第6章数字式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,6,章,数字式传感器,概述,第,6,章 数字式传感器,随着微型计算机的迅速发展和广泛应用，信号的检测、控制和处理已进入的数字化时代。,数字式传感器,是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。,测量精度高，分辨率高；,易于处理与存储；,抗干扰能力强，便于远距离传输。,可以减少读数误差；,数字式传感器的特点：,概述,第,6,章 数字式传感器,栅式数字传感器；,编码器；,频率,/,数字输出式数字传感器；,感应同步器式的数字传感器。,常用的数字式传感器有四大类：,传感器数字化有两个方向：,模拟传感器,+AD,转换 数字信号输出,数字型传感器：直接将被测量转换成数字信号,概述,第,6,章 数字式传感器,6.1,码盘式传感器,6.2,光栅传感器,6.1,码盘式传感器,第,6,章 数字式传感器,编码器,(Encoder),机械位移模拟量,数字信号,(,数字代码,),编码器,主要分为,脉冲盘式,和,码盘式,两大类：,6.1,码盘式传感器,第,6,章 数字式传感器,脉冲盘式编码器,(,增量式编码器,),6.1,码盘式传感器,第,6,章 数字式传感器,脉冲盘式编码器,特点,：,1,、输出为脉冲信号，需要有关数字电路记录位移大小和方向。,2,、不能给出绝对位移大小，只能给出相对位移。,3,、,分辨率、精度,取决于每圈光槽数量，通常用输出脉冲数表示。,4,、存在抖动问题，需要电路消抖。,6.1,码盘式传感器,第,6,章 数字式传感器,目前，使用最多的是,光电编码器,。,它将,角度,或,直线位置,转换为数字编码信号。,码盘式编码器（绝对式编码器）,码盘式编码器,非接触式,:,体积小、寿命长、分辨率高、非接触,一、光学码盘式传感器工作原理,6.1,码盘式传感器,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的透光和不透光部分，即亮区和暗区。,一、光学码盘式传感器工作原理,6.1,码盘式传感器,一、光学码盘式传感器工作原理,6.1,码盘式传感器,当光源将光投射在码盘上时，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。,光敏元件的排列与码道一一对应,。,对应于亮区光敏元件输出的信号为“,1,”,，暗区则为“,0,”,。,当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，构成按一定规律,编码的数字量，代表了码盘轴的角位移的位置,。,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,编码器的码盘按其所用,码制,可分为二进制码、十进制码、循环码等。,C1,码道,C4,码道,最内层,2,等分,外面层依次,2,倍等分,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,C1,码道,C4,码道,狭缝,例：,假设狭缝方向如图所示，则编码输出为：,C,4,C,3,C,2,C,1,=,1110,二进制码盘转动时,编码按二进制加或减规律变化,。所以是,有权码,。,每个码道对应二进制数的,1,位。,内层为高位，外层为低位。,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,C,1,码道,C,4,码道,狭缝,每个码道对应二进制数的,1,位。,内层为高位，外层为低位。,n,位,(n,个码道,),的二进制码盘具有,2,n,中不同编码，称其,容量,为,2,n,。,最小分辨率为,:,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,狭缝,最小分辨率为,:,思考：,为了达到,1,的分辨率，至少需要采用多少位的码盘？,位数越多，可分辨的角度越小。,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,最小分辨率为,:,二进制码为,有权码,，编码,C,n,C,n-1,，,，,C,1,对应于由零位算起的转角为：,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,码盘动画演示,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,二进制编码器问题,：码道任何微小的制作误差，都可能造成读数的,粗误差,。,原因,：二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成,粗误差,。,如,：由二进制码,0111,过渡到,1000,时，即由,7,变为,8,时，如果刻度机械加工误差，此时就可能会出现,0,15,间的某个数字。,二、码制与码盘,6.1,码盘式传感器,消除粗大误差方法：,双读数头法,。,循环码代替二进制码。,双读数头法,二、码制与码盘,布局：最外层码道只有一个读数狭缝，其它码道都有两个读数狭缝，它们对称的分布在,OO,线的两侧。第,i,个码道上双缝间距不超过：,双读数头法,二、码制与码盘,精度由最低位决定,双读数头法,二、码制与码盘,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。,循环码码盘,二、码制与码盘,(1)n,位循环码码盘具有,2,n,种不同编码,；,(2),循环码码盘具有,轴对称性,，其最高位相反，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,，,不会产生粗误差,。,六位的循环码码盘,三、循环码与二进制码之间的转换,6.1,码盘式传感器,4,位二进制码与循环码的对照表,循环码与二进制码之间的转换关系：,式中：,R,循环码；,C,二进制码。,n-,常数，总位数,三、循环码与二进制码之间的转换,6.1码盘式传感器,二进制码转换成循环码的电路：,(a),并行变换电路,(b),串行变换电路,先置,0D,触发器（,Q=0,），输入,Cn,输出为,Rn,.,再依次输入,Ci-1,输出依次为：,Rn-1,Rn-2.,。,三、循环码与二进制码之间的转换,6.1码盘式传感器,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，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。,J=K=1,，翻转,J=K=0,，保持,先置,Q=0,，依次输入,Rn,R1.,编码码盘,6.1码盘式传感器,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。但当位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分辨力，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，而且可以用来测定转速。,应用,6.1码盘式传感器,应用,6.1码盘式传感器,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,应用,6.1码盘式传感器,编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，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。,分频电路,应用,6.1码盘式传感器,6.2,光栅传感器,第,6,章 数字式,传感器,结构原理,莫尔条纹,常用光路,辨向原理,细分技术,应用,6.2,光栅传感器,第,6,章 数字式,传感器,什么是光栅？,在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是,光栅,。,透射光栅示意图,a,b,W,a,为栅线的宽度（不透光），,b,为栅线间宽（透光），,a+b,=W,称为光栅的,栅距,（也称,光栅常数,）。,通常,a=b,=,W,/2,，也可刻成,a,b,=1.10.9,。,目前常用的光栅每,毫米刻成,10,、,25,、,50,、,100,、,250,条线条,。,6.2,光栅传感器,第,6,章 数字式,传感器,光栅传感器,运动,固定,6.2,光栅传感器,第,6,章 数字式,传感器,光栅数字传感器,光栅数字传感器主,要由标尺光栅、指,示光栅、光路系统,和光电元件等组成。,6.2,光栅传感器,第,6,章 数字式,传感器,光栅数字传感器的用途：,线位移,和,角位移,的测量。,还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓等方面。,工作原理,6.2,光栅传感器,光栅数字传感器的原理：,莫尔条纹,标尺光栅,指示光栅,莫尔条纹形成,当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应,(,当线纹密度,50,条,/mm,时,),或光的衍射作用,(,当线纹密度,100,条,/mm,时,),，在与光栅线纹大致垂直的方向上,(,两线纹夹角的等分线上,),产生出亮、暗相间的条纹,称为“,莫尔条纹,”。,原理,6.2,光栅传感器,光栅数字传感器的原理：,莫尔条纹,圆弧莫尔条纹,莫尔条纹,6.2,光栅传感器,莫尔条纹的间距,B,H,与两光栅线纹夹角,(,弧度,),之间的关系为：,莫尔条纹,6.2,光栅传感器,莫尔条纹特点：,(1),位移的放大作用,当光栅每移动一个光栅栅距,W,时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度,B,H,，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。,越小，,B,H,越大，这相当于把栅距,W,放大了,1/,倍。例如,=0.1,，则,1/,573,，即莫尔条纹宽度,B,H,是栅距,W,的,573,倍，这相当于把栅距放大了,573,倍，说明,光栅具有位移,放大作用，从而提高了测量的灵敏度。,莫尔条纹,6.2,光栅传感器,莫尔条纹特点：,(2),位移的移动方向,当光栅,1,向,右,移动，莫尔条纹向,下,移动；,当光栅,1,向,左,移动时，莫尔条纹向,上,移动。,根据莫尔条纹移动方向可以辨别光栅,1,的运动方向。,光栅,1,光栅,2,莫尔条纹,6.2,光栅传感器,莫尔条纹特点：,(3),误差的平均效应,莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,例,W=0.02mm,接收元件尺寸,1010mm,2,在,10mm,范围内有,500,条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。,莫尔条纹,6.2,光栅传感器,莫尔条纹特点：,其放大倍数可通过使,角连续变化,，从而获得任意粗细的莫尔条纹。,(4),连续变倍的作用：,莫尔条纹位移测量原理,6.2,光栅传感器,若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号,(,电压或电流,),输出。,光栅间间隙,衍射,刻线边缘毛糙,动画演示,莫尔条纹位移测量原理,6.2,光栅传感器,莫尔条纹位移测量原理,6.2,光栅传感器,光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量,x,的函数，即：,U,0,输出信号中的直流分量；,U,m,输出交流信号的幅值；,x,两光栅间的相对位移,.,莫尔条纹位移测量原理,6.2,光栅传感器,将该电压信号,放大、整形,使其变为,方波,，经,微分电路,转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。,位移量为脉冲数与栅距的乘积：,光栅式位移传感器也是,增量型。,莫尔条纹位移测量原理,6.2,光栅传感器,位移量为脉冲数与栅距的乘积：,光栅位移传感器工作原理可概括为：,光栅常用的光路,6.2,光栅传感器,(,一,),垂直透射式光路,光栅常用的光路,6.2,光栅传感器,(,一,),垂直透射式光路,光栅常用的光路,6.2,光栅传感器,(,二,),反射式光路,光栅常用的光路,6.2,光栅传感器,(,二,),反射式光路,辨向原理,6.2,光栅传感器,1,）为什么要辨向？,当可动光栅（主光栅）无论向前或向后每移动一个栅间距，光电探测器都会输出一个脉冲，简单的计数，不能正确反映往复移动时位移的大小。所以，必须在测量电路中加入辨向电路，如，在正方向移动时控制作加计数，反向移动时作减计数，才能正确给出位移的真实大小。,辨向原理,6.2,光栅传感器,2,）辨向原理与辨向电路,在相隔,1/4B,H,莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为,90,的两个信号,辨向。,&,&,辨向原理,6.2,光栅传感器,当光栅沿,A,方向移动时，,u,1,经微分电路后产生的脉冲,正好发生在,u,2,的“,1”,电平时，从而经,Y,1,输出一个计数脉冲；,而,u,1,经反相并微分后产生的脉冲，则与,u,2,的“,0”,电平相遇，与门,Y,2,被阻塞，无脉冲输出。,A,A,u,u,1,u,2,0,x,W,4,W,2,W,4,3,W,辨向原理,6.2,光栅传感器,在光栅沿,/,A,方向移动时，,u,1,的微分脉冲发生在,u,2,为“,0”,电平时，与门,Y,1,无脉冲输出；,而,u,1,的反相微分脉冲则发生在,u,2,的“,1”,电平时，与门,Y,2,输出一个计数脉冲,.,A,A,u,u,1,u,2,0,x,W,4,W,2,W,4,3,W,辨向原理,6.2,光栅传感器,u,2,作为与门的控制信号，控制加减计数。,u,1,则所产生计数脉冲输出。,这样可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计,数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。,A,A,u,u,1,u,2,0,x,W,4,W,2,W,4,3,W,A,A,B,B,3,4,4,H,B,细分技术,6.2,光栅传感器,通过上述脉冲（莫尔条纹）计数的方法测量位移，其,分辨力,为,光栅栅距,。,为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用,细分技术,。,细分思想,：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出,n,脉冲,每个脉冲代表原来栅距的,1/n,。由于细分后计数脉冲频率提高了,n,倍,因此也称之为,n,倍频,。,细分技术,6.2,光栅传感器,(,二,),电阻电桥细分法,(,三,),电阻链细分法,(,一,),直接细分法,细分技术,6.2,光栅传感器,直接细分法：,在相差,B/4,位置上安放两个光电元件，得到两个相差,/2,电压信号（,S,和,C,），将这两个信号整形、反相得到四个依次相差,/2,的电压信号。,0,（,S,），,90,（,C,）,180,（,S,）,270,（,C,）。,在,光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。,细分技术,6.2,光栅传感器,(,一,),直接细分法,细分技术,6.2,光栅传感器,（二）专用芯片,1.,光栅信号处理芯片,(HKF710502),主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。,2.,逻辑控制芯片（,HKE701314,）,主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成,BCD,译码；,XJ,校验及超速报警。,3.,可逆计数与零位记忆芯片（,HKE701201),主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。,光栅传感器的应用,长度计,光栅传感器的应用,长度计,光栅传感器的应用,长度计,光栅传感器的应用,长度计,光栅传感器的应用,数控机床位置控制框图,光栅传感器的应用,光栅传感器的应用,桥梁健康监测系统,光栅传感器的应用,桥梁健康监测系统,光栅传感器的应用,光纤光栅应变传感器优点：,避免了电阻应变片的零点漂移和电阻误差，精度高，响应速度快；,抗电磁干扰，稳定性高；,布线工作量大大减少，可串连，已组成传感网络；,可远程传输，与现有通信网络兼容性强。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器是利用两个平面形绕组的,互感,随,位置,不同而变化的原理组成的。,感应同步器是应用,电磁感应原理,把,位移量,转换成,数字量,的传感器。,分为,直线型感应同步器,和,圆盘型感应同步器,两大类。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器的优点：,具有较高的精度与分辨力；,抗干扰能力强；,使用寿命长，维护简单；,可以作长距离位移测量；,工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。,广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器的基本结构,由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同,定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差,90,相角，又称为正、余弦绕组。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二次线圈，利用,交变电磁场和互感原理,工作。,圆盘式感应同步器,由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器的工作原理,定尺或滑尺其中一种,绕组上通以,交流激励,电压,，由于,电磁耦,合,，在另一种绕组上,就产生,感应电动势,，,该电动势随定尺与滑,尺的相对位置不同呈,正弦、余弦函数变化。,再通过对此信号的处,理，便可测量出,直线,位移量,。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器的工作原理,在滑尺上施加的正弦激,磁电压为,:,正弦或余弦绕组在定尺,上相应产生的感应电势,分别为：,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,感应同步器的信号处理,感应同步器的,励磁方式,可分为两大类：,一类是以滑尺（或定子）励磁，由定尺（或转子）取出感应电动势信号；,另一类以定尺（或转子）励磁，由滑尺（或定子）取出感应电动势信号。,目前在实用中多数用,前一类励磁方式,。,其信号处理方式可分为,鉴相方式,和,鉴幅方式,两种,分别用输出感应电动势的,相位或幅值,来进行处理。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,鉴相法,根据感应电势的相位来鉴别位移量。,在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、相位差为,90,的交流电压励磁即,:,定尺输出的总感应电势为,:,通过鉴别感应电动势的相位，例如同励磁电压比相，即可测出定尺和滑尺之间的相对位移。,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,鉴幅法,根据感应电势的幅值来鉴别位移量,。,在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但幅值不同的正弦激励电压，即,:,定尺输出的总感应电势为,:,感应同步器相当于调幅器，可由幅值变化测量位移量。,幅值,6.3,感应同步器,第,6,章 数字式,传感器,