工程测试技术-数字量传感器-课件.pdf

西安工业大学机电学院工程测试技术 a弟一旦号送 第二章信号及其海建第三节当芯叁特牲产四百梭睡号缈理 第五量尊字信号处理.第六第矍岚县隹博 弟匚章数字且传序器 第八堂 洞试方法口口口 口口口 口口口口 口口 口口口口 口 口口口 口口 口口口 口口口 口口 口口口 口口口 口口口口 口口 口 口口口 口口口 口口 口口口口 HE西安工业大学机电学院第七章、数字量传感器 比浮“.二,新巨商/I本章学习要求:了解数字量传感器的根本原理、特点和运用掌握光栅传感器的任务原理和丈量电路MEgjl 7数字量传感器西安工业大学机电学院数字传感器的特点具有高的丈量精度和分辨力，读数直观准确 丈量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。易于实现高速动态丈量、处置和自动化。采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音 的抑制才干强。安装方便，运用维护简单，任务可靠性强。西安工业大学机电学院数字传感器的分类 栅式（光栅、磁栅）传感器 编码式（接触式、光电式、电磁式）传感器 频率输出式传感器 感应同步器式传感器agg 7数字量传感器本章内容：西安工业大学机电学院7.17.2光电盘式角位移传感器光栅传感器7.3感应同步器ME|机电工程测试技术西安工业大学机电学院7数字量传感器7.1光电盘式角位移传感器7.2光栅传感器7.3感应同步器西安工业大学机电学院薯7数字量传感器第一节光电盘式角位移传感器西安工业大学机电学院；H 7.1光电编码器7.1光电盘式角位移传感器7.1.1光电盘光电盘是一种最简单的光电式转角丈量元件。它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整 形放大电路和数字显示安装组成。Mig 7.i光电编码器西安工业大学机电学院2 3 4o8光电盘的工作原理”光源；2-聚光链；3-光电盘；4光柱板；5光电管；6-核形放大；7-数显装置；8-齿轮箱;.9-挟缝；10-钻层皿饕7.1光电编码器西安工业大学机电学院光电盘输出电脉冲信号，经整形、放大、分频、计数和译码后输出或显示。根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序，可以 判别光电盘的旋转方向。,由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受 环境干扰，所以多用在简易型和经济型数控机床上。Miss 7.i光电编码器7.1.2光电编码器编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的 检测器件（增量编码器、绝对编码器。分类：分为光电式、接触式和电磁式三种。皿饕7.1光电编码器西安工业大学机电学院001000110100oooo mi1、绝对编码器0110四位二进制码盘1011四位光电码盘上，有四圈数 字码道，在圆周范围内编码 数为24二16个。每个数位都对应有一个光电 器件及放大、整形电路。码 盘转到不同位置，光电元件 接受光信号，并转成相应的 电信号，经放大整形后，成 为相应数字信号。分辨角度：1=36072规范二进制编码器（8421码盘）西安工业大学机电学院饕7.1光电编码器由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两 码段边缘交替位置时，就会产生读数误差。当码盘多位数要同时变化，能够将数码误读成1111、1011、1101、.、0001 等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值性误差。规范二进制编码器实践运用少，而采用二进制循 环码盘（格雷码盘或带判位的码盘。皿饕7.1光电编码器西安工业大学机电学院1011 1001四位二进制循环码盘恣意相邻的两个代 码间只需一位代码有 变化，即由“0变为“1或”1变为“0 O因此，读数误差最 多不超越“1，只能 够读成相邻两个数中 的一个数一有效消 除非单值性误差。格雷码盘00000000010001000120010001130011001040100011050101011160110010178421码 0111格雷码0100810001100910011101101010111111101111101211001010131101101114111010011511111000西安工业大学机电学院二进制循环码盘+信号位皿饕7.1光电编码器带判位光电装置的：进制循环内就码盘最外圈上的 信号位的位置正好 与形状交线错开，只需信号位处的光 电元件有信号才干 读数，这样就不会 产生非单值性误差。i翦7.i光电编码器西安工业大学机电学院a、接触式编码器用电刷与码盘接触，电刷数量等于码道数量;b、光学式编码器由光源、码盘、光电敏感元件组成;C、磁性编码器豳；蠢f 7.1光电编码器西安工业大学机电学院绝对编码器 特点：绝对码-一绝对角位置传感器丈量范围有限360)速度不高(最高几千转/分，怕振动丢数 衔接-弹性连轴结运用：小范围绝对位置丈量-一角度、直线位置 小范围位移、速度检测幅S 7.1光电编码器西安工业大学机电学院2、增量编码器西安工业大学机电学院零位船1 7.1光电编码器准直狭缝光电管码盘%5%”输出光电脉冲，经过整形、放大、辨向后输出脉冲信号Mill 7.1光电编码器西安工业大学机电学院a r LTT_ a_ILJLb_TLTL bTLTL(a)正轮(b)反转图1光电编码器的榆出|7.1光电编码器西安工业大学机电学院光敏元件透光狭缱码盘基片bAFANGCRAN信号处理装置 m+T/4、节距光源；：gg 7.1光电编码器西安工业大学机电学院触翻器的正转祗转波西安工业大学机电学院tfSS 7.1光电编码器增量编码器特点：构造简单、精度高、分辨率高，可靠性好,脉冲数字输出，丈量范围无限速度不高最高几千转/分）怕振动-丢数运用：相对位置丈量-一角度、直线位置,位移、速度丈量:二 7.1光电编码器西安工业大学机电学院3、光电编码器的运用数字测速(a)平均速度测显(b)瞬时速度测量|；Blg7数字量传感器第二节西安工业大学机电学院光栅传感器1）光栅：基体（光学玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的 光学元件。分透射光栅和反射光栅。2）栅距：W=a+b o 通常 a=b 或 a:b=Ll:0.9。光栅常数通常用刻线密度来表示25,50,100,250条/mm。Mggl 7.2光栅传感器西安工业大学机电学院3）光栅传感器：由两个光栅组成。，鑫7.2光栅传感器西安工业大学机电学院2、光栅传感器构造与丈量原理1构造光源标尺光栅指示光栅光电元件丈量范围 标尺光栅的有效长度Mlgl 7.2光栅传感器透射式光栅西安工业大学机电学院红外光源11 red)栅格 刻壑璃刻线轨迹参考点标志光电二极管接收器jagg 7.2光栅传感器透射式圆光栅西安工业大学机电学院光电二极管接收器 栅格刻度盘 参考点标志两个光栅栅线呈一定夹角。利用莫尔条纹进展丈量。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院长光栅莫尔条纹-d演水播放动画西安工业大学机电学院徵7.2光栅传感器3）莫尔条纹的宽度W eW2sir/2)特例：当=0,wl=w2 B=光闸莫尔条纹当=0,wlrw2-纵向莫尔条纹7.2光栅传感器西安工业大学机电学院长光栅光闸莫尔条纹-d演小播放动画西安工业大学机电学院圆光栅莫尔条纹西安工业大学机电学院7.2光栅传感器圆弧莫尔条纹特点是：e=o两光栅的圆心存在偏心fflSS 7.2光栅传感器光闸莫尔条纹A放播放动画特点是：e=o 两光栅没有偏心西安工业大学机电学院jjggffi；7.2光栅传感器环形莫尔条纹演示gj 7.2光栅传感器:工业大学机电学院-.溟不辐射莫尔条纹7.2光栅传感器西安工业大学机电学院长光栅莫尔条纹-d演水播放动画西安工业大学机电学院薯7.2光栅传感器4）莫尔条纹的特点平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同构成，对光栅的刻线误 差有平均作用。莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角e固定后，两光栅相对左 右挪动一个栅距w时，莫尔条纹上下或下上挪动一个节距B。因此，可以经过检测莫尔条纹的挪动条数和方向来判别两光 栅相对位移的大小和方向。由公式B=w/e可知，当w一定，e越小时，莫尔条纹间距b 越大。西安工业大学机电学院jggg 7.2光栅传感器莫尔条纹的放大作用假设光栅每毫米刻线数为50,主光栅与指示光栅的夹角=1.8分辨力=栅距 W=lmm/50=0.02mm=20 mB W/e=0.02mm/11.8 申女3.14/180 申）=0.02mm/0.0314=0.63 7mm莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，由于较大，因此可以用小面 积的光电池“察看莫尔条纹光强的变化。光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装 间隙无关。莫尔条纹的宽度必需大于光敏元件的尺寸，否那么光敏元 件无法分辨光强的变化。西安工业大学机电学院Mill 7.2光栅传感器西安工业大学机电学院辨向电路n1条纹下移:一。-5_或大”22 一整形一放大 整形aS8 7.2光栅传感器通过光电 元件转换得出：被测物体位移=栅距X脉冲数脉冲数等于正、反向挪动后累加所得的脉冲 数，根据正负可以辨向。【例】先正向挪动U个脉冲，而后反向挪动5个脉 冲，再正向挪动2个脉冲，可算出位移8个栅距。，鬻7.2光栅传感器辨向原理：在相差B/4位置上安 装两个光电元件，得到两 个相位相差兀/2的电信号。西安工业大学机电学院皿量7.2光栅传感器四倍频细分法1）采用4个光敏元件就可以得到四个依 次相差兀/2的信号，从而可以在挪动一个栅 距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频 细分。2）仍为2个光敏元件，假设将这两个信 号反相就可以得到四个依次相差兀/2的信号,从而可以在挪动一个栅距的周期内得到四个 计数脉冲，实现四倍频细分。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院整形电路整形电解西安工业大学机电学院IHi 7.2光栅传感器HeiDenHain的细分设备对正弦输出信号进展细分，细分倍数可达100倍,并转换为TTL方波脉冲信号；ja 7.2光栅传感器西安工业大学机电学院IM敞开式直 线光栅尺光源扫描单元变封条安装板DIADUR 光栅尺西安工业大学机电学院5、光栅传感器的特点优点:分暴力高（可达1 口印或更小丈量范围大（几乎不受限制）动态范围宽易于实现数字化丈量和自动控制缺陷：对运用环境要求较高，在现场运用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。西安工业大学机电学院6、光栅传感器的运L位置丈量MQ-系剑三坐标测量相M,WW COMAtr；爱德华Mgg 7.2光栅传感器西安工业大学机电学院GS803厢蚪 生=唯g 7.2光栅传感器西安工业大学机电学院2.测长仪T计数译码器方位门四细分五细分整形分相显示振荡器整形检波放 大 II放大I|jggg 7.2光栅传感器7、其它栅类传感器西安工业大学机电学院Si 7.2光栅传感器加人也第町)放人也略.I磁带录音机fflgg 7.2光栅传感器西安工业大学机电学院德国S/KO磁栅尺西安工业大学机电学院fflSS 7.2光栅传感器特点对比：光栅：光刻um级，莫尔条纹，灵敏度高；抗污、抗震性能差。容棚：间距大，精度不高；但电容为储能元件，电荷任务方式,体积也可以很小。电流小，耗费能量小,磁栅：磁带廉价，但运用寿命不如光栅，容易退磁；精度差普通为15um。球栅：钢球mm级别，但是外有不导磁管，封锁性好，抗污性强。Mfiai 7数字量传感器西安工业大学机电学院第三节感应同步器fflSil 7.3感应同步器西安工业大学机电学院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。分为直线型感应同步器和圆 盘型感应同步器两大类。感应同步器的优点是：具有较高的精度与分辨力；抗干扰才干强；运用寿命长，维护简单；可以作长间隔位移丈量；工艺性好，本钱较低，便于复制和成批消费。广泛用于三坐标丈量机、程控数控机床及高精度 重型机床及加工中丈量安装等。岛雪7.3感应同步器西安工业大学机电学院1、感应同步器的根本构造由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同一定尺是 延续绕组，滑尺那么是分段绕组。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。直线型感应同步器啸皿一1皿曲定尺绕组滑尺正弦绕n滑尺余弦绕组12-2-2压务呈相 变任形子 于理外转 当原；相感成尺 组互组滑 绕和子的 续场转器 延磁和步 和电子同 组变定应 绕交由感 段用器式 分利步线 的，同直 器圈应于 见线感当 同次式相 爵、应二盘子 fc感和圆定I116(264)7.92(9.4)178(302)Mig 7.3感应同步器西安工业大学机电学院2、感应同步器的任务原理当定尺和滑尺产 生相对线位移时，或 定子与转子产生相对 角位移时，两绕组间 的耦合形状发生变化 这时，在定尺和转子 绕组上感应出一个与 位移有关的电压信号 由此可以测定位移量 的大小。感应电动势7.3感应同步器西安工业大学机电学院F 4%定尺畲 s rnB点C点D点 滑尺的位置Fs c E E|rnE 点1-由C励磁的感应 电动势曲线2-由S励磁的感应 电动势曲线在滑尺上施加的正弦激 磁电压为z/z=Uni sin cot正弦或余弦绕组在定尺 上相应产生的感应电势 分别为：27re=kcoUni siiif/cosx$y12-2-5er=kcoU”,sinrsinx WNW勰7.3感应同步器西安工业大学机电学院鉴相法一根据感应电势的相位来鉴别位移量。在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、相位 差为90。的交流电压励磁即I/.=I厂 sin cot J 1Hllc=-Um cos cot定尺输出的总感应电势为e=a+er=kcoU,sin(o1-0)O L fite=w通过鉴别感应电动势的相位，例如同励磁电压比相,即可测出定尺和滑尺之间的相对位移。fflB 7.3感应同步器西安工业大学机电学院鉴幅法根据感应电势的幅值来鉴别位移量。在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但 幅值不同的正弦激励电压，即us=Ussincot Us=U$n(p、j fuc=Uc sin cot Uc=-UU1 cos cp定尺输出的总感应电势为=es+ec=kcoU sin(g Ojsin cot】兀 wI幅值 感应同步器相当于调幅器，可由幅值变化测量位移量。tfjg 7.3感应同步器西安工业大学机电学院0 X=2 7Tx/W相对位移X司 TUR F西安工业大学机电学院蠡7.3感应同步器3、感应同步器的运用数显表数显表是一种高精度位移丈量仪、广泛运用于航空、航海及数控机床等的精度丈量和定位跟踪方面。特点：1）准确丈量静态位移量，又能在运动中输出动 态移量。2）精度高、速度快、体积小、分量轻。3）抗 干扰才干强。4）数码显示，操作简单。主要技术目的：1）显示范围：角度丈量0-359.999。，直线丈量0-9999.999mm。2）分辨率：角度0.001。3.6或 0.00028。（1 J,直线 0.001 mm。3）动态精度：7.2 4）静态精度：角度3.6或1、直线：1 R m。西安工业大学机电学院数字量传感器作业8光栅作业1、光栅传感器是依托莫尔条纹哪三大特性来进展位移丈量的?2、什么叫细分？什么叫辨向？它们各有什么用途？西安工业大学机电学院*11.0|11-二常用位移传感器一览表（数字量）型式测量范围精确度直线性特点感应 同步 器直线式10-3 l OYm2.5 口 m2 5 0mm模拟和数字混合测 量系统，数字显示（直线式感应同步 器的分辨力可达1 r m）旋转式0o-360 0.5量栅 计虬长光栅1 0-3 103nlm 3|li mIm同上（长光栅分辨 力可达11m）圆光栅0。-360。0.5磁尺长磁尺10一3104mm 5|li mIm测量时工作速度可 达12m/min圆磁尺0。360。1”角度 编码 器接触式0。-360。1 0-6r ad分辨力好，可靠性 高光电式0。-360。1 0-6r ad西安工业大学机电学院型式测量范 围精确 度直线 性特点电 阻 式滑线式线位移1 300mm 0.1%0.1%分辨力较好，可静态或动 态测量。机 械结构不牢 固角位移0-360 0.1%0.1%变阻器 式线位移l-1000m m 0.5%0.5%结构牢固，寿命长，但 分辨力差，电噪声大角位移0-60r 0.5%0.5%应变式非粘贴的 0.15%应变 0.1%1%不牢固粘贴的 0.3%应变 2%-3%使用方便，需温度补偿半导体的 0.25%riT TTTr 2%-c n/满刻 度I C A输出幅值大，温度灵敏性西安工业大学机电学院.,自感式变气隙型 0.2mm 1%3%只宜用于微小位移 测量螺管型1.5 2 mm测量范围较前者宽，使用方便可靠，动 态性能较差特大型3002000mm0.15%-1%差动变压器 0.08-75mm 0.5%0.5%分辨力好，受到磁 场干扰时需屏蔽涡电流式2.5 250m m 1%-3%3%分辨力好，受被测 物体材料、形状、加工质量影响同步机360 o.1 一 7 0.5%可在1200 r/m in转速 工作，坚固，对温 度和湿度不敏感微动同步器 10 1%0.05%非线性误差与变压 比和测量范围有关旋转变压器 60 0.1%1安工业大学机电学院电容式变面积10-3-103mm 0.005%I 1%I受介电常数因环境 温度、湿度而变化 的影响变间距10-3-10mm 0.1%分辨力很好，但测 量范围很小，只能 在小范围内近似地 保存线性霍尔元件 1.5mm0.5%结构简单，动态特 性好