第10章 数字式传感器.ppt

第十章数字式传感器 数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置 可直接与计算机系统相连 数字式传感器具有以下优点 测量精度和分辨率高 抗干扰能力强 稳定性好 易于和计算机连接 便于信号处理和实现自动化测量 适宜于远距离传输 数字式传感器 分类 脉冲输出式 光栅式数字传感器 感应同步器 增量编码器 编码输出式 绝对编码器 频率输出式 频率式传感器本节介绍精密位移测量中广泛应用的编码器 光栅数字传感器 磁栅传感器 感应同步器 容栅传感器及频率式传感器的工作原理和测量电路 数字式传感器 10 1光栅式传感器 GratingTransducer 光栅传感器广泛用于测量位移 角度 长度 速度 加速度 振动等物理量 在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线 一般为10 12mm 的密集刻划 得到宽度一致 分布均匀 明暗相间的条纹 这就是光栅 用于位移测量的光栅称为计量光栅 光栅上的刻线称为栅线 不透光 栅线宽度为a 缝隙 透光 宽度为b 一般取a b W W a b 称为光栅的栅距 也称光栅的节距或光栅常数 光栅的结构 光栅种类很多 按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种 前者用于光谱仪器 作色散元件 后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等 计量光栅又分为长光栅和圆光栅 光栅的分类 根据栅线形式不同 分为黑白光栅和闪耀光栅 黑白光栅是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅 亦称幅值光栅 闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制 亦称相位光栅 根据光线的走向 长光栅又分为透射光栅和反射光栅 透射光栅是将栅线刻制在透明材料上 如光学玻璃和制版玻璃 反射光栅则将栅线刻制在具有强反射能力的金属上 如不锈钢或玻璃镀金属膜 前者使光线通过光栅后产生明暗条纹 后者反射光线并使之产生明暗条纹 光栅的分类 长光栅的结构 长光栅主要用于测量长度 条纹密度有每毫米25 50 100 250条等 径向光栅 切向光栅 圆光栅也称光栅盘 其刻线刻制在玻璃盘上 用来测量角度或角位移 根据栅线刻划的方向分为径向光栅和切向光栅 圆光栅的结构 光栅传感器由光源 透镜 主光栅 标尺光栅 指示光栅和光电元件构成 光源和透镜组成照明系统 光线经过透镜后成平行光投向光栅 主光栅与指示光栅在平行光照射下 形成莫尔条纹 光电元件主要有光电池和光敏晶体管 它把莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出 光栅传感器的组成 主光栅的有效长度即为测量范围 必要时 主光栅可以接长 主光栅与指示光栅之间的距离d可以根据光栅的栅距进行选择 一般取d W2 W为栅距 为有效光波长 测量系统的精度主要由主光栅的精度决定 光栅传感器的组成 莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角 时 由于挡光效应 当线纹密度 50条 mm时 或光的衍射作用 当线纹密度 100条 mm时 则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹 相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距 莫尔条纹 当光栅之间的夹角 很小 且两光栅的栅距都为W时 莫尔条纹间距B a a间距 为 K为放大倍数 由于 值很小 条纹近似与栅线方向垂直 因此称为横向莫尔条纹 莫尔条纹 2 位移放大 由于 值很小 光栅具有位移放大作用 放大系数为 3 减小误差 莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的 对光栅的刻线误差有平均作用 个别栅线的栅距误差或断线等疵病对莫尔条纹的影响很小 从而提高了光栅传感器的可靠性和测量精度 1 运动对应关系 任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移动一个栅距W 莫尔条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距 光栅反方向移动时 莫尔条纹也作反方向移动 因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅 或指示光栅 的位移量和位移方向 莫尔条纹特征 通过前面的分析知道 主光栅每移动一个栅距W 莫尔条纹就变化一个周期2 通过光电转换元件 可将莫尔条纹的变化变成电信号 电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度 它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加 式中W 栅距 x 主光栅与指示光栅间瞬时位移 U0 直流电压分量 Um 交流电压分量幅值 U 输出电压 光栅信号输出 将该电压信号放大 整形使其变为方波 经微分电路转换成脉冲信号 再经过辨向电路和可逆计数器计数 则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小 位移量为脉冲数与栅距的乘积 光栅信号输出 由于光栅传感器只能产生一个正弦信号 因此不能判断x移动的方向 为了能够辨别方向 需要在间距为B 4的位置设置两个光电元件 以得到两个相位差为90 的正弦信号 然后将信号送到辨向电路中去处理 辨向电路 a b 当主光栅向左移动 莫尔条纹向上运动时 光电元件1和2分别输出如前图 a 所示的电压信号u1 u2 经过放大整形后得到相位相差90 的两个方波信号u 1 u 2 u 1经反相后得到方波u 1 u 1和u 1经RC微分电路后得到两组光脉冲信号u 1w和u 1w 分别加到与门Y1和Y2的输入端 对与门Y1 由于u 1w处于高电平时u 2总是低电平 故脉冲被阻塞Y1无输出 对与门Y2 u 1w处于高电平时u 2也正处于高电平 故允许脉冲通过 并触发加减控制触发器使之置 1 可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数 同理 当主光栅反向移动时 输出信号波形如图 b 所示 与门Y2阻塞 Y1输出脉冲信号使触发器置 0 可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进行减法计数 这样每当光栅移动一个栅距时 辨向电路只输出一个脉冲 计数器所计的脉冲数即代表光栅位移 辨向电路 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量 其分辨率为光栅栅距 为了提高分辨率和测得比栅距更小的位移量 可以增加刻线密度 但这种方法制造 安装及调试困难 采用细分技术 它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内 给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法 在一个莫尔条纹的间隔内 放置若干个光电元件 使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲 从而得到比栅距更小的分度值 使分辨率提高到W n 细分电路 四倍频细分法在辨向原理中已知 在相差B 4位置上安装两个光电元件 得到两个相位相差 2的电信号 若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差 2的信号 从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲 实现四倍频细分 细分方法有多种 如直接细分 电桥细分 锁相细分 调制信号细分 软件细分等 直接细分又称为位置细分 常用的是四倍频细分 细分电路 四倍频细分电路及波形 脉冲细分 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力 细分前 光栅的分辨力只有一个栅距的大小 采用4细分技术后 计数脉冲的频率提高了4倍 相当于原光栅的分辨力提高了3倍 测量步距是原来的1 4 较大地提高了测量精度 细分前 细分后 光栅细分举例 有一直线光栅 每毫米刻线数为50 细分数为4细分 则 分辨力 W 4 1mm 50 4 0 005mm 5 m采用细分技术 在不增加光栅刻线数 成本 的情况下 将分辨力提高了3倍 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 光栅传感器产品 线位移光栅传感器 圆光栅编码器 数控机床位置控制框图 由控制系统生成的指令Pc控制工作台移动 光栅传感器不断检测工作台的实际位置Pf并进行反馈 形成位置偏差Pe 调整工作台的位置 当Pe 0时 表示工作台已到达指令位置 光栅数字传感器的应用 10 2码盘式传感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 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类 编码器 角度编码器是测量角位移的最直接 最有效的数字式传感器 它把角位移直接转换成脉冲或二进制编码 分为增量编码器 脉冲盘式 和绝对编码器 码盘式 按结构分为光电式 接触式和电磁式三种 光电式具有非接触 体积小 分辨率高 可靠性好 使用方便等特点 在数控机床 机器人位置控制等领域有广泛应用 光电式编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码 0或1 不透光或透光区域 码盘式传感器 标准二进制编码器 8421码盘 红色不透光 0 四位光电码盘上 有四圈数字码道 在圆周范围内编码数为24 16个 每个数位都对应有一个光电器件及放大 整形电路 码盘转到不同位置 光电元件接受光信号 并转成相应的电信号 经放大整形后 成为相应数字信号 角度分辨率为 由于光电器件安装误差的影响 当码盘回转在两码段边缘交替位置时 就会产生读数误差 例如 当码盘由位置 0111 变为 1000 时 四位数要同时变化 可能将数码误读成1111 1011 1101 0001等 产生无法估计的数值误差 这种误差称为非单值性误差 实际绝对编码器常采用二进制循环码盘 格雷码盘 码盘式传感器 格雷码盘 任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化 即由 0 变为 1 或 1 变为 0 因此 读数误差最多不超过 1 只可能读成相邻两个数中的一个数 有效消除非单值性误差 码盘式传感器 码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开 只有信号位处的光电元件有信号才能读数 这样就不会产生非单值性误差 信号位 码盘式传感器 10 2 2光电式编码器接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高 而光电式编码器由于使用了体积小 易于集成的光电元件代替机械的接触电刷 其测量精度和分辨率能达到很高水平 1 光电式编码器的结构和工作原理光电式码盘的最大特点是非接触式 它主要编码圆盘 码盘 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成 基本结构如图12 2所示 码盘构造如图12 2所示 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 1 光源 2 透镜 3 码盘 4 光电元件组图12 2光电式编码器示意图 图12 3六位二进制码盘构造 2 用插值法提高分辨率光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分辨率 提高光电式编码器测量精度和分辨率的方法有常规的增加码盘刻线数和利用法即插值法两种 例如 若码盘已具有14条 位 码道 在14位的码道上增加1条专用附加码道 见下图所示 附加码道的的扇形区的形状和光学的几何结构与前14位有所差异 且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合 产生较为理想的正弦彼输出 附加码道输出的正弦或余弦信号 在插值器中按不同的系数叠加在一起 形成多个相移不同的正弦信号输出 各正弦波信弓再经过零比较器转换为一系列脉冲 从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号 于是产生了附加的低位的几位有效数值 下图所示的19位光电编码器的插值器产生16个正弦波信号 每两个正弦信号之间的相位差为 8 从而在14位编码器的最低 有效数值间隔内插入了32个精确等分点 即相当于附加5位二进制数的输出 使编码器的分辨率从2 14提高到2 19 角位移小于3秒 10 2 3 电磁式编码器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 另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成 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 电磁式编码器有精度高 寿命长 工作可靠等特点 对环境条件要求较低 但成本较高 10 2 4 脉冲盘式数字传感器脉冲盘式编码器又称为增量编码器 增量编码器一般只有三个码道 它不能直接产生几位编码输出 故它不具有绝对码盘码的含义 这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处 增量编码器 一般只有三个码道 不直接输出编码 外码道 产生计数脉冲的增量码道 内码道 辨向码道 其辨向方法与光栅的辨向原理相同 中间码道 开有一个窄缝 用于产生定位或零位信号 光电脉冲信号通过整形 放大 细分 辨向后输出脉冲信号或显示角位移 分辨率以每转脉冲数表示 1 增量编码器的结构和工作原理增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙 内外圈 A B 的相邻两缝错开半条缝宽 另外在某一径向位置 一般在内外两圈之外 开有一狭缝 表示码盘的零位 在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件 如下图所示 当转动码盘时 光线经过透光和不透光的区域 每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出 码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差90 的两相 A B两路 脉冲脉冲和一个零位 C相 脉冲输出 增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样 主要取决于码盘本身的精度 2 旋转方向的判别为了辨别码盘旋转方向 可以采用下图所示的电路利用A B两相脉冲来实现 光电元件A B输出情号经放大整形后 产生P1和P2脉冲 将它们分别接到D触发器的D端和CP端 由于A B两相脉冲 P1和P2 脉冲相差90 D触发器FF在CP脉冲 P2 的上升沿触发 正转时P1脉冲超前P2脉冲 FF的Q 1 表示正转 当反转时 P2超前P1脉冲 FF的Q 0 表示反转 可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反问计数 即可将光电脉冲变成编码输出 C相脉冲接至计数器的复值端 实现每码盘转动一圈复位一次计数器的目的 码盘无论正转还是反转 计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量 故这种测量称为增量法 除了光电式的增量编码器外 目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等 它们部得到广泛的应用 光电编码器的应用 除了测量角位移 还可通过脉冲测量转速 f为脉冲频率 每转产生N个脉冲 在T时间内测得m个脉冲 则转速为 每转产生N个脉冲 测得两相邻脉冲间包含m2个时钟脉冲 时钟周期为Tc 则转速为 光电编码器产品 10 3磁栅传感器 MagneticGratingTransducer 磁栅传感器由磁栅 即磁盘 磁头和检测电路组成 磁栅用于记录一定功率的正弦或矩形信号 磁头的作用是读写磁栅上的磁信号 并转换为电信号 10 3 1 磁栅的结构磁栅结构如图12 11所示 a 尺形长磁栅 b 带形长磁栅 c 同轴形长磁栅 d 圆磁栅图12 11几种常用的磁栅结构 10 3 2磁栅传感器的工作原理磁栅传感器的磁头一般分为静态和动态两种 由读取信号的方式决定 静态磁头的结构如图12 13 a 所示 静态磁头与磁栅间无相对运动 一般由若干个磁头串行连接构成多间隙静态磁头体 在H铁心上绕激磁线圈L1和输出线圈L2 当在激磁绕组上施加交变激磁信号时 H铁心的中间部分在每个周期内两次被激磁信号作用产生磁通导致饱和 此时因铁心的磁阻很大 磁栅上的信号磁通不能通过磁头 使得输出绕组无感应电势输出 只有当激磁信号两次过零时 铁心不饱和 磁栅上的信号磁通才能通过铁心在输出绕组上产生感应电势 a 静态1 磁头 2 磁栅 3 输出波形图12 13静磁头的工作原理 动态磁头仅有一组输出绕组 如图12 13 b 动态磁头只有相对运动才有信号输出 输出信号的幅值随运动速度而变化 为了保证一定幅值得输出 通常规定磁头以一定速度运行 因此 动态磁头不适合长度测量 当磁头以一定速度运行时 磁头输出一定频率的正弦信号 且在N N处信号达到正向峰值 在S S处信号达到负向峰值 b 动态1 磁头 2 磁栅 3 输出波形图12 13动态磁头的工作原理 10 3 3 磁栅传感器的测量原理实际应用中 磁栅传感器测量常采用鉴幅法和鉴相法两种 1 鉴幅法一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号 若两磁头的间距为 n 1 4 W n为正整数 那么两激磁信号的相差为 4 由前述内容可知 两磁头输出信号相差 2 若两磁头的激磁绕组加同相的正弦激磁信号 则两磁头的输出信号为 经滤除高频载波后 得到与位移量x成正比的信号为 式中是与位移成正比的正弦信号 经过适当处理后变可得到位移量 这就是所谓的鉴幅法 2鉴相法若激磁绕组上施加相位差为 4的正弦激励信号或将输出信号移相 2 则两磁头输出信号为 将u1和u2叠加 在uU1m U2m Um的条件下 上式表示输出信号是一个幅值不变 但相位与磁头 磁栅相对位移量有关的信号 这就是鉴相法 10 4感应同步器 感应同步器由两个印刷电路绕组构成 类似于变压器的初 次级绕组 又称平面变压器 相对位移会引起两个绕组间的互感量变化 因此可以测量位移 分为直线型 直线位移 和圆盘型 角位移 直线型感应同步器的基本结构 由定尺和滑尺组成 定尺安装在固定部件上 如机床台座 滑尺与运动部件 如机床刀架 一起沿定尺移动 绕组分布不同 定尺是连续绕组 滑尺是分段绕组 分段绕组分为两组 布置成在空间相差90 相角 又称为正 余弦绕组 直线型感应同步器的绕组结构 节距 圆盘式感应同步器 旋转式 圆盘式感应同步器由定子和转子组成 形状呈圆片形 定子相当于直线式感应同步器的滑尺 转子相当于定尺 感应同步器 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压 由于电磁耦合 在另一种绕组上就产生感应电动势 该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦 余弦函数变化 再通过对此信号的处理 便可测量出直线位移量 感应同步器的工作原理 定尺与滑尺间的气隙应保持在0 25 0 05mm范围内 感应同步器的工作原理 在滑尺上施加的正弦激磁电压为 正弦或余弦绕组在定尺上相应产生的感应电势分别为 感应同步器的工作原理 式中x 机械位移 W 绕组节距 正 负号表示滑尺移动的方向 感应同步器的