数字式传感技术.ppt

1、第二章数字传感技术，数字传感器：一种可以直接将测量的模拟量转换成数字量的装置。与模拟传感器相比，具有更高的测量精度和分辨率，抗干扰能力强，稳定性强；便于微机接口、信号处理和自动测量。常见的数字传感器：栅格型、编码器、频率输出型、感应同步型，第3章数字传感器，本章介绍常用的数字传感器3.1光栅传感器3.7 RC振荡器频率传感器3.2磁性光栅传感器3.8弹性体频率传感器3.3接触式编码器3.9直线感应同步器3.4光电编码器3.10旋转感应同步器3.5电磁编码器3.11旋转变压器3.6脉冲圆盘传感器3.12典型应用示例：3.1光栅传感器-光电传感器。光栅传感器利用光栅的莫尔条纹现象将测量的几何量转化

2、为莫尔条纹的变化，然后通过光电转换系统将莫尔条纹的变化转化为电信号，从而实现精确测量。3.1.1光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，光栅读取头安装在固定部件上。光栅根据其形状和用途可分为长光栅和圆光栅。根据光线的方向，光栅可以分为透射光栅和反射光栅。1.长光栅和圆光栅1)光栅刻度尺(长光栅、直光栅)由光栅读数头中的刻度光栅和指示光栅组成。用于长度测量。透射线宽：白色部分b不透明线宽：黑色部分a节距：W=a b，一般a=b普通长光栅的线宽为(25，50，100，125，250)线/毫米。标尺光栅和指示光栅具有相互平行、透明和不透明的均匀线条，线条垂

3、直于两光栅的相对运动方向。2)圆形光栅，称为圆形光栅或光栅盘，用于测量角度或角位移。根据光栅刻划的方向，有两种圆形光栅，一种是径向光栅，光栅线的延长线都穿过光栅盘的中心；另一种是切向光栅，其中所有光栅线都与一个小圆相切，该小圆与直径仅为0或几毫米的光栅盘同心。如果光线通过，圆形光栅只有一个透射光栅。2.光栅测量系统(光栅读数头)光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成。驱动电路：光敏元件输出信号的功率放大和电压放大。如图3.3所示，当光栅间距相等的两个光栅叠放在一起，并且它们的刻线之间的夹角相等时，会有几条明暗条纹，即莫尔条纹。光穿过透明部分形成一个明亮的带；光栅的不透明部分相

4、互重叠并屏蔽，形成一个暗带。在大致垂直于光栅线的方向上，产生亮条纹和暗条纹。光栅传感器的工作原理，莫尔条纹具有以下重要特性：()消除光栅刻线的不均匀误差()位移放大特性()移动特性()光强与位置的关系、()消除光栅刻线的不均匀误差。光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹对应的明暗信号是一个区域内许多刻线的综合结果。它对光栅尺的光栅节距误差有平均效应，有利于提高光栅的测量精度。多条刻线的节距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响不大，可以在很大程度上消除短周期误差的影响。例W=0.02mm毫米，接收元件尺寸为1010毫米2，10毫米内有500个划线，有些划线对莫尔条纹的位置和形状影响很小。

5、位移莫尔条纹间距的放大特性：两条光栅线之间的角度越小，b越大，相当于将光栅距离w放大1/倍。例如，如果W=0.02mm毫米，=0.0017弧度，那么B=11.46mm毫米相当于将光栅距离放大573倍，这表明光栅具有位移放大功能，从而提高了测量的灵敏度表3.1光栅运动与莫尔条纹运动的关系当两个光栅相对运动时，莫尔条纹的强度变化近似为余弦波形变化。光栅移动一个光栅距离w，光强变化一个周期2。对应关系，其中：Uo光电元件输出的电压信号；Um输出信号中的最大电压信号。无人机输出信号中的平均DC分量：从上述公式可以看出，输出电压反映了位移。莫尔条纹的光强变化照射到光电元件上，光信号转换成电压信号，如图3

6、.4所示。光栅位移与输出电压光强的关系，方向判别原理1)为什么要判别方向？当活动光栅(主光栅)向前或向后移动时，安装在固定点上的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗的交替，其后面的数字电路会产生相同的计数脉冲，因此无法区分光栅的移动方向，也无法正确测量往复运动时的位移。因此，有必要在测量电路中增加一个测向电路。需要两个具有一定相位差的莫尔条纹。2)方向判别原理和方向判别电路，差分电路，整形后，两个方波U01和U02，两个电压信号U01和U02相差/2，两个光电元件被1/4条纹隔开，让计数器记住脉冲数为N，位移x=N W的光栅测量的位移属于增量测量。测向电路原理框图，从左向右移动，目的：提高分辨率(测

7、量小于网格距离的位移)。细分思想：在一个光栅节距内发出N个脉冲，即莫尔条纹信号变化周期，每个脉冲代表原光栅节距的1/n。由于细分后计数脉冲频率增加了N倍，所以也称之为N倍频。细分类型：常用的细分方法有四重细分、电位器桥细分、复合细分等。3.1.3细分技术、1。将两个光电元件放置在相位差为B/4的位置，得到相位差为/2的两个电压信号(S和C)，将这两个信号整形并反相，依次得到相位差为/2的四个电压信号。0(南)，90(丙)，180(南)270(丙).当光栅相对运动时，它通过差动电路，当它向前运动时，它得到四个差动脉冲(加上计数脉冲)；当反向移动时，获得四个差分脉冲(递减计数脉冲)。(2)细分技术

8、，在相位差为BH/4的位置安装两个光电元件，获得相位差为/2的两个电信号。如果将这两个信号反相，可以依次得到相位差为/2的四个信号，这样在移动一格距离的周期内可以得到四个计数脉冲，实现四重细分。因为不可能在一个莫尔条纹内安装更多的光电元件。其优点是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格的要求。让Z点的输出电压为。根据电气工程基础中的节点电压法，如果电桥是平衡的，(3.2)如上所述，莫尔条纹信号是光栅位置状态的正弦函数。假设和的相位差为/2，当光栅位于任意位置x时，和可以分别写成Usin和Ucos，等式(3.2)可以改写为(3.3)。从等式(3.3)可以看出，通过选择不同的R1/R2值，可以获得任何值

9、，也就是说，可以通过零触发在音高w内的任何位置输出脉冲。虽然从等式(3.3)可以看出，过零条件只能在第二和第四象限中满足，但事实上，正弦、余弦和它们的反相的四个信号可以通过组合它们而在四个象限中被细分。也就是说，通过选择R1和R2的电阻值，理论上可以得到任意数量的细分。2。电桥细分法、当(、)施密特电路被触摸、发送和脉冲。电位器电桥(电阻链)细分的实现方法和原理细分后得到相位差为90度的四个交流信号Umsin、Umscos和-Umsin、-Umscos。fou、3.1.4光栅数字显示器件、在实际应用中，对于没有微处理器的光栅数字显示器件，实现某些功能的电路往往是由一些大规模集成芯片实现的。该芯

10、片的主要功能有：同步、整形、四细分、方向判别、加减控制、参考零信号处理、存储功能实现和分辨率选择。3.1.4光栅数字显示装置、逻辑控制芯片()该芯片的主要功能是：为整机提供高频和低频脉冲；完全解码；完成校准和超速报警。3.1.4光栅数字显示装置、可逆计数和零存储芯片()该芯片的主要功能是：接收光栅信号处理芯片的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零点脉冲，使计数器确定参考零点的值，完成清零、置数和记忆功能。光栅数显装置因其测量精度高、动态测量范围宽、非接触测量、系统易于自动化和数字化而在机械行业得到了广泛的应用。光栅传感器通常用作机床定位、长度和角度测量仪器中的测量元件，用于测量速度、加速度、振动

11、等。3.1.5光栅传感器的应用，光栅间距W0.01m米，930nml000nm的红外发光二极管TIL-23作为照明光源，LS600光电晶体管作为接收，两光栅之间的间隙为0.02nm0.035mm毫米，万能测长仪的应用：万能测长仪可用于直接测量和比较测量零件的外部尺寸，其应用范围如下：测量平行外形尺寸的被测零件，如量块。用球面测量被测零件，如钢球。圆柱平面工件的测量，如圆柱的直径。测量内部尺寸平行于平面的被测零件，如夹板。孔径测量，如环规。内螺纹和外螺纹中径的对比测量您可以选择水平投影光学测量管(或可视水平光学测量管)和大大小小的活动测量钩进行对比测量。3.2磁栅传感器，磁栅传感器具有制造简单、

12、复制方便、安装调整方便、测量范围宽(几十毫米到几十米)、无需扩展、抗干扰能力强等一系列优点。因此，它被广泛应用于大型机床的数字化检测、自动机床的自动控制和轧机的定位控制。1、磁栅传感器的组成：磁栅(磁尺)、磁头、检测电路、3.2.1磁栅传感器的组成和类型，磁栅是涂在非磁性材料制成的尺座上的均匀磁性薄膜，记录一定波长的磁信号。间距w:磁信号的波长。在0.05毫米和0.2毫米图中，磁感应强度在n和n、s和s的重叠部分最强，但极性相反。有两种磁头：动态磁头(速度响应磁头)和静态磁头(磁通量响应磁头)。动态磁头有一个输出绕组，只有当磁头和磁栅相对运动时，才有信号输出。静态磁头有两个绕组，励磁绕组和输出

13、绕组。它也可以在相对静止的情况下输出信号。静态磁头，磁性网格的类型，磁性网格可以分为长磁性网格和圆磁性网格。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。静态磁头的基本工作原理静态磁头有两个绕组，激励N1和输出N2，当它与磁栅相对静止时，也能输出信号。励磁绕组N1充当磁开关。当施加交流电时，铁芯横截面较小的磁路在达到一定额定值时，每周被激励两次，导致磁饱和，从而使磁栅产生的磁力线不能穿过铁芯。只有当励磁电流小于额定值时，铁芯才不饱和，磁栅的磁力线才能通过铁芯。此时，输出绕组已经感应为了区分方向，静态磁头总是成对使用，间距为(m 1/4)W，其中m是正整数，W是磁栅条的间距。两个磁头的激

14、励电流相同或相差1/4。输出信号经鉴相电路或鉴相电路处理后，可得到与测量位移成正比的数字输出。3.2.2磁栅传感器的工作原理2动态磁头的基本工作原理动态磁头有一个输出绕组，只有当磁头和磁栅相对运动时，才有信号输出。图的上部显示了磁性标尺的磁化波形。磁感应强度的绝对值和磁头的输出电压包络在N和N、S和S的重叠部分最高.如果磁尺的磁感应强度从N变为S，磁头的输出电压也显示为调制波形，如以下调幅波所示，3信号处理模式()鉴相处理模式()鉴相处理模式、3.2.3磁栅数字显示装置、组成：磁头放大器(SF023):放大、移相、移相磁尺细分专用集成芯片(SIM-011): 200、40或20细分；1、5和1

15、0m分辨率可逆计数器(WK50395)和磁栅传感器有两种应用。它可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器。(激光定位和磁记录)可用于检测自动控制系统中的元件(线性位移)。3.2.4磁栅传感器的应用、3.3接触式编码器属于码盘编码器，也叫绝对式编码器，将角度转换成数字编码，可方便地与数字系统连接。编码器广泛用于角位移测量。它具有高精度、高分辨率和高可靠性的特点。编码器有很多种，主要分为脉冲盘式编码器(增量式编码器)和码盘编码器(绝对式编码器)。这种关系可以表示为：3.3接触式编码器，由码盘和刷组成。3.3.1接触式编码器的结构和工作原理该编码器采用制造印刷电路板的工艺制造具有一定编码体系(如842

16、1码、循环码等)的圆盘印刷电路板。)在铜箔上。电刷是一种可动触点结构。当码盘在外力作用下旋转时，在刷和码盘的接触位置会产生某一编码系统的数字编码输出。导电区域(高电位1)和绝缘区域(低电位0)中的数字越多，分辨率角越小。二进制码盘可以区分的旋转角度是：=360o/2n n=4，=22.5o，如n8。这种接触式码盘很难制造。四位二进制码与循环码对照表，8421码盘会产生非单值误差，而循环码系统可以避免，3.3接触式编码器，3.3.2提高接触式编码器精度的方法，(1)格雷码的循环码盘结构，采用循环码系统可以消除非单值误差。(2)扫描方法有三种扫描方法：V扫描、U扫描和M扫描。3.3接触式编码器，()优点：可直接输出某一编码系统，并可方便地与微机和数字系统连接。它非常灵活，使用方便，主要用于测量各种位移。接触式编码器的优缺点缺点：接触式编码器的分辨率