《自动检测电子》课件-第八章 数字式传感器及应用

第八章数字式传感器及应用

码盘式传感器光栅传感器磁栅传感器本章内容感应同步器§1§3§2§4§1

码盘式传感器码盘又称角编码器，是一种旋转式位置传感器，通常装在被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成增量脉冲或二进制编码。

一、增量式编码器

无论在那种情况下，固定计读头都包含一个发射体（红外发光二极管）和一个接收器（光电晶体管或光电二极管）。码盘随轴同步转动，从而接收器接收到的光是忽明忽暗的，所以它的输出信号是一个个脉冲，然后再有编码器进行编码。

光电码盘可以采用不透明区和透明区、反射区和非反射区以及干涉条纹。利用不透明区和透明区发射体和接收器必须放在移动单元的两侧。

在利用反射区和非反射区反射体和探测器必须处于编码元件的同一侧

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槽缝条纹数n有关，即能分辨的最小角度为α=360/n分辩率=1/n例如，条纹数为1024，则分辨角度α

=360/1024=0.325o。光栅或模板放在可动单元与探测器之间,并具有与编码单元相同的节距

当所有光栅和可动编码单元完全调准时，探测器接收的入射光达到最大值。随着编码单元离开位置，接收的光将减少，直到达最小值。利用固定光栅来限制光电探测器的视野，因而提高了它的分辨率

于是，相位检波器便能指示出旋转方向是顺时针还是反时针如b）。

a）在一个旋转方向上，信号A超前于信号B；而在相反方向上，则信号B超前于信号A。为了确定运动方向

二、绝对式编码器

绝对式编码器按照角度直接进行编码的传感器，可直接把被测角位移转角用数字代码表示出来。

接触式编码器

码盘

导电体

绝缘体

电刷码盘分成四个码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地，信号从电刷上取出。这样，无论码盘处在哪个角度上，该角度均有1个码道是公用的，它和各码道所有电部分连在一起，经电刷和限流保护电阻接正极。

公用码道限流电阻4位BCD码盘4位格雷码码盘可根据电刷的位置得到由：“1”、“0”组成的4位二进制码。能从图b)c)可看出电刷位置与输出编码的对应关系。

码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n(4)圈码道，且圆周均分2n

(16)个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度α为分辨率=1/2n显然，位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。所以，若要提高分辨率，就必须增加码道数，即二进制位数。例如，某12码道的绝对式角编码器，其每转位置数为212=4096，分辨角度为=3600/212=5.28’；若为13码道，则每转位置数为213=9192,分辨角度为=3600/213=2.64’。

c为一个4位格雷码盘，与图8.5b所示的BCD码盘相比，不同之处在于，码盘旋转时，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。三、光电编码器的测量方法1）M法测速在规定的时间间隔内，测量所产生的脉冲数来获得被测转速值，这种方法称为M法。2）T法测速测量相邻两个脉冲的时间来确定被测速度的方法叫做T法测速。3）M/T法测速M/T法是指同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速。§2光栅传感器光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器；由光栅、光路和光电元件以及转换电路等组成。它具有精度高、分辨力强和抗干扰强等优点，所以广泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动控制检测以及精密测量等方面，测量精度可达几微米。一、光栅的结构与类型

设其中透光的缝宽为，不透光的缝宽为，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的缝宽，即a=b。图中W=a+b称为光栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。

对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角γ

（也称节距角），栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。

二、基本工作原理

若两光栅栅线之间有很小的夹角，则在近似垂直于栅线方向上就显现出比栅距宽得多的明暗相间的条纹6，这就是莫尔条纹，其信号光强分布如曲线7所示，中间为亮带，上下为两条暗带。

当标尺光栅沿垂直于栅线的方向每移过一个栅距时，莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电元件5接收莫尔条纹信号，经电路处理后用计数器可得标尺光栅移过的距离。

W——光栅的栅距；λ

——光源的波长，用白光照明是按光电接收元件的峰值波长计算。即相当于指示光栅位于主光栅的第一费涅尔焦面附近。闪烁光栅常取的光栅间隙按下式计算：

即指示光栅位于主光栅的第二、第三费涅尔焦面上。为使莫尔条纹反差强，指示光栅应位于主光栅的费涅尔焦面上。对于一般的黑白光栅，光栅间隙δ可按下式计算定片（指示光栅）固定，动片（主光栅）与车床的进给刻度轮联动。动片的表面均匀地刻有500对透光和不透光条纹，称为500线/对。定片为圆弧形薄片，其表面刻有两条亮条纹，它与主光栅的条纹之间有一特定的角度。

这两组亮条纹的间距较特殊，它们使到达两个光电三极管的莫尔条纹的亮暗信号的相位恰好相差，即第一个管子接收到正弦信号，第二个管子接收到余弦信号。

§3磁栅传感器一、磁栅结构及工作原理

磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。

图所示为磁尺的磁化波形，在N与N、S与S重叠部分磁感应强度最大，但两者的极性相反，从N到S磁感应强度呈正弦波变化。静态磁头的结构及其磁化波形

N1为励磁绕组、N2为感应输出绕组。

二、信号处理方式

所谓鉴相处理方式就是利用输出信号的相位来反映磁头的位移的位移量或磁头与磁尺的相对位置的信号处理方式。为了辨别磁头运动的方向，采用两只磁头（sin、cos磁头）来检取信号。它们相互距离为(m±¼)W,m为整数。

e=Emsin(ωt+θx)该信号经整形、鉴相内插、细分电路后，产生脉冲信号，由可逆计数器计数，由显示器显示相位的位移量。

三、磁栅传感器的应用

磁头、磁尺与专用的磁栅数显表配合，可用来检测机械位移量。

磁头的输入电路包括8MHz晶体振荡器、分频器、低通滤波器和功率放大器四部分构成。

磁头的输出电路由磁头放大器（包括幅度微调、求和电路等）、带通滤波器和放大器等几个部分构成。

§4感应同步器感应同步器是利用两个平面绕组的电磁感应原理来检测位移的精密传感器，目前已被广泛应用于自动化测量和控制系统中。按其用途不同可分为直线式和圆盘式感应同步器两大类。前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。

（一）直线式感应同步器直线式感应同步器主要部件包括定尺和滑尺，

分为标准型、窄型、带型、三重型

一、种类和结构

标准型感应同步器

在基板上热压绝缘层和铜箔，铜箔经化学腐蚀法或光刻法制成如下图所示的绕组。定尺绕组是等间距的连续平面绕组，导片与导片之间的中心距称为节距，也称周期W，W=2mm

。它们都是由24组π形铜箔线段串联构成的，正弦绕组和余弦绕组交替排列，如图b)所示。图中的l设计为1.5mm，所以正、余弦绕组的中心线相对定尺来说，错开了1/4节距（相对于电相位角），所以它们在空间上是正交分布的。

滑尺绕组制成两组，即正弦绕组和余弦绕组。

二、工作原理

感应同步器安装时，定尺和滑尺相互平行、相对安放，如前图所示，它们之间保持一定的间隙（0.25mm+0.005mm）当滑尺在图a)所示的位置时，定尺感应电动势值为最大；当滑尺向右移动距离（图b）时，定尺感应电动势为零；当滑尺继续向右移动至处（图c），定尺感应电动势为负的最大值；当移至(图d)处时，定尺感应电动势又为零。这样，感应电动势随滑尺相对移动，而呈周期性地变化，如图曲线1所示。同理，余弦绕组单独励磁时，定尺感应电动势变化如曲线2所示。

正弦余弦三、感应同步器的信号处理方式

1.鉴相型从式（8-17）、式（8-18）可知，这样就可以把定、滑尺间的位移量变换成输出电动势的相位角的函数，与成线形关系。只要设法鉴别出输出电动势的相位差，即可测得机械位移量。2.鉴幅型

感应电动势e的幅值为。当滑尺相对定尺位移x时，感应电动势的幅