数字式传感器.ppt

前几章都介绍的是模拟式传感器 将被测参数转变为电模拟量 如电压 电流 显示出来 如果用数字显示或输入计算机 就需要A D转换装置 将模拟量变成数字量 这不但增加了投资 而且增加了系统的复杂性 降低了系统的可靠性和精确度 若直接采用数字式传感器直接将被测参数转换成数字信号输出 数字式传感器具有以下优点 精确度和分辨力高 抗干扰能力强 便于远距离传输 信号易于处理和存储 可以减少读数误差 第六章数字式传感器 数字式传感器按工作原理不同 可分为三大类 脉冲输出式 光电编码器 光栅传感器 感应同步器 磁栅传感器等 频率输出式 振弦式 振筒式和振膜式传感器 直接以数字量形式输出 直接编码器 数字式位置传感器的分类 11 1角编码器 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 编码器的种类很多 按照测角度位移和直线位移分别有码盘和码尺 码盘即为角编码器 角编码器是一种旋转式位置传感器 它的转轴通常随被测轴一起转动 能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲 角编码器 绝对式编码器 直接式 增量式角编码器 一 绝对式角编码器 绝对式 直接 角编码器是直接将角位移转换为二元码 即 0 或 1 绝对式角编码器 接触式 光电式 磁阻式 非接触式编码器 特点 非接触 体积小 寿命长 分辨率高 1 接触式编码器 接触式编码器由码盘和电刷组成 码盘 是利用制造印刷电路板的工艺 在铜箔板上制作某种码制图形 如8 4 2 1码等 的盘式印刷电路板 电刷 是一种活动触头结构 在外界力的作用下旋转码盘时 电刷与码盘接触处就产生某种码制的某一数字编码输出 码盘 接触式编码器工作原理 以四位二进制码盘为例 8421码 是最基本 最简单的二进制码 是用四位二进制来表示一位等值的十进制数 共十六种组合 以8421制作的码盘和旋转轴固定在一起 码盘上有四圈码道 相应地 对应码道上有一个电刷 四个电刷沿着一个固定的径向安装 涂黑处为导电区 电刷接触导电部分时 输出高电平 1 白处为绝缘区 电刷接触绝缘部分时 输出低电平 0 接触式编码器 无论码盘处在哪个角度 均有一个4位二进制编码与该角度对应 码道的圈数就是二进制的位数 若有n圈码道 就称为n位码盘 圆周就被分为2的n次方个数据 能分辨的角度 即为分辨率 显然 编码器的分辨率与码道数n有关 位数n越大 分辨率越高 测量准确度就越高 若要提高分辨能力 就必须增加码道数 绝对式接触式编码器演示 4位二进制码盘 5V输入公共码道 最小分辨角度为 360 2n 4个电刷 存在问题 由于四个电刷扫描的不同步容易引起错码 另外 电刷安装不精确引起的机械偏差 码盘制作和安装不准等 提高精度的途径 防止错码的出现 是常采用循环码盘 循环码的特点是相邻两个数码间只有一位变化 即使制造或安装不精确 产生的误差最多也只是最低位 在一定程度上可消除非单值误差 因此采用循环码盘比8 4 2 1码盘的精度更高 2 绝对式光电编码器光电编码器 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器 构成 由光学玻璃制成的圆形码盘 码盘上刻有同心码道 码道上有亮区和暗区 光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成窄光束照射在光电元件上 光电编码器的精度取决于码盘的精度 有多少条码道 就有多长的二进制数 工业上常用的是21码道 从里向外读数亮区 定义为高电平1暗区 定义为低电平0零位 全黑 000000 110000 缺点 码道多 要求制造精度高 否则 会产生很大的误差 码盘 以6位二进制码盘为例 当狭缝对准a b c p位置时 得到的数码将是0000 0001 0010 1111 光电码盘的特点是除了转轴之外 不存在接触磨损 允许高速旋转 二进制码盘的粗误差 了解 上图是一个四位二进制码盘展开图 当读数狭缝处于AA位置时 正确读数为0111 为十进制数7 若码道C4黑区做得太短 就误读为1111 为十进制数15 反之 若黑区C4太长 当狭缝处于AA 时 就会将1000读为0000 这两种情况下都将产生粗误差 数字式角编码器 信号航空插头 参考德国沃申道夫公司资料 其他角编码器外形 拉线式角编码器利用线轮 能将直线运动转换成旋转运动 其他角编码器外形 参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司 绝对式角编码器结论 三种编码器相比较 光电式编码器的性价比最高 它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用 目前我国已有23位光电编码器 为科学研究 军事 航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段 增量式编码器 即脉冲盘式编码器 是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A B和C相 A B两组脉冲相位差900 从而可方便地判断出旋转方向 而C相为码盘每转一圈就产生一个脉冲 用于基准点定位 二 增量式角编码器 有三个码道 最外圈 零位码道中间 外圈A码道最内圈 B码道 增量式编码器 转轴 盘码及狭缝 光敏元件 光栏板及辨向用的A B狭缝 LED A B C 零位标志 A B C 增量式编码器 增量式码盘 10码道光电绝对式码盘 它的优点是原理构造简单 机械平均寿命可在几万小时以上 抗干扰能力强 可靠性高 适合于长距离传输 其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息 零位标志 增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度 而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关 即最小能分辨的角度及分辨率为 增量编码器原理演示 顺时针旋转式超前 增量编码器原理演示 逆时针旋转时滞后 编码器在伺服电机中的应用 利用编码器测量伺服电机的转速 转角 并通过伺服控制系统控制其各种运行参数 转速测量转子磁极位置测量角位移测量 三相电参数 闭环控制 编码器在定位加工中的应用 1 绝对式编码器2 电动机3 转轴4 转盘5 工件6 刀具 11 2光栅传感器 1 光栅 一 光栅的基本知识 光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件 物理光栅 利用光的衍射现象 计量光栅 利用光栅的莫尔条纹 主要讨论 计量光栅 2 计量光栅 光栅传感器由照明系统 光栅副 光敏元件三大部分组成 光栅副是光栅传感器的主要部分 在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅 光栅副主要由主光栅 也称标尺光栅 和指示光栅 读数头 组成 通常将指示光栅与主光栅叠合在一起 两者之间保持很小的间隙 0 05mm或0 1mm 在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹 即莫尔条纹 起到光学放大作用 播放莫尔条纹动画 当标尺光栅相对于指示光栅移动时 形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化 利用光敏元件 将莫尔条纹亮暗变化的光信号 转换成电脉冲信号 并与数字显示 从而可以测量出标尺光栅的移动距离 3 计量光栅的种类 长光栅 直线光栅 用于直线位移测量 圆光栅 用于角位移测量 按形状分 按原理分 透射式 反射式 a b W 刻线密度 10 25 50 100线 mm1000线 mm a 刻线宽度b 刻线间的缝隙宽度W 栅距 光栅常数 透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹 形成规则排列的明暗线条 图6 10中a为刻线宽度 b为刻线间的缝隙宽度 a b w称为光栅的栅距 或光栅常数 指示光栅一般比主光栅短得多 通常刻有与主光栅同样密度的线纹 光源一般用钨丝灯泡 光电元件包括光电池和光敏三极管等部分 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 与移动部件固定 扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长磁栅 扫描头 与移动部件固定 光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构 续 透射式直光栅 反射式光栅 透射式圆光栅 固定 莫尔条纹演示 二 莫尔条纹形成的原理及特点 两光栅平行 竖条纹标尺光栅移动一个W 光电管接受光线亮暗一次缺点 无法辨向两光栅成微小角度 横条纹 莫尔条纹 形成黑白相间的条纹光栅左右移动 条纹上下移动 可辨向每移动一个栅距W 条纹移动一个间距BH 莫尔条纹的重要特性运动对应关系莫尔条纹近似与刻线垂直 当夹角 固定后 两光栅相对左右移动一个栅距W时 莫尔条纹上下或下上移动一个节距B 因此 可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向 位移放大关系误差平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成 对光栅的刻线误差有平均作用 光强近似于正弦变化 莫尔条纹的位移放大作用 在透射式直线光栅中 把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起 中间留有很小的间隙 并使两者的栅线保持很小的夹角 在两光栅的刻线重合处 光从缝隙透过 形成亮带 在两光栅刻线的错开处 由于相互挡光作用而形成暗带 光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度BH BH W 为主光栅和指示光栅刻线的夹角 弧度 BH 莫尔条纹光学放大作用举例 有一直线光栅 每毫米刻线数为50 主光栅与指示光栅的夹角 1 8 则 分辨力 栅距W 1mm 50 0 02mm 20 m 由于栅距很小 因此无法观察光强的变化 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍 BH W 0 02mm 1 8 3 14 180 0 02mm 0 0314 0 637mm由于较大 因此可以 观察 莫尔条纹光强的变化 三 光栅位移数字转换的基本原理1 光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时 莫尔条纹移动一个条纹宽度 相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化 使输出电信号周期变化 其输出波形如图 输出表达式 0 mCOS 2 w X 式中 2 W为空间角频率 W为栅距 信号周期 X为位移 由此可知 只要计算输出电压的周期数 便可测出位移量 从而实现了位移量向电量的转换 在一个周期内 V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数 每一周期对应一个栅距 但是如果只用一个光电元件 其输出信号还存在两个问题 辨向问题 用一个光电元件无法辨别运动方向 精度低 分辨力只为一个栅距W 怎么解决这两个问题呢 四 辨向电路及波形 在实际应用中 大部分被测物体的移动往往不是单向的 既有正向运动 也可能有反向运动 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号 只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向 因而就不能判别运动零件的运动方向 以致不能正确测量位移 辨向电路及波形 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 五 细分技术 提高光栅的分辨力 对栅线进行加密 采用细分技术 四细分 直接细分 放置4个光电元件 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 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 电阻电桥细分法 矢量和法 电阻链细分法 电阻分割法 锁向倍频法 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 光栅在机床上的安装位置 2个自由度 光栅在机床上的安装位置 3个自由度 数显表 2自由度光栅数显表 X位移显示 Z Y 位移显示 3自由度光栅数显表 光栅数显表 续 三座标数显表 SDS8 3E光栅数显箱功能 公制 英制转换绝对 相对转换线性误差补偿正反方向计算归零插值补偿到达目标值停机PCD圆周分孔200组零位记忆电蚀深度目标值显示实时工作位置显示掉电记忆 6 3感应同步器 感应同步器也是一种用来测量位移量的数字式传感器 它是利用两个平面型绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的 它的工作原理与变压器的工作原理类似 又称平面变压器 感应同步器由两个平面形印刷绕组组成 平面绕组是用铜箔加工而成 粘在钢板上或铸铁制成的基体上 两个绕组相当于变压器的两个线圈 感应同步器有两种 一种是直线感应同步器 用来测量线位移 两个绕组分为定尺绕组和滑尺绕组 另一种是圆感应同步器 用来测量角位移 两个绕组分为定子绕组和转子绕组 定尺和转子的绕组为连续绕组 相当于变压器的副边 用于输出与位移有关的信号 滑尺和定子的绕组为分段绕组 又称为正 余弦绕组 工作时输入激磁电压 用以产生交变磁场 一 感应同步器的种类及结构 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 图6 23 结构组成 节距 绕组在长度方向的分布周期 滑尺与定尺相对移动时 定尺绕组上的感应电动势与两尺的相对位移成正比 正弦绕组 余弦绕组 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 滑尺绕组上的正弦绕组和余弦绕组在空间上相差 2 或k 2 这个空间角如下确定 设定尺的节距为w2 2 a2 b2 相当于空间角2 对应于一个周期 则滑尺两绕组 正弦绕组 余弦绕组 之间的距离 k为整数 在这里w2相当于一个周期2 l1相当于 对于圆感应同步器 其定子的正余弦绕组同样满足相差90 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 定尺与滑尺间的气隙应保持在0 25 0 05mm范围内 二 工作原理 以直线感应同步器为例 当两绕组位置相对固定时 滑尺绕组中的激磁电流使定尺绕组中产生一个感应电势 其大小为 M为互感系数 如果假设绕组的自感系数很小 且激磁频率较低 则滑尺激磁绕组可视为纯电阻 则激磁电流为 所以有 K称为电磁耦合系数 随着两绕组间的位置关系不同 定尺中的感应电势大小是不同的 我们可以具体分析如下 见P129图6 26当滑尺与定尺间的相对位置按下面规律变化 以正弦绕组为例 x o时 这时两绕组完全重合 通过定尺的耦合磁通最大 这时定尺绕组中产生的感应电势最大 x 1 4W时 滑尺跨在定尺的两侧 定尺中的感应电势相互抵消为零 x 1 2W时 滑尺与定尺重合 但感应电势方向与x 0时相反 达到反方向最大 x 3 4W时 定尺中感应电势为零 因此 对于正弦绕组激磁而产生的感应电势的大小为 cos 为位置系数 同理 若设 则可推出对于余弦绕组激磁而产生的 而总电势为 这里讨论是在理想情况下近似的 实际的输出中还存在有其它高次谐波及干扰 一般情况下 激磁电压 感应电势 但激磁电压 太大 i增大 引起发热 致使不能正常工作 V 1 2V 演示 感应电势为 三 感应同步器的工作方式 感应同步器工作方式通常分为 鉴相型 鉴幅型 鉴相型工作方式鉴相型工作方式是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式 激磁方式 对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同 但相位相差90 的交流方波 这时 总电势为 这相当于一个相位调制波 当位移X发生变化时 输出信号的相位发生变化 由上述讨论可知 输出信号的幅值与激磁电压 相当于载波 的频率有关 激磁频率越高 输出幅值越大 且可使测量速度提高 但若激磁频率过高 则导致感抗增加 容抗减小 使测量精度下降 从上面讨论还可以看出 在一个节距w内 感应输出电压的相位 与滑尺和定尺间位移x相对应 每当位移变化一个节距 变化2 角度 输出信号的相位变化一个周期 因此 必须采用累加计数的办法求总的位移量 鉴幅型工作方式 通过输出电压幅值变化来测量位移 激磁方式 滑尺的正 余弦绕组分别加以频率相同 相位相同 但幅值不等 按正 余弦规律变化 的交流电压 可见 当激磁电压不变 固定 则输出信号幅值与相对位移x有关 设初始 如果 说明由位移存在 若设法改变 使 则通过计算 的变化量便可求得x的大小 感应同步器的优点 具有较高的分辨力和精度 长感应同步器 精度 1 5 m 分辨力0 05 m 重复性0 2 m 抗干扰能力强 使用寿命长 维护简单 可以做长距离位移测量 定尺拼接工艺性好 成本较低 便于复制和成批生产 应用 大位移