传感器应用技术 课件 项目九 基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作

项目九 基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作增量式编码器的结构组成：它由检测头、脉冲编码器以及发光二极管的驱动电路和光敏三极管的光电检测电路组成。在一个圆盘的边缘上开有相等角度的细缝（分透明和不透明两种），在开缝圆盘两边安装光源及光敏元件。增量式编码器工作原理：在圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件就产生一次电信号的变化，再经过整形放大，可以得到一定幅度和功率的电脉冲输出信号（脉冲数=转过的细缝数）。将脉冲信号送到计数器中去进行计数，则计数码就能反映圆盘转过的转角。增量式编码器下图给出了变相环节的逻辑电路框图。采用两套光电转换装置，这两套光电转换装置在空间的相对位置有一定的关系，保证它们产生的信号在相同位置上相差1/4周期，将得到的两路信号（相位相差900）经放大整形后，脉冲编码器输出两路方波信号。增量式编码器正转时，光敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门DA1有输出，将加减控制器触发器使可逆计数器的加减母线为高电位。同时，DA1的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的输入端，计数器进行加法计数。反转时，光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数。这样就可以区别旋转方向，自动进行加法减法计数，它每次反映的都是相对于上次角度的增量。增量式编码器增量式编码器增量式编码器如图所示，通道A和通道B的信号的周期相同，且相位相差1/4个周期，结合两相的信号值：当B相和A相先是都读到高电平（1

1），再B读到高电平，A读到低电平（1

0），则为顺时针转当B相和A相先是都读到低电平（0

0），再B读到高电平，A读到低电平（1

0），则为逆时针转除通道A、通道B

以外，还会设置一个额外的通道Z

信号，表示编码器特定的参考位置，如图所示，传感器转一圈后Z

轴信号才会输出一个脉冲，在Z轴输出时，可以通过将AB通道的计数清零，实现对码盘绝对位置的计算。增量式编码器增量式编码器的工作特点：1、只有当设备运动时才会输出信号。2、一般会输出通道A和通道B

两组信号，并且有90°

的相位差（1/4个周期），同时采集这两组信号就可以计算设备的运动速度和方向。增量式编码器世界上第一台光纤编码器是如何诞生的？2003年，瑞士。Doppelmayr/Garaventa公司需要一个“光纤”编码器，可对雷电免疫，并能在长距离内运行。这个需求促使研发公司经过不断的研究实验，最终Micronor与控制器供应商Frey

AG合作开发了第一个光纤增量编码器(现为HK-MR346)由此可见，创造往往来源于解决问题的实践中。项目九 基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作码盘式编码器，也叫绝对式编码器。在总体结构上与增量式比较类似，都是由码盘、检测装置和放大整形电路构成，但是具体的码盘结构和输出信号含义不同。盘式角度—数字编码器是按角度直接进行编码的传感器。这种传感器是把码盘装在检测轴上，按结构可把它分为：接触式、充电式、电磁式等几种。编码方式一般采用自然二进制、格雷码或者BCD

码等。码盘式编码器码盘式编码器码盘结构如图所示：码盘式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。码盘式编码器码盘式编码器1.码盘利用若干透光和不透光的线槽组成一套二进制编码，这些二进制码与编码器转轴的每一个不同角度是唯一对应的。2.绝对式编码器的码盘上有很多圈线槽，被称为码道，每一条（圈）码道内部线槽数量和长度都不同。它们共同组成一套二进制编码，一条（圈）码道对应二进制数的其中一个位（通常是码盘最外侧的码道表示最低位，最内侧的码道表示最高位）。3.码道的数量决定了二进制编码的位数，一个绝对式编码器有N

条码道，则它输出二进制数的总个数是2的N次方个。4.读取这些二进制码就能知道设备的绝对位置，所以称之为绝对式编码器。码盘式编码器工作原理：图中L.S.B表示低数码道，1.S.B表示1数码道，2.S.B表示2数码，以此类推。黑色部分表示高电平1，使用时将这部分挖掉，让光源投射出去，以便通过接收元件转换为电脉冲；白色部分表示低电平0，使用时这部分遮断光源，以便接收元件转换为低电平脉冲。在AO直线上，每个数码道设置一个光源，如发光二极管。编码盘的转轴O可直接利用待测物的转轴。待测的角位移可由各个码道上的二进制数表示，如OB直线上的三个数码道所代表的二进制数码为010.但在直线OA位置上时，二进制数码可能产生较大误差。在低数码道L.S.B时，这种误差仅为1和0之间的误差，如在数码道2.S.B时，有可能出现000，111和110等误差。这种现象称错码，码盘设计时可通过编码技术和扫描方法解决。码盘式编码器码盘式编码器码盘式编码器编码盘的结构虽然结构较简单，但对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要求十分严格，否则就会出锗。例如：当电刷由

h（0111）i（1000）过度时，如电刷位置安装不准，可能出现8—15之间的任一十进制数，这种误差属于非单值性误差。清除非单值误差的方法：方法1：采用双电刷、工艺电路上都比较复杂，故很少采用。方法2：采用循环码代替二进制码。由于循环码的相邻的两个数码间只有一位时变化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。码盘式编码器码盘式编码器增量型与绝对值型编码器的主要区别：①增量型编码器是在机械轴旋转时，每旋转经过一个固定的角度间隔，交替输出一组脉冲编码。②绝对值型编码器则始终是基于机械轴当前所在的角度，持续输出其旋转位置编码。码盘式编码器绝对编码器应用场合：纺织机械、灌溉机械、造纸印刷、水利闸门、机器人及机械手臂、港口起重机械、钢铁冶金设备、重型机械设备、精密测量设备、机床、食品机械等都有绝对编码器的应用。若没有特殊要求，在测量物料进给距离时，就没有必要采用绝对值反馈，为了提升测量精度，可以使用单圈绝对值编码器。如果要实现对物体的位置测量，就可以考虑使用多圈绝对值型编码器，来确保位置和精度达到使用要求。码盘式编码器绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。增量式编码器机床旋转编码器机床旋转编码器属于编码器中较为特殊的一种，它通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，用来测量转速并配合PWM技术可以实现快速调速，是工业中常用的电机定位设备，可以精确的测试电机的角位移和旋转位置。我国的编码器技术发展现状：目前来看的话国内对核心技术的掌控还是和国外有一定的差距。简单来说，国内现如今还不能做出精度较高的绝对值编码器，最直接的原因就是在码盘上刻线的技术还不够成熟，导致编码器的分辨率不够高，达不到现如今一般厂家的要求。如今德国“工业4.0”发布后，国内也开始实施“中国制造2025”计划，其主要目的是借鉴国外技术发展自我品牌。但国外厂商对技术的保密以及国产市场现状的不友好使得创造自主品牌这条路十分难走，然而许多企业还是毅然决然地踏上了路程。虽然也是为了跟上当下自主品牌发展的趋势，但我们明白只有依靠自己，才能走得更远。增量式编码器我国的编码器技术发展现状：增量式编码器国产编码器进口编码器项目九 基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作我们需要先了解激光干涉现象是什么？激光与普通光不一样，是单色光，是某物质的电子能量跃迁产生的，所以它的振动频率很单一，波动方向也恒定，是干涉光波。用干涉实验来说明。下面图中的一束激光，经过两个小孔得到两个同样性质的光，于是它们在传播过程中叠加了，有的地方振动始终加强，某些地方的震动始终减弱，而且振动强度有着稳定的空间分布。在固定位置接收到的光强按一定规律作强弱交替变化，形成激光的干涉条纹。角度传感器角度传感器激光角度测量传感器，采用迈克尔逊干涉原理，用两路光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。在此原理基础之上发展起来的角度测量系统致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。经过改进后可以测量大约90度的角度，但各种误差因素随着所测角度的增大而急剧增加，因此该系统的测量范围限制在几度内，在此范围内具有极高的测量准确度。角度传感器采这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如图所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增加干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角，灵敏度可达0.002''。角度传感器角度传感器激光角度测量的光路原理角度传感器激光角度测量技术的应用利用激光的干涉现象能够用于检测的原理，制作出多种激光测量仪。利用激光测量仪，可以方便地测量角度、直线度、垂直度、弯曲度等几何量，可以指导高精度设备的安装，检测其工作精度，检测其运动导轨的俯仰角、扭摆角、垂直度和直线度等。角度传感器差之毫厘，失之千里！角度传感器差之毫厘，失之千里！激光准直仪在高层建筑建设过程中发挥着重要作用。但是在仪器使用时必须将垂准仪进行检校，架设仪器时须按操作规程认真操作，对于垂准仪来说，自身带有的固定误差就是激光束的垂直度误差。投测距离越大，点位偏差越大。所以我们在安装使用设备时不但要规范精确安装，还要想办法去除设备误差，否则在建筑过程中就会出现“差之毫厘，失之千里”的不合格高楼！项目九 基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角度的精密测量，也可用来测量转换成长度或角度的其他物理量。例如：位移、尺寸、转速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。光栅传感器光栅传感器的结构与测量原理狭义来讲：平行等宽而有等间隔的多狭缝即为衍射光栅。广义上讲：任何装置只要它能起等宽而又等间隔的分割波阵面的作用，则均为衍射光栅。简单说，光栅好似一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。光栅传感器光栅传感器光栅器件光栅测量系统一般由光源、主光栅、指示光栅、光学系统及光电探测器组成，如图所示。主光栅为一长方形光学玻璃，上刻有明暗相间的线对，明线（即透光线）宽度a与暗线（即遮光线）宽度b之比通常为1:1，两者之和称为光栅的栅距。栅距通常可以为1/10～1/100mm。光栅传感器光栅测量系统的基本原理是：光栅尺中的一块光栅尺固定不动，另一块光栅尺随测量工作台一起移动，测量工作台每移动一个栅距，光电元件发出的一个信号，计数器记取一个数。这样，根据光电元件发出的或计数器记取的信号数，便知可动光栅尺移动过的栅距数，即测得了工作台移动过的位移量。光栅传感器光栅传感器光栅传感器光栅传感器的特点：1.可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。2.具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。3.精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的；4.大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器。光栅传感器光栅传感器的应用：对于光栅传感器来说，其最大的优势在于量程大、精度高。广泛用于程控和数控机床，以及三坐标测量机构。静态和动态圆角位移和线性位移的测量。此外，它也非常适合机械振动和变形测量等应用。光栅传感器在很多方面的性能比传统机电传感器更稳定、更可靠、更准确，可用于传感和测量应力、应变或温度等物理量，具有较高的灵敏度和测量范围。

通过在光纤的几个部分写入不同光栅间距的光纤光栅，可以同时测量几个部分相应的物理量和变化，实现准分布式光纤传感。光栅传感器细分技术：细分技术就是为了提高光栅测量系统的检测分辨率，在光栅测量系统的后续电路加入倍频电路，将莫尔条纹进一步细分的一种技术对莫尔条纹细分的方法很多。主要有直接细分（位置细分）、电阻链细分、锁相细分几种方法。光栅传感器光栅传感器在地震预测中发挥大作用！光栅传感器光栅传感器在地震预测中发挥大作用！地震经常给人类造成巨大的财产损失，有的家庭甚至因此而变得支离破碎。所以科研工作者也一直在不松懈的努力，争取早一天让人类可以逃离地震这个梦魇的诅咒。现代地震仪通过探测地震波,

得到地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，并实现临震预报。但是,

传统的地震波探测系统普遍存在着灵敏度低、动态范围小、漏电、供电困难等问题，限制了地震预报技术的发展。光纤激光型地震检波器既具有光纤光栅检波器波长编码、抗干扰能力强、探头尺寸小、易于组网的优点，又具有干涉型检波器灵敏度极高的优点。不过目前地震预测还只能提前十几秒或者数十秒，这样我们还是要学会如何在突发地震中保护好自己。项目九 基于数字式传感器的位置检测仪的设计与制作感应同步器是以电磁感应为基础，利用平面线圈结构来检测转角位移与直线位移的数字式传感器。感应同步器分为直线式感应同步器和旋转式感应同步器两种类型，前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。感应同步器感应同步器的结构：1.直线式感应同步器如图所示，直线式感应同步器主要由定尺和滑尺组成。而定尺和滑尺是由基板1、绝缘层2、绕组3构成。屏蔽层4覆盖在滑尺绕组上。基板采用铸铁或其它钢材制成。这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同步器的床身的线膨胀系数相近，以减小温度误差。感应同步器考虑到安装的方便，可将定尺绕组制成连续式，见下图a。而将滑尺绕组制成分段式的，见图b。分段绕组有2K组导体组成。每组又由M根有效导体及相应端部串联而成。米尺远比滑尺长，其中被全部滑尺绕组所覆盖的定尺有效导体N成为直线式感应同步器的极数。组装好的直线式感应同步器，其定尺应与导轨母线相平行，且与滑尺保持有均匀的狭小气隙。感应同步器2.旋转式感应同步器旋转式感应同步器的结构如图所示。定、转子都是由基板1、绝缘层2和绕组3组成。在转子（或定子）绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地屏蔽层4。基板呈环形，材料为硬铅、不锈钢或玻璃。绕组用铜制成。屏蔽层用锡箔或铅膜制成。感应同步器感应同步器转子绕组制成连续式的，如图（a）所示，称连续绕组。它由有效导体1、内端部2和外端部件3构成。有效导体共有N根。N也就是旋转式感应同步器的极数。定子绕组制成分段式，如图（b）所示，成为分段绕组。绕组由2K组导体组成，它们分别属于A相和B相。K称为一相组数。每组由M根有效导体及相应的端部串联构成。属于同一组的各组，用连接线连成一相。感应同步器感应同步器的优点:①具有较高的精度与分辨力②抗干扰能力强③使用寿命长，维护简单。④可以作长距离位移测量⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。感应同步器①具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。目前长感应同步器的精度可达到±1.5μm，分辨力0.05μm，重复性0.2μm。直径为300mm的圆感应同步器的精度可达±1″，分辨力0.05″，重复性0.1″。②抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响