誤差因素隨著所測角度的增大而急劇增加，因此該系統(tǒng)的測量范圍限制在幾度內(nèi)，在此范圍內(nèi)具有極高的測量準(zhǔn)確度。角度傳感器采這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，美國、日本、德國、俄羅斯等國家早已將激光干涉小角度測量技術(shù)作為小角度測量的國家基準(zhǔn)。為了消除轉(zhuǎn)盤徑向移動對角度測量的影響，采用如圖所示的測量光路，用兩個角錐棱鏡形成差動測量，大大提高了系統(tǒng)的線性和靈敏度。為了增加干涉儀抗環(huán)境干擾的能力，可以采用雙頻激光外差干涉測量法，用雙頻激光代替普通光源。用這種方法測量平面角，靈敏度可達0.002''。角度傳感器角度傳感器激光角度測量的光路原理角度傳感器激光角度測量技術(shù)的應(yīng)用利用激光的干涉現(xiàn)象能夠用于檢測的原理，制作出多種激光測量儀。利用激光測量儀，可以方便地測量角度、直線度、垂直度、彎曲度等幾何量，可以指導(dǎo)高精度設(shè)備的安裝，檢測其工作精度，檢測其運動導(dǎo)軌的俯仰角、扭擺角、垂直度和直線度等。角度傳感器差之毫厘，失之千里！角度傳感器差之毫厘，失之千里！激光準(zhǔn)直儀在高層建筑建設(shè)過程中發(fā)揮著重要作用。但是在儀器使用時必須將垂準(zhǔn)儀進行檢校，架設(shè)儀器時須按操作規(guī)程認真操作，對于垂準(zhǔn)儀來說，自身帶有的固定誤差就是激光束的垂直度誤差。投測距離越大，點位偏差越大。所以我們在安裝使用設(shè)備時不但要規(guī)范精確安裝，還要想辦法去除設(shè)備誤差，否則在建筑過程中就會出現(xiàn)“差之毫厘，失之千里”的不合格高樓！項目九 基于數(shù)字式傳感器的位置檢測儀的設(shè)計與制作光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件。光柵傳感器是利用計量光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來進行測量的，它廣泛地用于長度和角度的精密測量，也可用來測量轉(zhuǎn)換成長度或角度的其他物理量。例如：位移、尺寸、轉(zhuǎn)速、力、重量、扭矩、振動、速度和加速度等。按光柵的形狀和用途分為長光柵和圓光柵，分別用于線位移和角位移的測量。按光線走向分為透射光柵和反射光柵。光柵傳感器光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理狹義來講：平行等寬而有等間隔的多狹縫即為衍射光柵。廣義上講：任何裝置只要它能起等寬而又等間隔的分割波陣面的作用，則均為衍射光柵。簡單說，光柵好似一塊尺子，尺面上刻有排列規(guī)則和形狀規(guī)則的刻線。光柵傳感器光柵傳感器光柵器件光柵測量系統(tǒng)一般由光源、主光柵、指示光柵、光學(xué)系統(tǒng)及光電探測器組成，如圖所示。主光柵為一長方形光學(xué)玻璃，上刻有明暗相間的線對，明線（即透光線）寬度a與暗線（即遮光線）寬度b之比通常為1:1，兩者之和稱為光柵的柵距。柵距通?？梢詾?/10～1/100mm。光柵傳感器光柵測量系統(tǒng)的基本原理是：光柵尺中的一塊光柵尺固定不動，另一塊光柵尺隨測量工作臺一起移動，測量工作臺每移動一個柵距，光電元件發(fā)出的一個信號，計數(shù)器記取一個數(shù)。這樣，根據(jù)光電元件發(fā)出的或計數(shù)器記取的信號數(shù)，便知可動光柵尺移動過的柵距數(shù)，即測得了工作臺移動過的位移量。光柵傳感器光柵傳感器光柵傳感器光柵傳感器的特點：1.可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。2.具有較強的抗干擾能力，對環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)性強，油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環(huán)境較好的車間使用。3.精度高。光柵式傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅鳌Ｔ趫A分度和角位移連續(xù)測量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的；4.大量程測量兼有高分辨力。感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點，但分辨力和精度都不如光柵式傳感器。光柵傳感器光柵傳感器的應(yīng)用：對于光柵傳感器來說，其最大的優(yōu)勢在于量程大、精度高。廣泛用于程控和數(shù)控機床，以及三坐標(biāo)測量機構(gòu)。靜態(tài)和動態(tài)圓角位移和線性位移的測量。此外，它也非常適合機械振動和變形測量等應(yīng)用。光柵傳感器在很多方面的性能比傳統(tǒng)機電傳感器更穩(wěn)定、更可靠、更準(zhǔn)確，可用于傳感和測量應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量，具有較高的靈敏度和測量范圍。

通過在光纖的幾個部分寫入不同光柵間距的光纖光柵，可以同時測量幾個部分相應(yīng)的物理量和變化，實現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感。光柵傳感器細分技術(shù)：細分技術(shù)就是為了提高光柵測量系統(tǒng)的檢測分辨率，在光柵測量系統(tǒng)的后續(xù)電路加入倍頻電路，將莫爾條紋進一步細分的一種技術(shù)對莫爾條紋細分的方法很多。主要有直接細分（位置細分）、電阻鏈細分、鎖相細分幾種方法。光柵傳感器光柵傳感器在地震預(yù)測中發(fā)揮大作用！光柵傳感器光柵傳感器在地震預(yù)測中發(fā)揮大作用！地震經(jīng)常給人類造成巨大的財產(chǎn)損失，有的家庭甚至因此而變得支離破碎。所以科研工作者也一直在不松懈的努力，爭取早一天讓人類可以逃離地震這個夢魘的詛咒?，F(xiàn)代地震儀通過探測地震波,

得到地震記錄來研究震源、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震波本身，并實現(xiàn)臨震預(yù)報。但是,

傳統(tǒng)的地震波探測系統(tǒng)普遍存在著靈敏度低、動態(tài)范圍小、漏電、供電困難等問題，限制了地震預(yù)報技術(shù)的發(fā)展。光纖激光型地震檢波器既具有光纖光柵檢波器波長編碼、抗干擾能力強、探頭尺寸小、易于組網(wǎng)的優(yōu)點，又具有干涉型檢波器靈敏度極高的優(yōu)點。不過目前地震預(yù)測還只能提前十幾秒或者數(shù)十秒，這樣我們還是要學(xué)會如何在突發(fā)地震中保護好自己。項目九 基于數(shù)字式傳感器的位置檢測儀的設(shè)計與制作感應(yīng)同步器是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)，利用平面線圈結(jié)構(gòu)來檢測轉(zhuǎn)角位移與直線位移的數(shù)字式傳感器。感應(yīng)同步器分為直線式感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器兩種類型，前者用于直線位移的測量，后者用于角位移的測量。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)：1.直線式感應(yīng)同步器如圖所示，直線式感應(yīng)同步器主要由定尺和滑尺組成。而定尺和滑尺是由基板1、絕緣層2、繞組3構(gòu)成。屏蔽層4覆蓋在滑尺繞組上?；宀捎描T鐵或其它鋼材制成。這些鋼材的線膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同步器的床身的線膨脹系數(shù)相近，以減小溫度誤差。感應(yīng)同步器考慮到安裝的方便，可將定尺繞組制成連續(xù)式，見下圖a。而將滑尺繞組制成分段式的，見圖b。分段繞組有2K組導(dǎo)體組成。每組又由M根有效導(dǎo)體及相應(yīng)端部串聯(lián)而成。米尺遠比滑尺長，其中被全部滑尺繞組所覆蓋的定尺有效導(dǎo)體N成為直線式感應(yīng)同步器的極數(shù)。組裝好的直線式感應(yīng)同步器，其定尺應(yīng)與導(dǎo)軌母線相平行，且與滑尺保持有均勻的狹小氣隙。感應(yīng)同步器2.旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖所示。定、轉(zhuǎn)子都是由基板1、絕緣層2和繞組3組成。在轉(zhuǎn)子（或定子）繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層4?；宄虱h(huán)形，材料為硬鉛、不銹鋼或玻璃。繞組用銅制成。屏蔽層用錫箔或鉛膜制成。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子繞組制成連續(xù)式的，如圖（a）所示，稱連續(xù)繞組。它由有效導(dǎo)體1、內(nèi)端部2和外端部件3構(gòu)成。有效導(dǎo)體共有N根。N也就是旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的極數(shù)。定子繞組制成分段式，如圖（b）所示，成為分段繞組。繞組由2K組導(dǎo)體組成，它們分別屬于A相和B相。K稱為一相組數(shù)。每組由M根有效導(dǎo)體及相應(yīng)的端部串聯(lián)構(gòu)成。屬于同一組的各組，用連接線連成一相。感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器的優(yōu)點:①具有較高的精度與分辨力②抗干擾能力強③使用壽命長，維護簡單。④可以作長距離位移測量⑤工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。感應(yīng)同步器①具有較高的精度與分辨力。其測量精度首先取決于印制電路繞組的加工精度，溫度變化對其測量精度影響不大。感應(yīng)同步器是由許多節(jié)距同時參加工作，多節(jié)距的誤差平均效應(yīng)減小了局部誤差的影響。目前長感應(yīng)同步器的精度可達到±1.5μm，分辨力0.05μm，重復(fù)性0.2μm。直徑為300mm的圓感應(yīng)同步器的精度可達±1″，分辨力0.05″，重復(fù)性0.1″。②抗干擾能力強。感應(yīng)同步器在一個節(jié)距內(nèi)是一個絕對測量裝置，在任何時間內(nèi)都可以給出僅與位置相對應(yīng)的單值電壓信號，因而瞬時作用的偶然干擾信號在其消失后不再有影響