第八章 数字传感器

1、第八章第八章 数字传感器数字传感器 制作时间：2010.09.09修改时间：2011.10.05本章学习的主要内容：本章学习的主要内容：1、光栅式传感器光栅式传感器2、光电编码器光电编码器3、磁栅式传感器磁栅式传感器4、感应同步器感应同步器数字传感器在数控机床中的应用数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部 81 光栅式传感器光栅式传感器 光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。其优点为：用。其优点为：结构简单结构简单测量精度高

2、测量精度高易于实现自动化和数字化等易于实现自动化和数字化等一、光栅的结构和类型一、光栅的结构和类型 n光栅主要由光栅主要由标尺光栅标尺光栅和和光栅读数头光栅读数头两部分构成。两部分构成。n光栅读数头包括：光栅读数头包括： 光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。1分类分类n按运动形式分：按运动形式分： 直线型：主光栅为直尺形直线型：主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型：主光栅为圆盘形旋转型：主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动 按光学形式分：按光学形式分： 透射式：光源与光电元件在两侧透射式：光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式：光源与光电元件

3、同一侧反射式：光源与光电元件同一侧反射光反射光2光栅尺（标尺光栅和指示光栅）光栅尺（标尺光栅和指示光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 指示光栅指示光栅标尺光栅标尺光栅1反射主光栅反射主光栅2指示光栅指示光栅3场镜场镜4反射镜反射镜5聚光镜聚光镜6光源光源7物镜物镜8光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。3光栅读数头光栅读数头（1）反射式光栅）反射式光栅反射式光栅结构图反射式光栅结构图 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。1光源光源2准直透镜准直透镜3主光

4、栅主光栅4指示光栅指示光栅5光电元件光电元件 （2）透射式光栅）透射式光栅透射式光栅结构图透射式光栅结构图旋转式光栅示意图旋转式光栅示意图 光栅传感器实物图光栅传感器实物图扫描头（与移动部件固定）扫描头（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆播放中播放中圆弧莫尔条纹演示单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画光闸莫尔条纹演示播放动画播放动画播放中播放中环形莫尔条纹演示播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹演示播放动画播放动画长光栅莫尔条纹演示播放动画播放动画长光栅光闸莫尔条纹演示播放动画播放动画2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫

5、尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距2sin2sin22HBCWWBAB莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由光由光栅常数与光栅夹角决定栅常数与光栅夹角决定 莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度莫尔条纹的主要特性：莫尔条纹的主要特性：（1）消除光栅刻线不均匀误差）消除光栅刻线不均匀误差 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。F即准确性：大量刻线即准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克克服个别服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度（2）位移的放大特性）位移的放大特性F放大性：夹角放大性：夹角很小很小 B W / W 光学光学放大放大 提高灵敏度提高灵

6、敏度F可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活F同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距一方向对应一方向对应F方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移动方向垂直动方向垂直（3）移动特性）移动特性2cosoavmuUUxW输出信号中直输出信号中直 流分量流分量avU（4）光强与位置关系）光强与位置关系F对应性：莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，对应性：莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化， 便于将电信号作进一步细分，即采用便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技倍频技术术”。注意事项：

7、注意事项：P光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光 栅的安装间隙无关。栅的安装间隙无关。P莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则 光敏元件无法分辨光强的变化。光敏元件无法分辨光强的变化。两两光光电电元元件件相相对对位位置置1、2光电元件光电元件2辨向原理辨向原理去加法计数器去加法计数器去减法计数器去减法计数器辨向电路及输出脉冲图辨向电路及输出脉冲图UZ1UZ2UZ3去加法计数器去加法计数器去减法计数器去减法计数器UZ1UZ2UZ3 脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，脉冲数等于正、反向移动后累加所

8、得的脉冲数，根据正负可以辨向。根据正负可以辨向。得出：得出：被测物体位移栅距被测物体位移栅距脉冲数脉冲数【例例】先正向移动先正向移动11个脉冲，而后反向移动个脉冲，而后反向移动5个脉个脉冲，再正向移动冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移个脉冲，可算出位移8个栅距。个栅距。三、细分技术三、细分技术问题的提出：问题的提出： n如何在现有仪器条件下提高分辨力？如何在现有仪器条件下提高分辨力？ 在选择合适的光栅栅距的前提下，对栅距进行测在选择合适的光栅栅距的前提下，对栅距进行测微，电子学中称微，电子学中称“细分细分”，来得到所需最小读数值。，来得到所需最小读数值。n细分：细分：在莫尔条纹变化一周期时，等

9、间距输出若干个在莫尔条纹变化一周期时，等间距输出若干个脉冲，提高了分辨力。脉冲，提高了分辨力。电桥细分法（矢量和法）电桥细分法（矢量和法）112212zLe ge gUggg11220e ge g若电桥平衡，若电桥平衡，UZ=0，有，有e1、e2相位差相位差90度，光栅度，光栅位置位置x2 xW12sincoseUeU有和令令 12sincosRR 则过零触发器过零触发器uo1uo2三自由度光栅数显表三自由度光栅数显表四、光栅数显装置四、光栅数显装置 1读数头读数头 ；2壳体；壳体；3发光发光接受线路板；接受线路板；4指示光栅座；指示光栅座；5指示光栅；指示光栅；6光栅刻线；光栅刻线；7光栅尺

10、；光栅尺；8主光栅主光栅 结构示意图结构示意图光栅数显装置结构示意图及电路原理框图光栅数显装置结构示意图及电路原理框图 国产光栅数显装置的国产光栅数显装置的LSI芯片组成：芯片组成： 1、光栅信号处理芯片（、光栅信号处理芯片（HKF 710502）主要功能：完成输入信号的同步；整形；四细分；主要功能：完成输入信号的同步；整形；四细分； 辨向；加减控制；参考零位信号的处辨向；加减控制；参考零位信号的处 理；记忆功能的实现和分辨力的选择等。理；记忆功能的实现和分辨力的选择等。 2逻辑控制芯片（逻辑控制芯片（HKE 701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成主要功能：为整机提供高频和低频

11、脉冲；完成BCD 译码；译码；XJ校验以及超速报警。校验以及超速报警。 3可逆计数与零位记忆芯片（可逆计数与零位记忆芯片（HKE 701201）主要功能：接受计数脉冲，完成可逆计数；接受参主要功能：接受计数脉冲，完成可逆计数；接受参 考零位脉冲，使计数器确定参考零位的考零位脉冲，使计数器确定参考零位的 数值，同时也完成清零、置数、记忆等数值，同时也完成清零、置数、记忆等 功能。功能。 1位置测量位置测量五、光栅式传感器的应用五、光栅式传感器的应用 机床导轨位置检测动画演示机床导轨位置检测动画演示2测长仪测长仪光栅式万能测长仪工作原理图光栅式万能测长仪工作原理图 8 2 光电编码器光电编码器 编

12、码器是将编码器是将直线直线运动和运动和转角转角运动变换运动变换为数字信号进行测量为数字信号进行测量的一种传感器。有光的一种传感器。有光电式、电磁式和接触电式、电磁式和接触式等各种类型。式等各种类型。1构造类型构造类型转动方式转动方式 直线直线 线性编码器线性编码器 转动转动 转轴编码器转轴编码器 光束形式光束形式 透射式透射式 反射式反射式 光电编码器的分类光电编码器的分类 2信号性质信号性质 增量式增量式 辨别方向辨别方向零位信号零位信号 绝对式绝对式 绝对式编码器绝对式编码器 可辨向的增量式可辨向的增量式编码器编码器 不可辨向的脉冲不可辨向的脉冲发生器发生器 有零位信号有零位信号 无零位信

13、号无零位信号 3. 混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上。信号航空插头信号航空插头光电编码器外形图光电编码器外形图空心轴光电编码器 拉线式角编拉线式角编码器，利用线轮码器，利用线轮能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。其他光电编码器外形图其他光电编码器外形图转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC一、增量式光电编码器一、增量式光电编码器结构示意图结构示意图l均匀分布透光槽的编均匀分布透光槽的编 码盘码盘2LED光源光源3光栏板上狭缝光栏板上狭缝4sin信号接

14、收器信号接收器5cos信号接收器信号接收器6零位读出光电元件零位读出光电元件7转轴转轴8零位标记槽零位标记槽增量式编码器原理动画演示增量式编码器原理动画演示1辨向信号和零标志辨向信号和零标志 在前图的码盘里圈，还有一个狭缝在前图的码盘里圈，还有一个狭缝C，每转，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。或零标志脉冲，作为测量的起始基准。 光栏板上的两个狭光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（狭缝距离的（m +1/4）倍，倍，m 为正整数，并设为正整数，并设置了两组光敏元件置了两组光敏元件A

15、、B，又称为又称为sin、cos元件。元件。 测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数与码盘圆周上的狭缝条纹数 n 有关，即最小能分有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：辨的角度及分辨率为： 360n1 n2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分辨力及分辨率分辨力为分辨力为分辨率为分辨率为二、绝对式光电编码器二、绝对式光电编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式

16、光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。编码盘上码道的条数就是数码的位数。 绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器原理动画演示绝对式光电编码器的结构示意图绝对式光电编码器的结构示意图1光源；光源；2透镜；透镜；3编码盘；编码盘；4狭缝；狭缝；5光电元件光电元件 a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8码道）码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）码道） 绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这

17、与码盘上的码道数最小角度，这与码盘上的码道数 n 有关，即最小能分有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：辨的角度及分辨率为： 分辨力分辨力 分辨率分辨率为了避免位置不分明而引起的为了避免位置不分明而引起的粗大误差粗大误差，可采，可采用格雷码（用格雷码（Groy code）图案的编码盘。）图案的编码盘。3602n1 2n格雷码和自然二进制码的比较表格雷码和自然二进制码的比较表D十进制十进制B二进制二进制R格雷码格雷码D十进制十进制B二进制二进制R格雷码格雷码01234567000000010010001101000101011001110000000100110010011001110101010

18、0891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000绝对式光电编码器测角仪原理图绝对式光电编码器测角仪原理图1光源；光源；2聚光镜；聚光镜；3编码盘；编码盘；4狭缝光阑狭缝光阑透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志增量式增量式绝对式绝对式增量式、增量式、绝对式有绝对式有何区别？何区别？1位置测量位置测量三、光电编码器的应用三、光电编码器的应用光光电电编编码码器器位位置置测测量量动动画画演演示示 轴环式数显表外形图轴环式数显表外形图1数显面板数显面板 2轴环轴环 3穿轴孔穿轴孔 4电源

19、线电源线 5复位机构复位机构工位定位示意图工位定位示意图1绝对式编码器绝对式编码器2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 数数控控加加工工中中心心在数控加工中心的刀库选在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用刀控制中的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出角编码器的输出为当前刀具号为当前刀具号用不同的刀具加工复杂的工件用不同的刀具加工复杂的工件2转速测量转速测量光电编码器转速测量动画演示光电编码器转速测量动画演示在伺服电机中的应用在伺服电机中的应用应用方面：应用方面：转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量1、分辨率： 与

20、位置精度有关2、外观尺寸： 与安装空间的关系3、轴允许负重： 与寿命、安装状况的关系4、允许最大转数（最高响应频率）： 马达等驱动轴的转数与分辨率的关系5、输出相位差： 与NC机械等用的控制部分的匹配情况6、对环境的适应性： 与使用环境的关系7、增量型、绝对值型： 考虑到成本，看在切断电源时能否检测绝对值位置。有无计数器、抗噪音性能如何等。光电编码器的选择光电编码器的选择1、机械部分 1） 测长度还是测角度； 2） 轴连接安装形式； 3） 使用环境，粉尘，水气，震动，撞击。2、电气部分 1） 连接的输出接收部分； 2） 信号形式； 3） 分辨率要求； 4） 控制要求。 *绝对式编码器的问题 *

21、绝对值编码器：每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆。光电编码器使用注意事项光电编码器使用注意事项 8 3 磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅优点：磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接 长；长；易安装和调整、抗干扰能力强。易安装和调整、抗干扰能力强。 大尺寸磁栅尺外形图大尺寸磁栅尺外形图一、磁栅的组成及类型一、磁栅的组成及类型 1磁栅的组成磁栅的组成 磁栅传感器是由磁栅（简称磁尺）、磁头磁栅传感器是由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。和检测电路组成。 l磁尺；磁尺；2尺基；

22、尺基；3磁性薄膜；磁性薄膜；4铁心；铁心；5磁头磁头磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理去信号处理电路电路固定孔固定孔2磁栅的类型磁栅的类型长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量直线位移）（测量角位移）（测量角位移）尺形尺形带形带形同轴形同轴形1磁头磁头 2磁栅磁栅 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5软垫软垫磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头德国德国SIKO 磁栅尺磁栅尺磁头与磁头与磁尺相磁尺相对运动对运动时的输时的输出波形出波形二、磁栅传感器的工作原理二、磁栅传感器的工作原理 1基本工作原理基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示磁栅传感器工作原理动画演

23、示式中：式中：Em感应电势的幅值感应电势的幅值 W磁栅信号的节距磁栅信号的节距 x机械位移量机械位移量 tWxEEmsin2cos 磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：分，可用下式表示：2信号处理方式信号处理方式 当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：两磁头输出绕组的输出信号为： tWxEEmsin2cos1tWxEEmsin2sin2Wx2xWx2式中：式中： 机械位移相角，机械位移相角， 将第二个磁头的电压读出信号移相将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头，两磁

24、头的输出信号则变为：的输出信号则变为： 将两路输出相加，则获得总输出：将两路输出相加，则获得总输出： tWxEEmsin2cos1tWxEEmcos2sin2)2sin(WxtEEm（1）鉴相方式）鉴相方式 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？ 利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。与磁尺的相对位置的信号处理方式。 经检波器去掉高频载波后可得经检波器去掉高频载波后可得 ： （2）鉴幅方式）鉴幅方式 WxEEm2

25、cos1 WxEEm2sin2 与光栅的信号辨向、细分一致。与光栅的信号辨向、细分一致。鉴幅型磁栅传感器的原理框图鉴幅型磁栅传感器的原理框图 磁栅数显装置的结构示意图磁栅数显装置的结构示意图1磁性标尺磁性标尺 2磁头磁头 3固定块固定块 4尺体安装孔尺体安装孔 5泡沫垫泡沫垫 6滑板安装孔滑板安装孔 7磁头连接板磁头连接板 8滑板滑板三、磁栅数显装置三、磁栅数显装置 国产磁栅数显装置的国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：芯片组成： 1磁头放大器（磁头放大器（SF023）2磁尺检测专用集成芯片（磁尺检测专用集成芯片（SF6114）主要功能：两输入信号的放大；通道主要功能：两输入信号的放大；通道B信

26、号移相信号移相 900；通道；通道A和通道和通道B信号求和放大；补信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显偿两只磁头特性所需的调整和来自数显 表供给两只磁头的励磁信号。表供给两只磁头的励磁信号。 主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大； 供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号 经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。位微调。 4可逆计数芯片（可逆计数芯片（WK50395）。）。3磁尺细分

27、专用集成芯片（磁尺细分专用集成芯片（SIM011）；）；主要功能：对磁尺的节距主要功能：对磁尺的节距W200m实现实现200或或40 或或20等分的电气细分，从而获得等分的电气细分，从而获得1、5、 10m的分辨力（最小显示值）。的分辨力（最小显示值）。 该芯片带有比较寄存器和锁存器的该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道沟道MOS六位十进制同步可逆计数六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位显示驱动器。可以逐位用用BCD码置数，及有异步清零功能。码置数，及有异步清零功能。 1磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺四、磁栅式传感器的应用四、磁栅式传感器的应用 数显数显磁栅在磨床测长

28、系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺2应用实例应用实例 84 感应同步器感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）（参考航天数显中心）优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。工艺简单。用途：可用来测量直线或转角位移。用途：可用来测量直线或转角位移。分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。转角位移的称圆感应同步器。 一、感应同步器的结构和类型

29、一、感应同步器的结构和类型 圆盘式感应同步器示意图圆盘式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图1结构结构定尺与滑尺绕组关系图定尺与滑尺绕组关系图 感应同步器的解剖图感应同步器的解剖图2类型类型直线式直线式旋转式（圆盘式）旋转式（圆盘式）带型带型 标准型标准型窄型窄型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表直线式感应同步器的尺寸和精度一览表 种种 类类定尺尺寸定尺尺寸（mmmm）滑尺尺寸滑尺尺寸（mmmm）测量周期测量周期（mmmm）精度精度(m)(m)标准型标准型250589.5100739.521.52.5窄窄 型型250309.574359.522.55带带 型型(2002000)19210带型感应同步器外形图带型感应同步器外形图（参考东方仿真）（参考东方仿真）二、感应同步器的工作原理二、感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示感应同步器原理动画演示 在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为中便产生感应电势，其值为 tKUdtdiKEmcos 设感应线圈设感应线圈 A的中心从励磁线圈中心右移的的中心从励磁线圈中心右移的距离为距离为x ，则感应电动势为，则感应电