第6章 数字式传感器.ppt

1、模拟式传感器 本书前几章所涉及的传感器属于模拟式传感器。这类传感器将诸如应变、压力、位移、加速度等被测参数转变为电模拟量(如电流、电压)显示出来。模拟信号需要经过AD转换才能让计算机进行处理。 A/D转换,1,采样的过程是每隔一个时间间隔在模拟信号的波形上取一个幅度值 ，把时间上的连续信号变成时间上的离散信号。,量化的过程是先将采样后的信号按其幅度划分成有限个区段的集合，把落入某个区段内的样值归为一类，并赋于相同的量化值。,编码是按照一定的格式把经过采样和量化得到的离散数据记录下来，并在有用的数据中加入一些用于纠错、同步 和控制的数据 。,2,若用数字显示或输入计算机，就需要经过一套模数转换装

2、置(A/D转换)，将模拟量变成数字量。这不但增加了投资，而且增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度。,什么是数字式传感器？,3,输出信号为数字量(或数字编码)的传感器,数字式传感器相对模拟式传感器的优势： 模拟式传感器信号弱 模拟式传感器的输出信号最大一般在几十毫伏，最低时只有百万分之几毫伏，易受干扰。而数字式传感器的输出信号均在34V左右，其抗干扰能力远大于模拟信号的百万倍。 数字式传感器适用于各种恶劣工作环境，具有防雷击和大电流放电能力，可在室外安装使用。 数字式传感器能自动补偿和调整因偏载和温度变化而产生影响。 数字式传感器通过内部微处理器里的软件，自动补偿了蠕变。 模拟式传感器

3、由接头、接线排(端子)、电位器、开关及长电缆等因素造成的经常引起的积累误差。数字式传感器则不存在这种误差。 数字式传感器具有自诊断功能。它不断对内部工作状况进行检测，当检测到出现故障时，会发出错误代码。,4,到目前为止，数字式传感器种类还不多。 根据工作原理不同可分为 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。,5,6-1 码盘式传感器 这种传感器建立在编码器的基础上。只要编码器保证一定的制作精度，并配置合适的读出部件，这种传感器可以达到较高的精度。另外，它的结构简单，可靠性高。因此，在空间技术、数控机械系统等方面获得广泛

4、应用。,6,6-1 码盘式传感器 一、工作原理 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。,由光源发出的光线，经柱面镜变成一束平行光或会聚光，照射到码盘上。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后，形成一束很窄的光束照射在光电元件上。光电元件的排列与码道一一对应。当有光照射时，对应于亮区和暗区的光电元件的输出相反，如前者为“1”，后者为“0”。光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘转角的大小。,光源,柱面镜,码盘,狭缝,光电元件,7,6

5、-1 码盘式传感器 二、码制与码盘 右图是一个6位的二进制码盘。最内圈称为C6码道，一半透光、一半不透光。最外圈称为C1码道，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)。,6位二进制码盘,测量时，根据码盘的起止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。,8,二进制码盘具有以下主要特点： n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码， 其容量为2n， 最小分辨力1=360/2n， 最外圈R1码道的角节距为21； 二进制码为有权码， 编码Cn，Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为 ； 码盘转动中，CK变化时

6、，所有Cj(jK)应同时变化。,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,问： 为了达到1左右的分辨力，需要采用至少多少位码盘？ 一个刻划直径为400 mm的20位码盘，其外圈间隔至少为多少 m? 初始读数为0110，最后读数为1100，问旋转了多大角度？,9,10,例：下图是一个四位二进制码盘展开图。,理想：各个码道不仅刻划精确，而且彼此对准。,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,现实：由于微小的制作误差，导致只要有一个码道提前或延后改变，就容易造成输出的粗误差。,若码道C4黑区做得太短，就误读为1111，为十进制数15。,当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。,11,理

7、想：各个码道不仅刻划精确，而且彼此对准。,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,现实：由于微小的制作误差，导致只要有一个码道提前或延后改变，就容易造成输出的粗误差。,例：下图是一个四位二进制码盘展开图。,当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。,若码道C4黑区做得太长，就误读为1111，为十进制数15。,12,理想：各个码道不仅刻划精确，而且彼此对准。,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,现实：由于微小的制作误差，导致只要有一个码道提前或延后改变，就容易造成输出的粗误差。,解决办法1：双读数头法,解决办法2：循环码代替二进制码,13,(1)双读数头法,6-1 码盘式传感器

8、 二、码制与码盘,C1码道仍只有一个读数狭缝，例如在OO线位置,其他码道都有两个读数狭缝，如a2、b2；a3、b3；a4、b4等。它们对称地分布在OO线的两侧,每个码道上狭缝ai与bi之间的距离不超过该码道分度间隔的一半，即第i码道ai与bi之间距离不超过2i-21(i=2n)。,14,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,(1)双读数头法,控制电路（读数方法）,设由第i码道ai、bi两狭缝读出的信号分别为Ai和Bi，而第i-1码道的示数为Ci-1。,可知： 若低一位的读数Ci-1=1，则Ci 按Ai的值读出； 若低一位的读数Ci-1=0，则Ci 按Bi的值读出。,分析左上图分别 在c1=1和

9、c1=0时的读数?,15,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,(1)双读数头法,控制电路（读数方法）,分析左上图分别 在c1=1和c1=0时的读数?,16,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,特点： 只要由于刻划等原因造成的总误差不超过相应码道ai与bi之间的距离就不会产生粗误差。在不发生粗误差的条件下，整个编码器的精度由它的最低位(即C1码道)决定。双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。,(1)双读数头法,17,循环码码盘具有以下特点： n位循环码码盘，与二进制码一样具有2n种不同编码， 最小分辨力为1=360/2n， 最内圈为Rn码道，一

10、半透光、一半不透光 其他第i码道相当于二进制码码盘第i+1码道向零位方向转过1角， 最外圈R1码道的角节距为41； 循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，而其余各位相同； 循环码为无权码； 循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛应用。,(2)循环码盘,6-1 码盘式传感器 二、码制与码盘,18,4位二进制码与循环码对照表,6-1 码盘式传感器 三、二进制码与循环码的转换,19,由上表，可找出循环码和二进制码之间存在的转换关系：,6-1 码盘式传感器 三、二进制码与循环码的转换,二进制码循环码：,循环码二进制码：,(a)并行变换电路

11、 (b)串行变换电路,20,下图为将二进制码转换为循环码的两种电路。,6-1 码盘式传感器 三、二进制码与循环码的转换,采用串行电路时，工作之前先将D触发器D1置零，Q=0。 在Ci端送入Cn，异或门D2输出Rn=Cn 0=Cn； 随后加CP脉冲，使Q=Cn；在Ci端加入Cn-1，D2输出Rn-1=Cn-1 Cn。 以后重复上述过程，可依次获得Rn、Rn-1、R2、R1。,循环码二进制码：,21,采用串行变换电路时，开始之前先将JK触发器D复零，Q=0。 将Rn同时加到JK端，再加入CP脉冲后，Q=Cn=Rn。以后若Q端为Ci+1，在J、K端加入Ri，根据JK触发器的特性，若J、K为“1”，则

12、加入CP脉冲后Q= ;若J、K为“0”，则加入CP脉冲后保持Q= 。这 一逻辑关系可以写成,6-1 码盘式传感器 三、二进制码与循环码的转换,下图为将循环码转变为二进制码的两种电路。,(a)并行变换电路 (b)串行变换电路,重复上述步骤，可以依次获得Cn、Cn-1、C2、C1。,循环码是无权码，直接译码有困难，一般先把它转换为二进制码后再译码。,二进制码循环码：,22,下图是光学码盘测角仪的原理图。 光源1通过大孔径非球面聚光镜2形成均匀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5输出相应的电信号。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。

13、纠错电路和寄存电路在需要时采用。,6-1 码盘式传感器 四、应用,23,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。,6-1 码盘式传感器 四、应用,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。 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。各计数单元间具有进位关系。 当二进制计数器所计之数与二进制编码输入相符时，相符比较电路发出一个脉冲，与门D2关闭，停止计数。当量变换计数器所计之数

14、值经译码输出显示。,光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的，它主要用于线位移和角位移的测量。由于光栅传感器具有精度高、测量范围大、易于实现测量自动化和数字化等特点，所以目前光栅传感器的应用已扩展到测量与等方面。,6-1 光栅传感器,长度和角度有关的物理量， 如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓,光敏元件电压,直线光栅,圆光栅,光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成，如下图。 光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅(也称标尺光栅)和指示光栅组成。,6-1 光栅传感器 一、光栅传感器的结构原理,当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗

15、交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。,26,a为刻线宽度， b为刻线间的缝隙宽度， a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数),6-1 光栅传感器 一、光栅传感器的结构原理,透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。,通常情况下，a=b=W/2，也可以做ab=1.10.9。刻线密度一般为每毫米(10、25、50、100)线。 指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。,(一)莫尔条纹的形成原理 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙)，并

16、使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，如下图。,6-1 光栅传感器 二、莫尔条纹形成的原理及特点,明带a, 暗带b即为莫尔条纹,28,(一)莫尔条纹的形成原理,6-1 光栅传感器 二、莫尔条纹形成的原理及特点,横向莫尔条纹的斜率,亮(暗)带的倾斜角； 两光栅的栅线夹角。,横向莫尔条纹(亮带与暗带)之间距离为,BH 横向莫尔条纹之间的距离； W 光栅常数。,由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距. 莫尔条纹的实际价值在于：能让光敏元件“看清”随光栅刻线移动所带来的光强变化。,6-1 光栅传感器 二、莫尔条纹形成的原理及特点,30,由

17、此可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅的夹角决定。对于给定光栅常数W的两光栅，夹角愈小，条纹宽度愈大，即条纹愈稀。所以通过调整夹角，可以使条纹宽度具有任何所需要的值。,6-1 光栅传感器 二、莫尔条纹形成的原理及特点,例：W=0.02 mm，若=0.01rad=0.57o，求条纹宽度和放大倍数。,例6-2,31,32,(二)莫尔条纹技术的特点 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。 光电元件接收的是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。对于光栅刻线的误差

18、起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。,6-1 光栅传感器 二、莫尔条纹形成的原理及特点,径向光栅,33,径向光栅可进行角度测量。 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。,6-1 光栅传感器 二、莫尔条纹形成的原理及特点,6-1 光栅传感器 四、辨向原理,问题：单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向。,解决方法：为了能够辨向，应当在相距 BH的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位差90的正弦信号，然后送到辨向电路处理。,35,6-1 光栅传感器 四、辨向原理,主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件2的输出电压波形如右图中曲线u2所示。光电元件1的输出电压波形如曲线u1所示，显然u1超前u2 90相角。,36,问题：每移过一个栅距产生一个脉冲。若每毫米250条栅线的长光栅，那么其分辨力(脉冲4 m。如果希望提高当量)为到1 m、0.1 m或更高。对长光栅来说，意味着栅线的密度要达到每毫米千条线到万条线之多。就目前先进的工艺水平看，栅线密度每毫米7千条线还能实现，但要达到每毫米万条