chapter6数字传感器编码器课件

1、数字传感器的特点精确度和分辨力高；抗干扰能力强，便于远距离传输；信号易于计算机处理和存贮；可以减少读数误差。第1页，共38页。数字传感器的分类根据工作原理分为：脉冲数字式传感器如光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等频率输出式数字传感器如振弦式、振筒式和振膜式传感器第2页，共38页。6.1 码盘式传感器光学码盘式的组成 由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。 第3页，共38页。 编 码 器 (Encoder) 机械转动的模拟量(位移) 数字信号(代码) 编码器：码盘（测角度）和码尺（测长度） 6.1 码盘式传感器第4页，共38页。6.1 码盘式传感器编

2、码器 脉冲盘式编码器(增量编码器) 码盘式编码器(绝对编码器) 接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 第5页，共38页。6.1 码盘式传感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加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，能方便地与数字系统（如微机）连接。 第6页，共38页。6.1 码盘式传感器编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等， 后两种为非接触式编码器。非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，光

3、电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。第7页，共38页。6.1 码盘式传感器图6-1 a）接触式 b）光电式1 光源 2 透镜 3 码盘 4 狭缝 5 光电元件 6 电刷 7 激励轨道第8页，共38页。6.1 码盘式传感器接触式 二进制码盘很简单，但在实际应用中对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会出现错误。例如，当电刷由位置(0111)向位置(1000)过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，就可能会出现815之间的任意一个十进制数，这种误差称为

4、非单值性误差。 为了消除这种误差,可采用双电刷扫描或循环码。第9页，共38页。6.1.1 工作原理光学码盘 光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。图6-2 光学码盘式传感器基本结构图第10页，共38页。6.1.1 工作原理由光源1发出的光线，经柱面镜2变成一束平行光或会聚光，照射到码盘3上。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着的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在元件5上。第11页，共38页。6.1.1 工作原理码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道， 每位码道

5、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。码盘构造如图6-3所示，它是一个6位二进制码盘。图6-3 码盘构造第12页，共38页。6.1.1 工作原理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。第13页，共38页。6.1.2 码制与码盘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。 对于图6-3所示的6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透

6、光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000(全黑)；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。第14页，共38页。6.1.2 码制与码盘 二进制码盘的特点n位二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n最小分辨力1=36002n最外圈角节距为21 ；二进制码为有权码。第15页，共38页。6.1.2 码制与码盘 二进制码盘的缺点高分辨率的码盘加工困难 易产生衍射；刻划误差（粗大误差）。 第16页，共38页。6.1.2 码制与码盘采用二进制编码器时，任何微小的制作误差

7、，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。第17页，共38页。6.1.2 码制与码盘消除粗大误差的方法第一种方法是采用双电刷，此法在工艺上和电路上都比较复杂，故很少采用。第二种方法是采用循环码代替二进制码。第18页，共38页。6.1.2 码制与码盘为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。第19页，共38页。6.1.2 码制与码盘从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数

8、误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。 由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。第20页，共38页。6.1.2 码制与码盘图6-4所示的是一个6位的循环码码盘。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。图6-4 六位循环码码盘第21页，共38页。6.1.2 码制与码盘 循环码码盘的特点n位循环码码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n最小分辨力1=36002n最外圈角节距为41 ；循环码为无权码；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。第22页，共38页。6.1.3

9、二进制码与循环码转换循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。 按表6-1 所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为： 或 式中：R 循环码； C 二进制码。 (6-1)第23页，共38页。6.1.3 二进制码与循环码转换根据上式用与非门构成循环码-二进制码转换器，这种转换器所用元件比较多。如采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码或任意进制码。第24页，共38页。6.1.3 二进制码与循环码转换二进制码转换成循环码 图6-5 (a) 并行变换电路 (b)串行变换电路第25页，共38页。6.1.3 二进制码与循环码转换循环码转换成二进制码的电路图6-

10、6 (a) 并行变换电路 (b)串行变换电路第26页，共38页。6.1.3 二进制码与循环码转换大多数编码器都是单盘的，全部码道则在一个圆盘上。但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精度也难以达到。如要达到1左右的分辨率，至少采用 20 位的码盘。对于一个刻划直径为 400mm的20位码盘，其外圈分划间隔不到1.2m，可见码盘的制作不是一件易事，而且光线经过这么窄的狭缝会产生光的衍射。这时可采用双盘编码器， 它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。第27页，共38页。6.1.4 应用图6-7 光学码盘测角仪原理图第28页，共38页。6.1.4 应用光源1通

11、过大孔径非球面聚光镜2形成均狭长的光束照射到码盘3上。根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面的一排光电元件出相应的电信号。该信号经放大、鉴幅、整形后,再经当量变换,最后进行译码显示。纠错和寄存电路在需要时采用。第29页，共38页。6.1.4 应用编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，例如一个14位的码盘,其分辨力为360/2n=1l9。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。第30页，共38页。当量变换电路图6-8 当量变换实例第31页，共38页。当量变换电路工作之前，先把二进制计数器与脉冲当量变换计数器同时复零，将码盘来的二进制编码信号(若为循环码盘，先变为二进制码信号)输入。这时振荡器D1发出的计数脉冲通过与门D2同时进入这两个计数器。每进一个脉冲，当量变换计数器所计之数增大1，图中按14位码盘安排，分值计数板进1个脉冲，秒值的十位与个位分别进1个和9个脉冲，128进制计数单元进13个脉冲。各计数单元之间具有进位关系。第32页，共38页。当量变换电路第33页，共38页。6.1.4 应用当二进制计数器所计之数与二进制编码输