第十三章--数字式传感器.ppt

数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点 1 测量精度和分辨率高 2 稳定性好 抗干扰能力强 3 便于与微机接口 信号易于处理和存储 适宜远距离传输 4 可以减少读数误差 数字式传感器的发展历史不长 到目前为止它有两种类型 1 以编码方式产生代码型的数字信号 代码型数字传感器又称编码器 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 这类传感器有绝对式光电编码器和接触式码盘等 2 输出计数型的离散脉冲信号 计数型数字传感器又称脉冲数字传感器 它输出的脉冲数与输入量成正比 这类传感器有增量式光电脉冲编码器 光栅传感器等 数字式传感器可以测线位移 也可以测角位移 还可用来计数 如计数型传感器加上计数器可用来检测输送带上的产品个数 数字式传感器在自动检测和自动控制中得到了日益广泛的应用 本章主要介绍常用的数字式位置检测传感器 如光栅传感器 光电式编码器和感应同步器等 13 1光栅传感器光栅按工作原理和用途可分为 物理光栅和计量光栅 物理光栅是利用光栅的衍射现象 主要用于光谱分析和光波波长的检测 计量光栅则利用光栅的莫尔条纹现象 主要应用于线位移和角位移的检测 计量光栅按应用场合不同有 透射光栅和反射光栅 按用途不同有 测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅 按光栅的表面结构不同有幅值 黑白 光栅和相位 闪耀 光栅 13 1 1光栅的结构及工作原理1 光栅结构图中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a b 1 1 0 9 目前常用的光栅每毫米刻成l0 25 50 l00 250条等线条 2 光栅测量原理把两块栅距相等的光栅 光栅l 光栅2 面向对替合在一起 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 如图13 2所示 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 长光栅横向莫尔条纹 两块光栅的栅线重合部位 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 两块光栅的栅线错开部位 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 莫尔条纹测位移具有以下特点 1 位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时 莫尔条纹便跟着移动 个条纹宽度BH 如果光栅作反向移动 条纹移动方向也相反 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放大了1 倍 例如 0 1度 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 莫尔条纹移动方向反映位移方向如光栅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l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l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 4 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化 13 1 2光栅传感器的组成光栅传感器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的部分 光栅数显表是实现细分 辨向和显示功能的电子系统 1 光栅读数头光栅读数头主要由标尺 主 光栅 指示 副 光栅 光路系统和光电元件等组成 标尺光栅的有效长度即为测量范围 指示光栅比标尺光栅短得多 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 标尺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 从图看出 两条暗带中心线之间的光强变化是从黑暗到渐暗 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 2 光栅数显表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 辨向原理 采用一个光电元件的光栅读数头 无论主光栅作正向还是反向移动 莫尔条纹都作明暗交替变化 光电元件总是输出同一规律变化的电信号 不能辨别运动方向 为了能够辨向 需要有相位差为 2的两个电信号 2 细分技术为提高分辨率和测量比栅距更小的位移量 可采用细分技术 所谓细分 就是在莫尔条纹信号变化一个周期内 发出若干个脉冲 如一个周期内发出n个脉冲 即可使测量精度提高到n倍 而每个脉冲相当于原来栅距的1 n 由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍 因此也称之为n倍频 在上述辨向原理中可知 在相差BH 4位置上安装两个光电元件 得到两个相位相差的电信号 若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差的信号 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 13 2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 编码器按其结构形式有接触式 光电式 电磁式等 后两种为非接触式编码器 非接触式编码器具有非接触 体积小和寿命长 且分辨率高的特点 其中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 13 2 1光电式编码器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 光敏元件输出信号的组合反映出按一定规律编码的数字量 二进制码盘具有以下主要特点 1 一个n位二进制码盘的最小分辨率 即能分辨的角度为 2 二进制为有权码 编码Cn Cn 1 C1对应于有零位算起的转角为 3 码盘转动中 CK变化时 所有的Cj j K 应同时变化 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 如果由于刻划误差等原因 某一较高位提前或延后改变 就会造成粗误差 为了消除粗误差 可采用双读数头法 或用循环码代替二进制码 1 循环码是一种无权码 2 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 3 对于n位循环码码盘 与二进制码一样 具有种不同编码 最小分辨率为 因为循环码是一种无权码 这给译码造成一定困难 通常先将它转换成二进制码然后再译码 13 2 2磁编码器由磁鼓与磁阻探头组成 13 3感应同步器感应同步器是利用两个平面形印刷电路绕组的互感随相对位置不同而变化的原理 将直线位移或角位移转换成电信号 13 3 1结构原理感应同步器有直线式和旋转式两种 分别用于直线位移和角位移测量 两者原理相同 直线式 长 感应同步器由定尺和滑尺组成 在定尺和转子上的是连续绕组 在滑尺和定子上的则是分段绕组 分段绕组分为两组 在空间相差90度相角 故又称为正弦 余弦绕组 13 3 2信号处理方式按信号处理方式来分 可分为鉴相和鉴幅方式两种 特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理 下面以长感应同步器为例进行叙述 1 鉴相方式滑尺的正余弦绕组在空间位置上错开l 4定尺节距 激励时加上等幅等频 相位差为90度的交流电压 即分别以sinwt和coswt来激励 这样 就可根据感应电势的相位来鉴别位移量 故叫鉴相型 当正弦绕组单独激励时励磁电压为感应电势为式中 k为耦合系数 当余弦绕组单独激励时 励磁电压 感应电势为 按叠加原理求得定尺上总感应电动势为式中的 2 x w称为感应电动势的相位角 它在一个节距W之内与定尺和滑