第十讲 几种常用的数字传感器

1、2022-4-271第十讲第十讲 常用的常用的数字式传感器数字式传感器 学习几种常用数字式传感器的结构、原理，学习几种常用数字式传感器的结构、原理，如计量光栅、编码器如计量光栅、编码器，并讨论在直线位移和角，并讨论在直线位移和角位移中测量、控制的应用。位移中测量、控制的应用。2022-4-272一、光栅一、光栅 光栅式由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。1 1、光栅的类型和结构、光栅的类型和结构 光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。 计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。 2022-4-273扫描头扫描头（与移动部件固定）（

2、与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构2022-4-274透射式光栅透射式光栅2022-4-2752022-4-276反射式光栅反射式光栅2022-4-277透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定2、工作原理 光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为Wa + b。通常取a = bW /2。 光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹 若将两块光栅(主

3、光栅、指示光栅)叠合在一起，并使刻线之间成很小的角度，如右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。 如果改变角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距B与栅距W和夹角有如下关系：2BWWWBW22 tg2cosWW WWWWB2sin22 tg2cos22 tg2 当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。 越小，B越大，即莫尔现象具有使栅距放大的作

4、用。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。2022-4-2710莫尔条纹莫尔条纹演示演示2022-4-2711莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用光学放大作用举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示，主光栅与指示光栅的夹角光栅的夹角 =1.8 ，则：，则： 分辨力分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍： B W/ = 0.02mm/（

5、1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变化。光强的变化。 3、光电转换 光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图 (a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图 (b)所示的输出波形。WxUUUm2sin0 光

6、敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：2022-4-2713（1 1）直接细分）直接细分 细分技术能在不细分技术能在不增加光栅刻线数及价增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用个栅距的大小。采用4 4细分技术后，计数细分技术后，计数脉冲的频率提高了脉冲的频率提高了4 4倍，相当于原光栅的倍，相当于原光栅的分辨力提高了分辨力提高了3 3倍，倍，测 量 步 距 是 原 来 的测 量 步 距 是 原 来 的1/41/4，较大地提高了，较大地提高了测量精度。测量精度。细分前细分前细分后细分后4、细分

7、技术、细分技术2022-4-2714光栅细分光栅细分举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分细分，则：，则： 分辨力分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，采用细分技术，在不增加光栅在不增加光栅刻线数刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。倍。2022-4-2715cos()iimiuKU（二）电位器桥细分（二）电位器桥细分12cos ,sinmmeUeU若： 则 ：1cossiniiiKtaniiiRR2022-4-27165 5、辨向电路及波形、辨向电路及波

8、形 如果传感器只安装一套光电元件，则如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。号，无法分辨位移的方向。 例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反圈，反转转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到错误地得到14336个脉冲，而正确值为：个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。2022-4-2717正向运动正向运动产生产生加法脉冲加法脉冲 正向正向运动时，运动

9、时，与与门门IC2无无“减减”计数脉计数脉冲输出。冲输出。2022-4-2718光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表编码器具有高精度、高分辨率和高可靠性，用于位移测量。按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。旋转式编码器有两种增量编码器和绝对编码器增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。 绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。最简单的绝对编码器是接触式编码器 旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效、直接的数字式传感器。二、编码器二、编码器1 1、接触式编码器、接

10、触式编码器2022-4-2722绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制码盘位二进制码盘 +5V +5V输入公共码道输入公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 2 2、旋转式光电编码器、旋转式光电编码器（1 1）增量式旋转光电编码器）增量式旋转光电编码器 工作原理工作原理增量编码盘一般只需3条码道；最外圈的码道均布透光与不透光的扇形区，是用来产生计数脉冲的增量码道；中间码道有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇区，为辨向码道；第三圈码道只有一条透光的狭缝，作为基准位置，给计数系统提供初始零位信号；2022-4-2725增量式光电编码器的

11、分辨力及分辨率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测量精度取决于它所能分辨的最小角增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n n 有关，即最小能分辨有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：的角度及分辨率为： 2022-4-2726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（2 2）绝对式光电编码器）绝对式光电编码器 测量原理测量原理min3602n光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形。它们相当于接触式

12、编码器码盘上的导电区和绝缘区。编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号。 2022-4-2729绝对式光电编码器绝对式光电编码器 a a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8 8码道）码道） b 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 4码道）码道） 高位高位低位低位2022-4-2730绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的分辨力及分辨率

13、绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数小角度，而这与码盘上的码道数n n 有关，即最小能分辨的有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：角度及分辨率为： =360/2n分辨率分辨率=1/2n循环码盘（格雷码）循环码盘（格雷码）1 1）编码规则）编码规则 将二进制码右移一位并舍去将二进制码右移一位并舍去最末位与原二进制做不进位加最末位与原二进制做不进位加法（异或）。法（异或）。2 2）特点）特点 相邻两个数码之间只有一位相邻两个数码之间只有一位变化。变化。2022-4-2733格雷码 自然二进制码可以直接由数/模转换器转

14、换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化，大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。 转换方法: 二进制码-格雷码（编码）：从最右边一位起，依次将每一位与左边一位异或(XOR)，作为对应格雷码该位的值，最左边一位不变(相当于左边是0)； 格雷码-二进制码（解码）：从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依然不变）. 3 3、光电编码器的

15、应用、光电编码器的应用（1 1）在数控机床中的应用）在数控机床中的应用（2 2）角度及转速的测量）角度及转速的测量 脉冲频率法脉冲频率法脉冲周期法脉冲周期法 测量的是平均转速，分辨率由被测速度而变，精度取决于计数时间间隔，不适宜低转速的测量 转速较高时分辨率较低，但可给出瞬时速度（3）测量线位移 在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度。 2022-4-2737（4）M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）T 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，在个脉冲，在T 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生，个脉冲产生，则转速（则转速（r/min)为为 ：n = 60m1/（NT） m12022-4-2738（5 5）编码器在数控加工中）编码器在数控加工中心的刀