第七章 数字式传感器

1、第七章 数字式传感器 输入量数字量输出数字式传感器 数字式传感器的优点： 1)有高的精度和分辨率 2)有高的抗干扰性能和稳定性 3)便于信号处理和存储 4)易于实现多路检测 5)可以减小读数误差 编码器：绝对编码器，增量编码器； 栅式数字传感器：光栅、磁栅； 感应同步器式的数字传感器； 频率输出式数字传感器。 数字式传感器 7.1 编码器 编码器按用途分： 直线式编码器测长的直线式 旋转式编码器测角的旋转式 绝对编码器 增量编码器 一、工作原理 个光电元件 圈码道码盘有 光源 n n 二、码制与码盘 码盘可分为：二进制、循环、十进制、六十进制。 十进制与n位二进制的关系： 11 222 nn

2、nin i ii ii NCC 最内圈为第一码道，最高位C1; 最外圈为第n码道，共分成2n 个亮暗间隔，对应最低位Cn; 最小分辩力为 0 1 360 /2n 道偏到 ， 0111-1111-1000； 道偏到 0111-0000-1000。 解决错误-采用循环码技术。 1 C a a a a 1 C 二进制码缺点二进制码缺点粗误差粗误差 错码原因错码原因从一个码变为从一个码变为 另一个码时存在着几位码需另一个码时存在着几位码需 要同时改变。要同时改变。 改正改正只有一位码改变，只有一位码改变， 不会产生错误。不会产生错误。 方法：采用循环码盘方法：采用循环码盘 二进制码盘二进制码盘循环码盘

3、循环码盘 输出数码输出数码C1C2Cn(二进制码二进制码)R1R2Rn（循环码）（循环码） 第第1(最内圈最内圈)码道码道分分21个黑白间隔个黑白间隔, 对应对应 C1 分分21个黑白间隔个黑白间隔, 对应对应 R1 第第2码道码道分分22个黑白间隔，对应个黑白间隔，对应 C2 分分21个黑白间隔，对应个黑白间隔，对应 R2 第第i码道码道分分2i个黑白间隔个黑白间隔 ，对应，对应 Ci 分分2i1个黑白间隔，对个黑白间隔，对 应应Ri 相邻码道分界线相邻码道分界线第第i道黑白分界线与道黑白分界线与i+1 道黑白分界线对齐道黑白分界线对齐 第第i道黑白分界线与第道黑白分界线与第 i+1道黑白分

4、界线错开道黑白分界线错开 180/2i 优缺点优缺点缺点：产生粗误差缺点：产生粗误差优点：不产生粗误差优点：不产生粗误差 分辨率分辨率 三、转换关系和转换电路三、转换关系和转换电路 1、转角与二进码转换、转角与二进码转换 1 11 360 2360 2 2 nn nii ii n ii NCC 2、二进码与循环码的转换、二进码与循环码的转换 11 1 1 iii iii CR RCC CRC 3、转换电路 1）二进制码转换为循环码 C1C2C3C4Cn R1R2R3R4Rn 11 1iii RC RCC 2）循环码转换为二进制码 R1R2R3R4Rn C1C2C3Cn-1 C1C2C3C4Cn

5、 触发器先清零，J=K=Ri， 111iiiiiii Q CR CR CCR 7.1.2增量编码器 一、结构与工作原理一、结构与工作原理 1组成结构 光源光源 1零位码道A-1条透个狭缝 码盘码盘 三个码道：三个码道： 2增量码道B-m个透光，m个不透光扇区 3辨向码道C-m个透光，m个不透光扇区（B、C错开半个扇 区） 光电元件三个光电元件三个与三个码道对应与三个码道对应 2工作原理 码盘每转一周：光电元件码盘每转一周：光电元件A产生一个脉冲产生一个脉冲 光电元件光电元件B产生产生m个脉冲个脉冲 相位差相位差90 光电元件光电元件C产生产生m个脉冲个脉冲 增量码道、辨向码道等角增量码道、辨向

6、码道等角 距地分布着距地分布着m个区，故每个扇个区，故每个扇 形区对应角形区对应角 ， 增量码道和辨向码道错开增量码道和辨向码道错开 半 个 扇 形 区 ， 对 应 角半 个 扇 形 区 ， 对 应 角 为为 。 1 360 m 分辨率分辨率： 360 /m 360 /490 /mm 二、转向和转角的测量二、转向和转角的测量 1转向判别 正转正转 反转反转 感光先后感光先后 C先感光先感光 B先感光先感光 相位关系相位关系 C超前超前 B超前超前 触发器触发器 Q=1 Q=0 计数器计数器 加计数加计数 减计数减计数 2净转角测量 分辨率分辨率 1 360 m 净转角净转角 与计数结果与计数结

7、果N的关系的关系 1 360 NN m 360 Nm 光栅：很多等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列光电器件。光栅：很多等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列光电器件。 物理光栅物理光栅光谱分析，光波长等测量；光谱分析，光波长等测量； 计量光栅计量光栅长度、角度、速度、加速度、振动等测量。长度、角度、速度、加速度、振动等测量。 计量式光栅传感器：利用两块光栅迭合时所形成的莫尔条纹来进计量式光栅传感器：利用两块光栅迭合时所形成的莫尔条纹来进 行检测或定位的脉冲输出数字传感器。行检测或定位的脉冲输出数字传感器。 光栅式传感器优点：光栅式传感器优点： 1) 1)精度高；精度高； 2) 2)大量程测

8、量兼有高分辨力；大量程测量兼有高分辨力； 3) 3)可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化； 4)具有较强的抗干扰能力。具有较强的抗干扰能力。 a刻线宽度（不透光）刻线宽度（不透光） b缝隙宽度（透光）缝隙宽度（透光） W=a+b光栅节距或栅距光栅节距或栅距 国内常用规格国内常用规格 a=b=(1/2)Wa=b=(1/2)W， 国内些规格：国内些规格：1010条条/mm /mm ，2525条条/mm /mm ，5050条条/mm /mm ，100100条条/mm/mm 125125条条/mm (W=0.008mm/mm (W=0.008m

9、m) （1 1）光源）光源钨丝灯泡或砷化镓发光二极管。钨丝灯泡或砷化镓发光二极管。 （2 2）透镜）透镜光源发出光变成平行光，垂直投射到主光栅上。光源发出光变成平行光，垂直投射到主光栅上。 （3 3）主光栅）主光栅固定光栅常数，亮条宽度和暗条宽度。固定光栅常数，亮条宽度和暗条宽度。 （4 4）指示光栅）指示光栅刻有与主光栅同样刻线密度条纹。刻有与主光栅同样刻线密度条纹。 （5 5）光电元件）光电元件光电池或光敏晶体管。光电池或光敏晶体管。 3、莫尔条纹的形成与特点 1）莫尔条纹形成）莫尔条纹形成 主光栅与指示光栅栅线之间保持很小夹角主光栅与指示光栅栅线之间保持很小夹角，在近乎垂直栅，在近乎垂直

10、栅 线方向上出现了明暗相间的条纹。线方向上出现了明暗相间的条纹。 2 tantan 横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率 莫尔条纹间距莫尔条纹间距 WWBC ABBH 2 sin2 2 sin BH光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 2）莫尔条纹的主要特性： （1)移动方向移动方向： 主光栅右移，条纹下移；主光栅右移，条纹下移； 主光栅左移，条纹上移。主光栅左移，条纹上移。 根据条纹移动大小和方向，判断被测物大小和方向。根据条纹移动大小和方向，判断被测物大小和方向。 （2)移动距离移动距离： 主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，条纹移动一个条纹间距，条纹移动一个条纹间距BH 。

11、莫尔条纹具有放大作用，即莫尔条纹具有放大作用，即B BHW。测量条纹移过距离，测。测量条纹移过距离，测 主光栅的微位移。主光栅的微位移。 （3）平均效应平均效应： 莫尔条纹是由光栅大量刻线共同形成，对光栅刻划误差有平均莫尔条纹是由光栅大量刻线共同形成，对光栅刻划误差有平均 作用，消除光栅刻线不均匀引起误差。作用，消除光栅刻线不均匀引起误差。 3、光电转换电压与光栅位移的关系、光电转换电压与光栅位移的关系 输出电压uo Um Uo abcdefg 位移 x 正 最大负 最大正 最大 两块光栅相对移两块光栅相对移 动，光电元件上光强动，光电元件上光强 随莫尔条纹移动而变随莫尔条纹移动而变 化。化。

12、 a位置，两块光栅刻线位置，两块光栅刻线 重叠，光强最大；重叠，光强最大； 位置位置c，光被遮去一半，光被遮去一半， 光强减少；光强减少； 位置位置d，光被完全遮去，光被完全遮去， 光强为零。光强为零。 输出电压输出电压u由直流分量由直流分量 和幅值为和幅值为 的交流分量叠加的交流分量叠加 0 U m U 0 cos(2/) m uUUx W 主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W W，光电转换电压变化一个周期。，光电转换电压变化一个周期。 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，不能移动 方向，不能判别运动方向。 如果物体正向移动时，将脉冲数累加，物体反向移动时从已累加脉

13、冲数 中 减 去 反 向 移 动 脉 冲 数 ， 得 到 正 确 的 测 量 结 果 。 二、数字转换原理 1.1.辨向原理辨向原理 辨向光路设置 设置两个光电元件设置两个光电元件1和和2，得到两个相位互差，得到两个相位互差90正弦信号正弦信号 两个信号送至辨向电路，测量出光栅移动方向和移动栅距数。两个信号送至辨向电路，测量出光栅移动方向和移动栅距数。 2.2.细分技术细分技术 移动一光栅，产生一脉冲，分辨率为光栅栅距。移动一光栅，产生一脉冲，分辨率为光栅栅距。 细分细分在条纹信号变化一个周期在条纹信号变化一个周期内内，发出，发出n个脉冲，个脉冲，分辨率到分辨率到W/n 主光栅移动一个栅距过程

14、，产生主光栅移动一个栅距过程，产生n个彼此相位差个彼此相位差360/n正弦交流信正弦交流信 号号 360 sin(360),(1,2,) im x uUiin Wn 产生产生n个过零脉冲，与光栅位移个过零脉冲，与光栅位移x对应的过零脉冲计数值为：对应的过零脉冲计数值为： / xx Nn WW n （1）直接细分）直接细分 直接细分（位置细分），常用细分数为4，可用4个依 次相距的光电元件，一个周期内产生4个计数脉冲。 优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单。 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。 方法：在一次相距方法：在一次相距BH/4的位置安放四个光电元件的位置安放四个光电元件 获

15、得相位依次相差获得相位依次相差 的四个正弦信号，一个周期内产生四个计数的四个正弦信号，一个周期内产生四个计数 脉冲，实现四倍频细分。脉冲，实现四倍频细分。 0 90 （2）电阻电桥细分法（矢量和法） 2 21 1 1 21 2 e RR R e RR R U sc )cos( sincos 1 sincos )tan(/ 21 21 i ii sc i UU UeUe RR 电桥细分电路特点电桥细分电路特点 a） 对莫尔条纹信号波形，幅值有严格要求；对莫尔条纹信号波形，幅值有严格要求； b） 可实现动、静态测量；可实现动、静态测量； c) 电路较为复杂，对电路器稳定性有较高要求电路较为复杂，对

16、电路器稳定性有较高要求. Usc 相对于相对于e1延迟了延迟了i，利用该技术设置，利用该技术设置k个电位器设计得到个电位器设计得到k个相位差个相位差 360o/2k的正弦信号，实现细分技术。的正弦信号，实现细分技术。 径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量 当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动， 测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。 三：应用三：应用 7.2.2磁栅 磁栅磁栅测量位移的数字式传感器。测量位移的数字式传感器。 磁栅传感器组成 磁栅：记录有

17、节踞为W的矩形波信号或正弦 波磁信号； 磁头：读取磁栅上磁信号，把磁头相对于磁 栅位移转换为电信号； 检测电路：对电信号变换和细分后输出。 一、磁一、磁栅类型栅类型和结构和结构 1、磁磁栅类型栅类型：长长磁栅磁栅直线直线位移；圆磁栅位移；圆磁栅 角位移角位移 2 2、磁栅的结构、磁栅的结构 磁栅基体磁栅基体（用用不导磁金属材料）不导磁金属材料）上面涂复一层上面涂复一层均匀磁性薄膜，记录节距均匀磁性薄膜，记录节距 为为W W的矩形波或正弦波磁信号。的矩形波或正弦波磁信号。 二、磁头二、磁头 1、动态磁头、动态磁头 速度响应式磁头，运动速度越快，输出信号越大，静止时速度响应式磁头，运动速度越快，输

18、出信号越大，静止时无无 输出。输出。 0 sin(2)cos2 m x ekt W 2、静态磁头、静态磁头 1)激励绕组激励绕组交交变变励磁信号励磁信号 2)2)输出绕组输出绕组感应电动势感应电动势是是 磁栅与磁头相对位置磁栅与磁头相对位置的周期函的周期函 数数 式中：磁栅相对磁头位移；式中：磁栅相对磁头位移； 漏磁通的漏磁通的峰值。峰值。 x m 0 m 三、检测电路三、检测电路 1、动态磁头检测电路、动态磁头检测电路 动态磁头只有一组磁头，输出信号为正弦信号，检测电路较为简单。动态磁头只有一组磁头，输出信号为正弦信号，检测电路较为简单。 2、静态磁头检测电路、静态磁头检测电路 静态磁头一般

19、总是成对使用，两组磁头的安装位置相距静态磁头一般总是成对使用，两组磁头的安装位置相距( n1/4)W。其检测。其检测 电路分为鉴幅式和鉴相式电路分为鉴幅式和鉴相式： （1 1）鉴幅式）鉴幅式 两个磁头励磁绕组加同一励磁电压， 两磁头相距 ，两 磁头输出为正交信号 (1/4)nW 1 sin(2)cos2 m x eUt W 2 cos(2)cos2 m x eUt W 鉴幅得到： 1 sin(2) m x eU W 2 cos(2) m x eU W 送辨向细分电路测出位移x。 幅值为周期信 号，相差90o （2 2）鉴相式）鉴相式 两个磁头励磁电压相位差为/4，磁头输出电压： 1 sin(2

20、)cos2 m x eUt W 用减法器相减得到： 021 sin(22) m x ueeUt W 鉴相电路测量出调相信号相位2x/W，测出位移x。 wt w x Uwt w x Ue mm 2sin)2cos() 4 (2cos)2cos( 2 7.3感应同步器 感应同步器 感应同步器感应同步器利用利用两个平面形印刷电路绕组的互感两个平面形印刷电路绕组的互感 随位置而变化随位置而变化。分为。分为直线直线感应同步器感应同步器和圆和圆感应同步器。感应同步器。 位移位移数字信号数字信号 一、感应同步器的类型一、感应同步器的类型 1.直线式感应同步器 2.旋转式感应同步器 定尺定尺上是连续绕组上是连

21、续绕组 节距节距 为导电为导电片片宽片片宽 为为片间间隔。片间间隔。 222 2()Wab 2 a 2 b 滑尺是滑尺是断续绕组，断续绕断续绕组，断续绕 组分为两组，组分为两组，在空间相差在空间相差 90相角，分别称为相角，分别称为正弦、正弦、 余弦绕组。余弦绕组。 两相绕组中心线距两相绕组中心线距 11 1 () 24 n lW 1.直线式感应同步器 二、感应同步器的结构二、感应同步器的结构 W1为滑尺节距。为滑尺节距。 滑尺滑尺绕组呈绕组呈W形或呈形或呈U形，一般形，一般 。典型的直线式感典型的直线式感 应同步器应同步器 2mm2mm，定尺长，定尺长250mm250mm，滑尺长，滑尺长10

22、0mm100mm。 12 WWW W 使用使用时定滑尺面对面安装，定尺安装在固定不动的部件上，滑时定滑尺面对面安装，定尺安装在固定不动的部件上，滑 尺安装在移动部件上，两者保持一定间隙（大约尺安装在移动部件上，两者保持一定间隙（大约0.25mm）平行移）平行移 动。动。 2.2.旋转式感应同步器旋转式感应同步器 由定子由定子和转子组成。转子绕和转子组成。转子绕 组为连续绕组，定子为断续组为连续绕组，定子为断续 绕组。绕组。 直径直径一般有一般有50mm50mm，76mm76mm， 178mm178mm和和302mm302mm等几种，径等几种，径 向导体数向导体数N N（级数）有（级数）有360

23、360， 720720和和10801080等几种。等几种。 24720 () / 2 rad NNN 1 1(21) ()() 24 nn rad N 转子转子绕组节距为：绕组节距为： 定子分为定子分为正弦余弦两部分正弦余弦两部分，绕组，绕组中心间距为：中心间距为： 一、感应同步器中的互感一、感应同步器中的互感 7.3.2感应同步器工作原理 U型断续绕组施加交变电流，在周围产生交变磁场，导致位于此型断续绕组施加交变电流，在周围产生交变磁场，导致位于此 交变磁场的连续绕组的导线产生感应电动势。交变磁场的连续绕组的导线产生感应电动势。 M的的大小随空间大小随空间相对位置而改变。相对位置而改变。 d

24、i eM dt 相同相同节距的感应绕组和激磁节距的感应绕组和激磁 绕组以很小间隙绕组以很小间隙(0.25mm)(0.25mm)面对面对 面安装在一起，当绕组位置重面安装在一起，当绕组位置重 合时，感应绕组单元内感应出合时，感应绕组单元内感应出 一定的感应电势，平面感应绕一定的感应电势，平面感应绕 组两端点总的感应电势为个单组两端点总的感应电势为个单 元感应导线感应电势之和。元感应导线感应电势之和。 位置重合时，感应电势最大，位置重合时，感应电势最大，E=Emax， 互感互感M取最大正值取最大正值 。 滑尺移过滑尺移过1/4W，相邻感应单元导线空间，相邻感应单元导线空间 磁通全部抵消，磁通全部抵

25、消，E=0，此时互感为零。，此时互感为零。 当滑尺移过当滑尺移过1/2W时，时，E=-Emax，互感，互感M 取最大负值取最大负值 。 0 M 0 M 滑尺移过滑尺移过3/4W时，时，E=0，此时互感为零。，此时互感为零。 0 M 感应电势与位移关系感应电势与位移关系 感应电势：感应电势： 正弦绕组、余弦绕组分别加正弦电压 sin m uUt 互感是相对位移x周期函数M(x)，其周期为W。忽略M(x)其他谐波， 1）正弦绕组 00 2 ( )sinsin s MxMxM W 2）余弦绕组 00 2 ( )coscos c MxMxM W 只考虑电阻R，则激励电流为 /iu R 定尺上产生的感应

26、电动势 2 sincos sm ekUxwt W 2 coscos cm ekUxwt W 其中： 0 /kwMR 适当增大励磁电压将会获得较大的输出电压，但是过大的激励电 压将引起过大的激励电流，会导致温度过高而不能正常工作。 二、感应同步器的激励和检测方式二、感应同步器的激励和检测方式 激励方式激励方式：断断续绕组（正弦绕组、余弦绕组）作激励续绕组（正弦绕组、余弦绕组）作激励 连续绕组取出感应电压连续绕组取出感应电压 输出信号检测方式：输出信号检测方式： 鉴相式鉴相式 用用输出的相位鉴别位移量输出的相位鉴别位移量 鉴幅式鉴幅式 用用输出的幅值鉴别位移量输出的幅值鉴别位移量 1 1、鉴相方式、鉴相方式 输入： sin ism uUt cos icm uUt 2 sincos sm x ekUt W 2 cossin cm x ekUt W 定尺上总感应定尺上总感应电势为电势为： 22 sincoscossin sin() scm mx xx eeekUtt WW kUt 2 x x W 感应电势的相位角