《数字式传感器》PPT课件.ppt

第11章 数字式传感器 11.1 编码器 11.2 计量光栅 11.3 数字式传感器的应用 n数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。 n优点：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与 微机接口，适宜远距离传输。 n两种类型： n以编码方式产生代码型的数字信号 n也称为编码器。它输出的信号是数字代码，每一个代码对应一个输 入量的值。 n输出计数型的离散脉冲信号 n称为脉冲数字传感器。它输出的脉冲数与输入量成正比。如计量光 栅。 n数字式传感器可用于测量位移（包括线位移和角位移）和计数。 11.1 编 码 器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的 电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、 高分辨 率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。 11.1.1 码盘式编码器 n(1)接触式编码器 四位二进制码与循环码对照表 码制转换 （2）光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以 及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其 上刻有许多同心码道， 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光 部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮 区的光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应 ， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律 编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。 图11.4 光电式编码器示意图 编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循 环码等。 对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光 ，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不 同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应 于010111。这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置， 就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制 码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n， 一个6位二 进制码盘， 其最小分辨的角度5.6。 采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能 造成读数的粗误差。 这主要是因为二进制码当某一较高的 数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。 为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码 是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发 生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且 只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最 低位的一个比特。 对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同 编码，最小分辨率=360/2n。 （3） 电磁式编码器 是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁 阻探头组成。多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓， 在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成形； 另一种是在 铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空 间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件 通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成 直角的磁场有关， 而与电流平行的磁场无关。 图11.6 磁编码器的基本结构 电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（ 导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄 形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触 。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励 ，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化 为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非 磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分 状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件 要求较低，但成本较高。 脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数 系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般 还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。 11.1.2 脉冲盘式编码器 辨向原理 11.2 计量 光栅 11.2.1 光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细 小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不 透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称 光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用 的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。 2. 光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起 ，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很 小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现 明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d线上，两 块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的 栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组 成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效 应形成的。 图11.10 光栅莫尔条纹的形式 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。 (1) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与 两光栅线纹夹角之间的关系为 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大 了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条 纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距 放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。 （2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向 向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反 之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下 移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动 进行辨向。 (3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成 ，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消 除短周期误差的影响。 11.2.2 计量光栅的组成 计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光 栅数显表两大部分。 光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响 应的电信号 光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 1. 光电转换 光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、 光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围 。指示光栅比主光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使 用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 主光栅一般 固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测 量范围，指示光栅相对于光电元件固定。 图11.11 光栅读数头结构示意图 莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间 的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从 最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一 个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条 纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于 正弦周期函数如以电压输出，即 输出电压反映了位移量的大小。 2. 辨向与细分 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移 是向量， 因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确 定其方向。 为了辨别位移的方向， 进一步提高测量的精度，以及 实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入 数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细 分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。 （1） 辨向原理 为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号 。 在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2 ，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消 除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波 信号u1和u2。 当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的 脉冲, 正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个 计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2 的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。 在光栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在 u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微 分脉冲则发生在u2 的“1”电平时， 与门Y2输出一个计 数脉冲 u2的电平状态作为与门的控制信号，来控 制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输 出。 这样就可以根据运动方向正确地给出加 计数脉冲或减计数脉冲， 再将其输入可逆计 数器，实时显示出相对于某个参考点的位移 量。 (2) 细分技术 前面以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨 率为光栅栅距。为了提