光电数字传感器-10PPT幻灯片

10.1数字编码器种类：角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）10.1角度数字编码器（码盘）10.1.1光电式绝对编码器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。1－光源2－柱面镜3－码盘4－狭缝5－元件2)码盘和码制6位二进制码盘根据码盘的起始和终止位置可确定转角，与转动的中间过程无关。

(a)四位二进制码盘展开图(b)采用双读数头消除粗大误差的示意图(1)n位循环码码盘有2n种不同编码；(2)循环码码盘有轴对称性，其最高位相反（对称轴不同），其余各位相同；(3)循环码为无权码；(4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗差。六位循环码码盘3)二进制码与循环码的转换4位二进制码与循环码的对照表式中R——循环码；C——二进制码；

i——所在的位数,i=0~n-1；——不进位“加”，即异或。二进制码转换为循环码的电路

(a)并行变换电路(b)串行变换电路循环码转变为二进制码的电路

(a)并行变换电路(b)串行变换电路循环码是无权码，直接译码困难，一般先转换为二进制码，再译码。

4）单盘与多盘编码器*单盘编码器: 全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当位数要求增多时，若要求有很高分辨力，则制造困难，圆盘直径也要大。采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组，则可大大提高分辨率，且可用来测定转速。10.1.2脉冲（增量）盘式编码器工作原理脉冲盘式编码器示意图辨向原理相位相差T/4的两光敏元件（内、外圈）得到同频、固定相差的信号，由正反转导致的两信号的超前或滞后信息可得到方向信息。由零位即基准位信号得到初始位信息。2.光电式编码器的应用(1)位置测量轴环式数显表外形随着编码方式的不断改进和加工技术不断提高，编码器日渐小型化、智能化。光电编码器作为角度测量传感器，已被广泛应用于数控机床、机器人、炮弹指挥仪、雷达等转角模数转换系统中。

光学码盘测角仪的原理图1－光源2－大孔径非球面聚光镜3－码盘4－狭缝5－光电元件脉冲当量变换*编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器总希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当量变换电路。(2)转速测量式中t——测速采样时间；

N1——t时间内测得的脉冲个数；

N——编码器每转脉冲数（与所用编码器型号有关）。光电编码器测速原理式中N——编码器每转脉冲数；

N2——编码器一个脉冲间隔内标准时钟脉冲输出个数;

T——标准时钟脉冲周期，s。2——编码器脉冲（方波）为高时时钟信号才通过。10.2光栅传感器光栅传感器的结构莫尔条纹形成的原理莫尔条纹技术的特点光栅的光路辨向原理细分技术*10.2.1光栅传感器结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。

光栅副：指示光栅＋主光栅a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2光电元件

可选光电池和光敏三极管等。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。莫尔条纹（Moire）W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2

均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动10.2.2莫尔条纹形成的原理.2莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定特例：当=0,w1=w2

→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2

→纵向莫尔条纹.3莫尔条纹技术的特点方向性：垂直于角平分线，夹角很小时→垂直光栅移动方向同步性：光栅移动一个栅距→条纹移动一个间距→方向对应放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性：大量刻线→光电元件对刻线误差有平均效应→克服刻线的局部误差和周期误差，对精度无直接影响→提高精度，可得到比光栅本身刻线精度高的测量精度----用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。

可扩展性:莫尔条纹光强变化近似正弦变化→便于细分电信号即采用“倍频技术”----提高测量精度或可采用较粗的光栅。.4光栅传感器分类与结构原理按运动形式分：直线型---主光栅为直尺形→直线移动旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式---光源与光电元件在两侧→透射光反射式---光源与光电元件同一侧→反射光光栅传感器特点①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（米），反射式---几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂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，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。.5光栅的光路*（1）透射式光路1-光源2-准直透镜3-主光栅4-指示光栅5-光电元件

此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。（2）反射式光路1反射主光栅2-指示光栅3-场镜4-反射镜5-聚光镜6-光源7-物镜8-光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。.6辨向原理* 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗变化，不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。 如果能在物体正向移动时，将所得脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，就能得到正确测量结果。辨向光路设置在相距的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90°(T/4)的正弦信号辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器可辨向。辨向电路各点波形图u2u1.7细分技术*提高分辨力方法 选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，得到所需的最小读数值。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。

（1）直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距四分之一周期的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。

优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周