中南大學(xué)傳感與檢測(cè)ppt ch14-數(shù)字式傳感器

1、 第14章 數(shù)字式傳感器共二十九頁(yè)14. 數(shù)字式傳感器14.1 概述1）數(shù)字式傳感器的定義 數(shù)字式傳感器是把被測(cè)模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。即數(shù)字式傳感器能夠直接將非電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，不需要A/D轉(zhuǎn)換，直接用數(shù)字表示。2）數(shù)字式傳感器的特點(diǎn)相對(duì)模擬式傳感器的特點(diǎn)：具有高抗干擾能力和高信噪比數(shù)據(jù)可高速遠(yuǎn)距離傳輸，而不會(huì)引入動(dòng)態(tài)遲后。能同時(shí)做到高測(cè)量精度和大測(cè)量范圍。易于與計(jì)算機(jī)接口。數(shù)字式傳感器就可達(dá)到很高的控制精度和響應(yīng)速度。與數(shù)字式執(zhí)行器配合使用(shyng)，特別適用于重復(fù)性的工作中。數(shù)字式傳感器便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量，使用方便。工作可靠性高，安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。共二十九頁(yè)14.1 概

2、述3）數(shù)字式傳感器的分類 按照輸出信號(hào)的形式，常用的數(shù)字式傳感器可分為三類：脈沖輸出式數(shù)字傳感器（如光柵傳感器、感應(yīng)同步器、增量編碼器等），編碼輸出式數(shù)字傳感器（如絕對(duì)編碼器等），頻率(pnl)輸出式數(shù)字傳感器。 此外，數(shù)字式傳感器也可分為直接數(shù)字式傳感器和準(zhǔn)數(shù)字式傳感器兩大類。 直接數(shù)字式傳感器是指它的輸出為二元形式（0-1）的信號(hào)準(zhǔn)數(shù)字式傳感器是指以頻率形式輸出的諧振式傳感器。 14. 數(shù)字式傳感器共二十九頁(yè)14.2 編碼器 編碼器因?yàn)樵摼取⒏叻直媪透呖煽啃远鴱V泛應(yīng)用于多種檢測(cè)系統(tǒng)中。它能把角位移或線位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。相應(yīng)的編碼器是角度數(shù)字編碼器(碼盤)和直線位移編碼器(碼尺)。 編碼

3、器的種類很多，根據(jù)編碼器的結(jié)構(gòu)形式、編碼方式、檢測(cè)方式以及光路方式不同(b tn)而分成不同(b tn)的類型，如圖所示。 其中，用于角位移測(cè)量的旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是最直接和最有效的數(shù)字式傳感器。14. 數(shù)字式傳感器共二十九頁(yè)14.2 編碼器1）光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與分類 用光電方法將轉(zhuǎn)角和位移轉(zhuǎn)換為各種代碼形式的數(shù)字脈沖 按結(jié)構(gòu)形式分為直線式的線性編碼器和旋轉(zhuǎn)式的軸角編碼器，按編碼方式分為增量式和絕對(duì)式兩種。2）光電式編碼器的工作原理(yunl)(1) 增量式編碼器 如圖所示為增量式編碼器的結(jié)構(gòu)圖。光源通過碼盤上有三個(gè)碼道，由三個(gè)光電元件接收，其對(duì)應(yīng)輸出Z(零位脈沖)、A(增量脈沖)及B(辨向脈

4、沖)三位脈沖信號(hào)。共二十九頁(yè)14.2 編碼器2）光電式編碼器的工作原理(2) 絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器將被測(cè)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼，指示其絕對(duì)位置，這種編碼器通過(tnggu)讀取編碼盤上的圖案來確定數(shù)值。 絕對(duì)式編碼器光源發(fā)射的光線經(jīng)柱面透鏡變成一束平行光，照射在編碼盤上。編碼盤上有一環(huán)環(huán)間距不同并按一定編碼規(guī)律刻畫的透光和不透光扇形區(qū)，稱為碼道。 圖a為光電式絕對(duì)式編碼器的碼盤，是四位二進(jìn)制編碼。 普通二進(jìn)制編碼盤由于相鄰兩扇區(qū)圖案變化時(shí)使用中易產(chǎn)生較大誤差，因而在實(shí)際應(yīng)用中大都采用圖b所示格雷(循環(huán))編碼。 共二十九頁(yè)14.2 編碼器2）光電式編碼器的工作原理 根據(jù)(gnj)碼盤的起始和終

5、止位置確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過程無關(guān)。二進(jìn)制碼盤的特點(diǎn)*：n位(n個(gè)碼道)的二進(jìn)制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n，其最小分辨力:13600/2n，最外圈角節(jié)距為21；二進(jìn)制碼為有權(quán)碼, 編碼Cn,Cn-1, ，C1對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，CK變化時(shí)，所有Cj(jK)應(yīng)同時(shí)變化。存在問題：相鄰兩扇區(qū)刻線偏差(pinch)或讀數(shù)誤差影響大共二十九頁(yè)14.2 編碼器2）光電式編碼器的工作原理循環(huán)碼盤的特點(diǎn)(tdin)*：n位循環(huán)碼碼盤有2n種不同編碼；循環(huán)碼盤有軸對(duì)稱性，其最高位相反(對(duì)稱軸不同)，其余各位相同；循環(huán)碼為無權(quán)碼；循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，碼中只有一位變化，不會(huì)產(chǎn)

6、生粗差。 循環(huán)碼是無權(quán)碼，直接譯碼困難，一般先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，再譯碼。共二十九頁(yè)14.2 編碼器2）光電式編碼器的工作原理(yunl) 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換*4位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)照表式中 R循環(huán)碼； C二進(jìn)制碼； i所在的位數(shù), i=0n-1； 不進(jìn)位“加”，即異或。共二十九頁(yè)14.2 編碼器3）光電式編碼器分辨率的提高方法 (1) 倍頻法 在增量式編碼器中，采用電路細(xì)分技術(shù)，不改變編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)輸出脈沖進(jìn)行倍頻電路處理來提高分辨率和抗干擾能力。下圖為4倍頻電路。 來自編碼器的方波信號(hào)A,B相差90，用RC電路在一個(gè)(y )周期內(nèi)獲得4個(gè)邊沿，從而實(shí)現(xiàn)倍頻。順時(shí)針轉(zhuǎn)，輸出f+；反時(shí)針

7、轉(zhuǎn)，輸出f-共二十九頁(yè)14.2 編碼器3）光電式編碼器分辨率的提高方法 在增量式編碼器中，為提高分辨率采用(ciyng)電路細(xì)分和光學(xué)分解相結(jié)合的技術(shù)方法，又稱為插值法。下圖所示為在已具有14條（位）碼道的碼盤上增加1條專用附加碼道。共二十九頁(yè)14.2 編碼器4）光電編碼器的應(yīng)用 光電編碼器的結(jié)構(gòu)常見有空心軸和實(shí)心軸兩種形式 ，空心軸編碼器體積較大(jio d)，一般用于電極和裝置；實(shí)心軸編碼器體積較小，通常用于小巧和高精度裝置中。 增量式編碼器輸出脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)常見2005000,3600108000和202500等幾類。 下圖是光電碼器測(cè)角裝置原理圖，光源1通過大孔徑非球面聚光鏡2形成狹長(zhǎng)的光

8、束照到碼盤3上。由碼盤轉(zhuǎn)角位置決定位于狹縫4后的光電器件5所輸出的信號(hào)。輸出信號(hào)經(jīng)放大，鑒幅、整形以及加糾錯(cuò)和寄存電路，再經(jīng)當(dāng)量變換，最后譯碼顯示。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器 光柵式傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種計(jì)量光柵，主要用于位移測(cè)量及與位移相關(guān)的物理量（如：速度(sd)、加速度(sd)、振動(dòng)、質(zhì)量、表面輪廓等方面）測(cè)量。1）光柵的基本結(jié)構(gòu)（1）光柵 光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線有透明的和不透明，或者是對(duì)光反射的和不反射的。圖所示為黑白型長(zhǎng)光柵，光柵上的刻線稱為柵線。 共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器1）光柵的基本結(jié)構(gòu)(2) 光柵的分類 光

9、柵種類很多，按工作(gngzu)原理分為物理光柵和計(jì)量光柵兩種。 計(jì)量光柵其分類如圖所示。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器(2) 光柵的分類長(zhǎng)光柵 刻線在玻璃尺上的光柵稱為長(zhǎng)光柵（也稱為光柵尺），用于測(cè)量長(zhǎng)度或直線(zhxin)位移，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 根據(jù)柵線型式的不同，長(zhǎng)光柵分為黑白光柵和閃耀光柵。黑白光柵指只對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)調(diào)制的光柵(又稱振幅光柵)其柵線密度為20125線/mm。閃耀光柵是對(duì)入射光波的相位調(diào)制(又稱相位光柵)，閃耀光柵的線槽斷面分對(duì)稱形和不對(duì)稱形，長(zhǎng)度測(cè)量主要采用對(duì)稱形，柵線密度:1502400線/mm。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器(2) 光柵的分類長(zhǎng)光柵 根據(jù)

10、光線(gungxin)的走向，長(zhǎng)光柵分為透射光柵和反射光柵。 透射光柵是在透明的玻璃上均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵；透射光柵的主光柵一般用普通工業(yè)用的白玻璃，而指示光柵用光學(xué)玻璃。 反射光柵是在具有強(qiáng)反射能力的基體（不銹鋼或玻璃鍍金屬膜）上均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器（2）光柵的分類(fn li)圓光柵 下圖是圓光柵的結(jié)構(gòu)圖，它是刻劃在玻璃盤上的光柵（又稱光柵盤），用來測(cè)量角度或角位移。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器2）光柵式傳感器的結(jié)構(gòu)光柵式傳感器主要是由光源、透鏡(tujng)、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件等組成（

11、如圖所示）。光源主要是供給光柵傳感器工作所需的光能，它有單色光和普通白光兩種。透鏡主要是將光源發(fā)出的點(diǎn)光轉(zhuǎn)換成平行光，通常采用單個(gè)凸透鏡。光柵副主要是由主光柵和指示光柵組成，是光柵傳感器的核心部分。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器2）光柵式傳感器的結(jié)構(gòu) 主光柵是測(cè)量的基準(zhǔn)（又稱為標(biāo)尺光柵），其長(zhǎng)度由測(cè)量范圍確定；而指示光柵一般比主光柵短得多，為一小塊，只要能滿足測(cè)量所需的莫爾條紋數(shù)量即可，通常刻有與主光柵同樣密度的線紋（如圖所示）。 光電接收元件是將光柵副形成的莫爾條紋的明暗強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為電量輸出(shch)，主要包括有光電池和光敏三極管。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器3）光柵傳感器工作原理

12、(1) 莫爾條紋形成(xngchng)的原理 光柵式傳感器是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來進(jìn)行測(cè)量的。莫爾條紋：指把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對(duì)疊合(片間留很小的間隔)，并使兩者柵線(光柵刻線)之間保持很小夾角 ，于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間條紋。 橫向莫爾條紋的斜率為： tan=tan/2 橫向莫爾條紋（寬帶與暗帶）的間距為:共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器3）光柵傳感器工作原理（1）莫爾條紋形成的原理 可見，莫爾條紋的寬度由光柵常數(shù)與光柵的夾角決定。對(duì)于給定光柵常數(shù)的兩光柵，夾角愈小，條紋寬度愈大，條紋愈稀，通過調(diào)整夾角，可使條紋寬度具有任何所需要的值。（2）莫爾條紋的特性運(yùn)動(dòng)對(duì)

13、應(yīng)關(guān)系 莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向與主光柵相對(duì)于指示(zhsh)光柵的位移量和位移方向有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 位移放大作用 莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為：減小誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量柵線(常為數(shù)百條)共同形成的，對(duì)柵的刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除柵距的局部誤差和短周期誤差的影響。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器4）光柵常用的光學(xué)系統(tǒng)（光路） 在光柵傳感器中，用來(yn li)照明和接收莫爾條紋信號(hào)的光學(xué)系統(tǒng)有多種型式。直接接收式光學(xué)系統(tǒng)左圖所示為一般的透射光路，右圖所示為一般的反射光路。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器4）光柵常用(chn yn)的光學(xué)系統(tǒng)（光路）影像式光學(xué)系

14、統(tǒng) 右上圖所示為最簡(jiǎn)單的影 像式光學(xué)系統(tǒng) 右下圖所示為沒有指示光 柵的影像式光學(xué)系統(tǒng) 共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器4）光柵常用的光學(xué)系統(tǒng)（光路）分光式光學(xué)系統(tǒng) 分光式光學(xué)系統(tǒng)只適用于細(xì)柵距的 相位光柵。 右圖所示為一典型的透射(tu sh)分光式光 學(xué)系統(tǒng)。 左下圖所示是四分透鏡分光式光路。 右下圖為反射分光式光學(xué)系統(tǒng)。共二十九頁(yè)14.3 光柵(gungshn)式傳感器4）光柵常用的光學(xué)系統(tǒng)（光路）粗細(xì)柵距組合的光學(xué)系統(tǒng)左下圖所示是粗細(xì)柵距組合的光學(xué)系統(tǒng)。相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)右下圖所示是利用光學(xué)機(jī)械原理的相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器5）光柵辨向原理 實(shí)用中，大部分被測(cè)

15、物體的移動(dòng)非單向，即有正、反向運(yùn)動(dòng)。 單個(gè)光電元件缺乏辨向能力，從正向移n個(gè)柵距得n個(gè)信號(hào)脈沖，反向移m個(gè)柵距得m個(gè)信號(hào)脈沖，總計(jì)n+m個(gè)脈沖。這和單向移n+m個(gè)柵距的脈沖數(shù)相同，因而結(jié)果不正確。如能根據(jù)正、反向移動(dòng)，對(duì)脈沖進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，可得正確結(jié)果。 完成上述任務(wù)(rn wu)的電路是辨向電路。為了辨向，在相距四分之一條紋間距的位置上設(shè)光電元件1和2，得兩個(gè)相位互差90的莫爾條紋正弦信號(hào)，然后送辨向電路處理。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器6）細(xì)分技術(shù) 所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出多個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量值從而提高(t go)分辨率。 常用的電子細(xì)分有直接細(xì)分法、電阻電橋細(xì)分法和電阻鏈細(xì)分法三種。共二十九頁(yè)14.3 光柵式傳感器7）光柵傳感器的應(yīng)用 光柵傳感器在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，目前較成熟的應(yīng)用范圍有：長(zhǎng)度(chngd)和角度的精密測(cè)量復(fù)合參數(shù)測(cè)量數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)的位 置檢測(cè) 其他物理量檢測(cè)。如速度、加速度、 振動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變、三維面形的檢測(cè)。 左上圖為萬能比長(zhǎng)儀的工作原理圖右下圖為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中光柵部件的 工作原理圖 共二十九頁(yè)內(nèi)容摘要第14章 數(shù)字式傳感器。具有高抗干擾能力和高信噪比。其中，用于角位移測(cè)量的旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是最直接和最有效的數(shù)字式傳感器。編碼盤上有一環(huán)環(huán)