第6章数字式传感器.ppt

传感器原理及应用 主讲人 吴琼水TelQ 261564789Email qswu 武汉大学电子信息学院光谱成像实验室 第6章数字式传感器 概述 第6章数字式传感器 随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用 信号的检测 控制和处理已进入的数字化时代 概述 第6章数字式传感器 通常采用模拟式传感器获取模拟信号 利用A D转换器将信号转换成数字信号 再用微机和其他数字设备处理进行处理 这种方法简便亦行 缺点 系统的构成复杂 概述 第6章数字式传感器 数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的 它能把被测模拟量直接转换成数字信号输出 数字式传感器是测试技术 微电子技术与计算机技术相结合的产物 是传感器技术发展的重要方向之一 概述 第6章数字式传感器 数字式传感器的特点 测量精度高 分辨率高 易于处理与存储 抗干扰能力强 便于远距离传输 可以减少读数误差 概述 第6章数字式传感器 栅式数字传感器 编码器 频率 数字输出式数字传感器 感应同步器式的数字传感器 目前 常用的数字式传感器有四大类 概述 第6章数字式传感器 6 1码盘式传感器6 2光栅传感器6 3感应同步器6 4振弦式传感器 6 1码盘式传感器 第6章数字式传感器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类 脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码 需要增加有关数字电路才可能得到数字编码 而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码 目前 使用最多的是光电编码器 码盘式编码器也称为绝对编码器 它将角度或直线坐标转换为数字编码 一 光学码盘式传感器工作原理 6 1码盘式传感器 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 一 光学码盘式传感器工作原理 6 1码盘式传感器 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 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 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 C1码道 C4码道 最内层2等分外面层依次2倍等分 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 C1码道 C4码道 狭缝 例 假设狭缝方向如图所示 则编码输出为 C4C3C2C1 1110 每个码道对应二进制数的1位 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 C1码道 C4码道 狭缝 每个码道对应二进制数的1位 内层为高位 外层为低位 n位 n个码道 的二进制码盘具有2n中不同编码 称其容量为2n 最小分辨率为 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 狭缝 最小分辨率为 思考 为了达到1 的分辨率 至少需要采用多少位的码盘 位数越多 可分辨的角度越小 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 最小分辨率为 二进制码为有权码 编码Cn Cn 1 C1对应于由零位算起的转角为 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 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 如 由二进制码0111过渡到1000时 即由7变为8时 如果刻度机械加工误差 此时就可能会出现8 15间的某个数字 二 码制与码盘 6 1码盘式传感器 消除粗大误差方法 双读数头法 循环码代替二进制码 双读数头法 二 码制与码盘 布局 最外层码道只有一个读数狭缝 其它码道都有两个读数狭缝 它们对称的分布在OO线的两侧 第i个码道上双缝间距不超过 双读数头法 二 码制与码盘 精度由最低位决定 双读数头法 二 码制与码盘 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍 当编码器位数很多时 光电元件安装位置也有困难 循环码码盘 二 码制与码盘 1 n位循环码码盘具有2n种不同编码 2 循环码码盘具有轴对称性 其最高位相反 其余各位相同 3 循环码为无权码 4 循环码码盘转到相邻区域时 编码中只有一位发生变化 不会产生粗误差 六位的循环码码盘 三 循环码与二进制码之间的转换 6 1码盘式传感器 4位二进制码与循环码的对照表 循环码与二进制码之间的转换关系 式中 R 循环码 C 二进制码 n 常数 总位数 三 循环码与二进制码之间的转换 6 1码盘式传感器 循环码与二进制码之间的转换电路 a 并行变换电路 b 串行变换电路 三 循环码与二进制码之间的转换 6 1码盘式传感器 循环码转变为二进制码的电路 a 并行变换电路 b 串行变换电路 循环码是无权码 直接译码有困难 一般先转换为二进制码后再译码 编码码盘 6 1码盘式传感器 单盘与多盘编码器 单盘编码器 全部码道在一个圆盘上 结构简单 使用方便 但当位数要求增多的情况下 若要求具有很高的分辨力 则制造困难 圆盘直径也要大 采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组 则可大大提高分辨率 而且可以用来测定转速 应用 6 1码盘式传感器 光学码盘测角仪的原理图1 光源2 大孔径非球面聚光镜3 码盘4 狭缝5 光电元件 应用 6 1码盘式传感器 编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数 显示器总是希望以度 分 秒来表示 为此需要使用脉冲当量变换电路 6 2光栅传感器 第6章数字式传感器 结构原理莫尔条纹常用光路辨向原理细分技术 6 2光栅传感器 第6章数字式传感器 什么是光栅 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 透射光栅示意图 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10 25 50 100 250条线条 6 2光栅传感器 第6章数字式传感器 光栅传感器 6 2光栅传感器 第6章数字式传感器 光栅数字传感器 光栅数字传感器主要由标尺光栅 指示光栅 光路系统和光电元件等组成 6 2光栅传感器 第6章数字式传感器 光栅数字传感器是干什么的 主要用于线位移和角位移的测量 还可以扩展到速度 加速度 振动 质量和表面轮廓等方面 原理 6 2光栅传感器 光栅数字传感器的原理 莫尔条纹 标尺光栅 指示光栅 莫尔条纹形成 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时 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 在与光栅线纹大致垂直的方向上 两线纹夹角的等分线上 产生出亮 暗相间的条纹 称为 莫尔条纹 莫尔条纹 6 2光栅传感器 BH 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角 弧度 之间的关系为 莫尔条纹 6 2光栅传感器 莫尔条纹特点 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 如果光栅作反向移动 条纹移动方向也相反 越小 BH越大 这相当于把栅距W放大了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 莫尔条纹 6 2光栅传感器 莫尔条纹特点 2 位移的移动方向 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的栅线向下移动 反之 当光栅1向左移动时 莫尔条纹沿着光栅2的栅线向上移动 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 光栅1 光栅2 莫尔条纹 6 2光栅传感器 莫尔条纹特点 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 例W 0 02mm 接收元件尺寸10 10mm2 在10mm范围内有500条刻线参与工作 某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响 莫尔条纹 6 2光栅传感器 莫尔条纹特点 其放大倍数可通过使 角连续变化 从而获得任意粗细的莫尔条纹 4 连续变倍的作用 莫尔条纹位移测量原理 6 2光栅传感器 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化 则光信号被转换为电信号 电压或电流 输出 莫尔条纹位移测量原理 6 2光栅传感器 莫尔条纹位移测量原理 6 2光栅传感器 光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数 即 U0 输出信号中的直流分量 Um 输出交流信号的幅值 x 两光栅间的相对位移 莫尔条纹位移测量原理 6 2光栅传感器 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 莫尔条纹位移测量原理 6 2光栅传感器 位移量为脉冲数与栅距的乘积 光栅常用的光路 6 2光栅传感器 一 垂直透射式光路 光栅常用的光路 6 2光栅传感器 二 反射式光路 辨向原理 6 2光栅传感器 1 为什么要辨向 当可动光栅 主光栅 无论向前或向后移动时 在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化 后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲 从而无法辨别光栅移动的方向 也不能正确测量出有往复移动时位移的大小 因而必须在测量电路中加入辨向电路 辨向原理 6 2光栅传感器 2 辨向原理与辨向电路 在相隔1 4BH莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件 获得相位差为90 的两个信号 辨向 辨向原理 6 2光栅传感器 辨向逻辑工作原理 Y 1 Y 2 A A B 3 1 2 4 u u 1 u 2 0 x W 1 2 光电元件 3 4 光栅 A 光栅移动方向 B 与 A 对应的莫尔条纹移动方向 辨向原理 6 2光栅传感器 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 辨向原理 6 2光栅传感器 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 辨向原理 6 2光栅传感器 说明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 细分技术 6 2光栅传感器 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量 其分辨力为光栅栅距 为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量 可采用细分技术 细分思想 在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内 发出n脉冲 每个脉冲代表原来栅距的1 n 由于细分后计数脉冲频率提高了n倍 因此也称之为n倍频 细分技术 6 2光栅传感器 一 直接细分法 在相差B 4位置上安放两个光电元件 得到两个相差 2电压信号 S和C 将这两个信号整形 反相得到四个依次相差 2的电压信号 0 S 90 C 180 S 270 C 在光栅作相对运动时 经过微分电路 在正向运动时 得到四个微分脉冲 加计数脉冲 反向运动时 得到四个微分脉冲 减计数脉冲 细分技术 6 2光栅传感器 一 直接细分法 细分技术 6 2光栅传感器 二 电阻电桥细分法 三 电阻链细分法 一 直接细分法 细分技术 6 2光栅传感器 专用芯片 1 光栅信号处理芯片 HKF710502 主要功能 信号的同步 整形 四细分 辨向 加减控制 参考零位信号的处理 记忆功能的实线和分辨率的选择等 2 逻辑控制芯片 HKE701314 主要功能 为整机提供高频和低频脉冲 完成BCD译码 XJ校验及超速报警 3 可逆计数与零位记忆芯片 HKE701201 主要功能 接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲 完成可逆计数 接收参考零位脉冲 使计数器确定参考零位的数值 同时也完成清零 置数 记忆等功能 光栅传感器的应用 光栅传感器的应用 数控机床位置控制框图 6 3感应同步器 第6章数字式传感器 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的 分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两大类 感应同步器的优点是 具有较高的精度与分辨力 抗干扰能力强 使用寿命长 维护简单 可以作长距离位移测量 工艺性好 成本较低 便于复制和成批生产 广泛用于三坐标测量机 程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等 6 3感应同步器 第6章数字式传感器 感应同步器的基本结构 由定尺和滑尺组成 其绕组分布不同 定尺是连续绕组 滑尺则是分段绕组 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 6 3感应同步器 第6章数字式传感器 感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二次线圈 利用交变电磁场和互感原理工作 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 6 3感应同步器 第6章数字式传感器 感应同步器的工作原理 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 6 3感应同步器 第6章数字式传感器 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 6 3感应同步器 第6章数字式传感器 感应同步器的信号处理 感应同步器的励磁方式可分为两大类 一类是以滑尺 或定子 励磁 由定尺 或转子 取出感应电动势信号 另一类以定尺 或转子 励磁 由滑尺 或定子 取出感应电动势信号 目前在实用中多数用前一类励磁方式 其信号