数字式传感器

第10章数字传感器，光栅，1.2，第10章数字传感器，编码器，10.3，频率传感器，10.4，第10章数字传感器，数字传感器：能够直接将测量(模拟)量转换成数字量输出的传感器数字传感器具有以下特征：1 .测量精度和分辨率高，测量范围广；2.抗干扰能力强，稳定性好；3.该信号易于自动处理、传输和控制。4.便于动态多通道测量和直观读数；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。第十章数字传感器感应同步器是一种利用电磁感应原理将位移转换成数字量的传感器。感应同步器是一种多极感应元件。由于多极结构可以补偿误差，用感应同步器测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、使用寿命长、便于扩展等优点。第1节感应同步器第10章数字传感器结构组成第10章数字传感器第10章数字传感器感应同步器的工作原理标尺中的感应电势随着滑动标尺的相对运动而周期性变化。测得的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。如果正弦电压US=USINt和UC=UC SIN t分别施加于滑动标尺的正弦和余弦绕组，则固定标尺上的感应电势es和ec可由以下公式表示：其中：K耦合系数；和位移x等效电角度，=2 x/w2，第10章数字传感器，第10章数字传感器，对于不同的感应同步器，如果滑块绕组励磁，其输出信号处理方法是：1。相位检测方法2。振幅识别方法3。脉宽调整方法3。第十章数字传感器所谓的鉴相法是根据感应电势的相位来测量位移。采用鉴相法时，感应同步器滑动标尺的正弦和余弦绕组应分别施加相同频率和幅度但相差V2的正弦激励电压，即us=um sint和UC=um cost。鉴相法根据公式(10-2)，余弦绕组单独激励时，感应电势相同，正弦绕组单独激励时，感应电势为，第10章数字传感器。 当正弦和余弦绕组同时励磁时，根据叠加原理，总感应电势为，根据上述公式，感应电势的幅值为kumsin(-)，调整感应电压的值使=2x/w2，则标尺上的总感应电势输出为零。 励磁电压的中值反映了感应同步器固定尺和滑动尺的相对位置。第10章数字传感器第10章数字传感器，幅值判别法是根据感应电势的幅值按叠加原理测量位移，感应电势是，幅值判别法，感应电势的幅值的上述公式是kum sin(-)，调整激励电压的值使=2 x/w2，则标尺上的总感应电势输出为零。励磁电压的中值反映了感应同步器固定尺和滑动尺的相对位置。方程(10-6)是振幅判别法的基本方程。第10章数字传感器第10章数字传感器当使用感应同步器测量位移时，类似于振幅辨别方法，激励脉冲宽度的值可以调节，可以用跟踪。当感应同步器进行定位时，定位距离可以用中间来表示，作为位置指令，移动滑动标尺改变，直到=，即e=0时停止移动，从而达到定位的目的。脉宽调制法将周期性方波电压分别施加到滑动标尺的正弦和余弦绕组上，这可视为感应电势，脉宽调制法，第10章数字传感器，第2章数字测量系统鉴相法测量系统图10-9是鉴相法测量系统的原理框图。其功能是通过感应同步器将代表位移量的电相变转换成数字量。鉴相测量系统通常由三部分组成：位移-相位转换、模数转换和计数显示。回鉴相器是一种相位比较器件，其输入来自放大、滤波和整形的输出信号e和相对相位基准输出信号o。相对相位基准(脉冲移相器)实际上是一个数模转换器，它增加了。减少的脉冲数被转换成电的相变。模数转换的关键是鉴相器。第十章数字传感器从以上分析可以看出鉴相测量系统的工作原理是：当系统工作时，相位差小于一个脉冲当量。如果计数器设置为“0”，则位置为“相对零”。假设滑块在此基础上正向移动，的相位发生变化，和之间出现相位差，相位差由相位检测器检测，并输出反映滞后于的高电平。两个输出信号控制脉冲移相器对矿石进行相移，接近。当达到新的平衡点时，相位跟踪停止，然后。在这个相位跟踪过程中，插入脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，然后脉冲数被送到计数器进行计数和显示，得到计算尺的位移。此外，小于一个脉冲当量的剩余相位差也可以通过模拟仪器显示。第十章数字传感器振幅识别测量系统该系统的功能是通过感应同步器将代表位移的电压振幅转换成数字量。第10章数字传感器第10章数字传感器第3章感应同步器扩展感应同步器可用于大范围内线性和角位移的静态和动态测量。它通常用作数控机床、加工中心和一些特殊测试仪器的测量元件。与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，便于扩展。目前，长度测量误差约为1m/250mm，角度测量误差约为0.5”。第十章数字传感器光栅是一种光学器件，由许多等间距的透光狭缝和均匀交替排列的不透明划线组成。根据工作原理，有物理光栅和计量光栅，前者比后者划线更细。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测量。计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，广泛应用于位移的精密测量和控制。根据应用的需要，计量光栅可分为透射光栅和反射光栅，并可根据不同用途制成测量直线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。为了读取莫尔条纹，除了主光栅和指示光栅之外，光路系统中还必须有光源、聚光器和光电元件。图10-13是透射光栅传感器的结构图。主光栅和指示光栅之间有一定的间隙。来自光源的光穿过聚光器，变成平行光，照亮光栅。光电元件(如硅光电池)将透过光栅的光转换成电信号。第10章数字传感器第10章数字传感器当两个光栅相对移动时，光电元件上的光强随着莫尔条纹的移动而变化。如图10-14所示，在位置a，两个光栅划线重叠，透射最多的光并具有最高的光强度；在位置C，光被阻挡一半，光强度降低；在位置D，光被完全阻挡，变成完全黑色，光强度为零。光栅继续向右移动。在位置E，光再次通过，强度增加。在理想状态下，光强的变化与位移成线性关系。然而，在实际应用中，两个光栅之间必须有一个间隙，透射光具有一定的发散性，不能达到最亮的全黑状态。再加上光栅的几何误差、划线的图形误差和光电元件参数的影响，输出波形近似为正弦曲线为了辨别方向，需要提供另一个莫尔条纹信号，两个信号之间的相位差为/2。通常，两个光电元件被放置在相隔1/4条纹间距的位置，以实现第10章数字传感器2。电子细分高精度测量通常要求长度精确到1 0 . 1微米，如果以光栅间距为测量单位，只能计数整数条纹。例如，0.1 m的最小读数要求每毫米10，000条线。以目前的技术水平，这是相当困难的。因此，在选择适当的光栅间距和细分光栅间距的基础上，可以获得所需的最小读取值，并且可以提高“分辨率”能力。第十章数字传感器，四倍频细分基于上述“方向判别原理”，如果U2方波信号也经过微分，然后经过适当的电路处理，则在一个网格距离内可以输出两个计数脉冲，这称为倍频细分。如果将方向判别原理中由B/4分开的两个光电元件的输出信号反相，则可以依次得到四个相位差为/2的信号，即在一个网格距离内可以得到四个计数脉冲信号，从而实现所谓的四重细分。在上述两个光电元件的基础上，增加两个光电元件，每两个光电元件相隔1/4条纹间距，也可以实现四倍频细分。这种细分方法的缺点是光电元件放置困难，细分数不能很高，但对莫尔条纹信号的波形没有严格要求，电路简单。这是一种常用的细分技术。第10章数字传感器，电桥细分，第10章数字传感器，电桥细分方法可以达到较高的精度，细分次数一般为12 60次，但它对莫尔条纹信号的波形幅度、DC电平以及原始信号Umsin和人体Umsoc之间的正交性有严格的要求。此外，电路比较复杂，对电位器、过零比较器等元件的要求也比较高。第十章数字传感器如前所述，通过测量光栅测量位移最终是通过数字转换系统完成的，莫尔条纹实际上是由计数器计数的。在使用中，为了克服断电时计数值无法保留以及再次供电后测量系统无法正常工作的缺点，可以通过机械等方法设置绝对零位，但精度低，安装使用不方便。目前普遍采用在光栅测量范围内设置固定绝对零点参考标记的方法，即零光栅，使光栅成为准绝对测量系统。第10章数字传感器第10章高精度数字传感器编码器。高分辨率和高可靠性广泛用于各种位移测量。编码器根据其结构分为线性编码器和旋转编码器。由于旋转光电编码器是角位移测量最有效、最直接的数字传感器，并且有多种系列产品可供选择，本节重点介绍旋转光电编码器。第10章数字传感器旋转编码器有两种类型的增量编码器和绝对编码器增量编码器类似于前面三节中讨论的数字传感器。它的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统来累计计数脉冲。最简单的绝对编码器是接触式编码器。绝对编码器的二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。编码器的代码通道数量决定了编码器的分辨率。第10章数字传感器第10章数字传感器第10章数字传感器从编码技术的分析来看，编码错误的原因是当从一个编码转换到另一个编码时，需要同时改变几个编码。如果一次只改变一个位代码，则不会产生错误代码，如格雷码(循环码)。两个相邻数量的格雷码的代码变化只有一位不同(见表10-1)。格雷码到二进制码的转换可以通过硬件或软件实现。第十章数字传感器旋转光电编码器接触式编码器的实际应用受到布鲁塞尔限制由于其精度高、可靠性好、性能稳定、体积小、使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前，大多数铰接式工业机器人将它用作角度传感器。中国有16位绝对编码器和小增量编码器，每转输出超过10，000个脉冲，并已形成各种系列。第10章数字传感器1。绝对编码器第十章数字传感器光电编码器的编码器盘通常是光学玻璃。玻璃上刻有透明和不透明的图形。它们相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝缘区，如图10-20所示。编码器光源产生的光通过光学系统形成平行光束，投射到码盘上，并与径向设置在码盘另一侧的光敏元件耦合。码盘上的码道数是码盘的位数，每个码道对应一个光敏元件。当码盘处于不同位置时，每个光敏元件根据是否接收到光来转换并输出相应的电平信号。第10章数字传感器第10章数字传感器2。增量编码器增量编码器有一个比绝对编码器简单得多的码盘，通常只需要三个条形码轨道。这里的代码轨道实际上没有绝对代码盘代码轨道的含义。第十章数字传感器类似于绝对编码器，增量编码器的精度主要取决于编码器本身的精度。大多数用于光电绝对编码器的技术也适用于光电增量编码器。第十章数字传感器4。光学增量编码器的应用1。典型产品介绍图10-24显示了LEC小型光学增量编码器的外形图。每转输出脉冲数为20 5000，最大允许转速为5000转/分。第10章数字传感器第10章数字传感器测量转速增量的编码器除了直接测量相对角位移外，通常还用于测量旋转轴的转速。最简单的方法是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，测量平均转速。第十章数字传感器(3)测量线位移在某些情况下，使用旋转光电增量编码器测量线位置是一种有效的方法。此时，必须使用一套机械装置将线性位移转换成角位移。测量系统的精度主要取决于机械装置的精度。第10章数字传感器和第10章数字传感器。图10-27 (a)显示线性运动通过螺杆转化为旋转运动。例如，使用每转1500个脉冲的增量编码器和6mm的丝杠，可以实现4m的分辨率。为了提高精度，可以使用滚珠丝杠和双螺母间隙机构。图(b)是用齿轮和齿条实现直线-旋转运动转换的方法。一般来说，这种系统的精度相对较低。图(c)和(d)分别示出了通过带传动和摩擦传动实现线性位移和角位移之间转换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要远距离位移测量和一些恶劣环境条件的地方。无论用哪种方法实现线性位移到角位移的转换，一般增量式编码器的码盘都要旋转几次。此时，编码器的零参考已失去其功能。计数系统所需的参考零点位置可由附加设备提供。如机械、光电等方法。第十章数字传感器和测量电路在实践中，光敏元件输出信号的放大和整形电路目前与传感和检测元件封装在一起，因此可以通过增加计数和细分电路(统称为测量电路)来形成位移测量系统。从这个角度来看，这也是编码器的一个突出优势。第10章数字传感器第10章数字传感器1。计数电路第十章数字传感器四倍频细分电路原理图如图10-29 (a)所示。输出x1和x2信号作为计数器双时钟输入信号。根据电路图，下列逻辑ex电路中各点的波形如图10-29 (b)所示。与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为/2。单稳态电路输出Q1、Q2、Q3和Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少小于S1信号最小脉冲宽度的1/2，但同时满足Y1、Y2、Y3和Y4的“与”要求。从图10-29可以看出