《数字式传感器》PPT课件.ppt

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1、第13章 数字式传感器,13.1 光栅传感器 13.2 编码器 13.3 感应同步器,13.1 光 栅 传 感 器,13.1.1 光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构 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，图13-1为透射光栅的示意图。图中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ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、250条线条。,图13 1 透射光栅示意图,2. 光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中

2、间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，如图13-2所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图13 - 2可见，在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。,图13-2 光栅莫尔条纹的形式,莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。 (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BH，如果光栅作反向移动，条纹

3、移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为,（13 - 1）,越小，BH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BH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。,（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。 (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

4、短周期误差的影响。,13.1.2 光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。,1. 光栅读数头 光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头的结构示意图见图13- 3。,图13 3 光栅读

5、数头结构示意图,前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图13-2看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数(如图13 -4所示)， 如以电压输出，即,（13 - 2）,式中： uo光电元件输出的电压信号； Uo输出信号中的平均直流分量； Um输出信号中正弦交流分量的幅值。,由式（13 - 2）可见，输出电压反映了位移量的大小。,图13-4 光栅位移与光强、输出电压的关系,2. 光栅数显表 光栅读数

6、头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量， 因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。 为了辨别位移的方向， 进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。 ,（1） 辨向原理 采用图13-3中一个光电元件的光栅读数头， 无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化， 光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。 图13-5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置上，放置两个

7、光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。,从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲, 正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2 的“1”电平时， 与门Y2输出一个计数脉冲,则说明u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出

8、。 这样就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。,图13 5 辨向逻辑工作原理,(2) 细分技术 在前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用的四倍频细

9、分法， 这种细分法也是许多其它细分法的基础。,在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/2的电信号。 若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。,13.2 编 码 器,将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广

10、泛用于各种位移的测量。 编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：,脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出， 能方便地与数字系统（如微机）连接。 编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等， 后两种为非接触式编码器。非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量

11、和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国已有23位光电编码器， 为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。,13.2.1 光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构如图13-6所示。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。码盘构造如图13-7所示，它是一个6位二进制码盘。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，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， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“

12、1”，后者为“0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。,编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循环码等。 对于图13-7所示的6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成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。这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n， 一个6位二进制码盘， 其最小分辨的角度5.6。,图

13、13-6 光电式编码器示意图,图13-7 码盘构造,采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。 这主要是因为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。 为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。表13-1 给出了四位二进制码与循环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差

14、。 由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。图13 - 8所示的是一个6位的循环码码盘。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。,表13-1 四位二进制码与循环码对照表,图13-8 6位循环码码盘,循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。 按表13 -1 所列，可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为,或,式中： R循环码； C二进制码。,(13-3),根据上式用与非门构成循环码-二进制码转换器，这种转换器所用元件比较多。如采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码或任意进制码。 大多数编码器都是单盘的，全部码

15、道则在一个圆盘上。但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精度也难以达到。如要达到1左右的分辨率，至少采用 20 位的码盘。对于一个刻划直径为 400mm的20位码盘，其外圈分划间隔不到1.2m，可见码盘的制作不是一件易事，而且光线经过这么窄的狭缝会产生光的衍射。这时可采用双盘编码器， 它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。,13.2.2 磁编码器 磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成， 它的构成如图13-9所示。多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓， 在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成形； 另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性

16、材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关， 而与电流平行的磁场无关。,图13 9 磁编码器的基本结构,电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁

17、化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。,13.3 感 应 同 步 器,13.3.1 结构原理 感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成，如图13-10所示。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成，如图13-11所示。在定尺和转子上的是连续绕组， 在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组， 在空间相差90相角，故又称为正弦、余弦绕组。工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压

18、，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（或转子与定子）的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理， 便可测量出直线或转角的位移量。,图13-10 长感应同步器示意图 (a) 定尺； (b) 滑尺,图13-11 圆感应同步器示意图 (a) 定子； (b) 转子,13.3.2 信号处理方式 按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。 1. 鉴相方式 滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开1/4定尺的节距， 激励时加上等幅等频，相位差为90的交流电压，即分别以sin

19、t和cost来激励，这样，就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量， 故叫鉴相型。,当正弦绕组单独激励时励磁电压为us=Um sint，感应电势为,式中，k为耦合系数。 当余弦绕组单独激励时（励磁电压为uc=Umcost）, 感应电势为,按叠加原理求得定尺上总感应电动势为,式中的=2x/称为感应电动势的相位角，它在一个节距W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系，每经过一个节距， 变化一个周期（2）。,2. 鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、 同相但幅值 不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量， 称为鉴幅型。 加到滑尺两绕组的交流励磁电压为,(13-7),(13-8),

20、式中 Us=Um sin； Uc=Um cos； Um激励电压幅值； 给定的电相角。,它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为,es=kUs sint sin ec=kUc sint cos,定尺的总感应电势为,e=es+ec=kUs sint sin+kUc sint cos =kUm sint(cos cos+sinsin) =kUm sint cos(-),式中把感应同步器两尺的相对位移x=2/和感应电势的幅值kUm cos(-)联系了起来。,13.3.3 感应同步器位移测量系统 图13 -12为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。 脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列，经过脉冲相位变

21、换器进行N分频后，输出参考信号方波0和指令信号方波1。 参考信号方波0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。感应同步器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波2。指令信号1和反馈信号2同时送给鉴相器，鉴相器既判断2和1相位差的大小，又判断指令信号1的相位超前还是滞后于反馈信号2的相位。,图13 12 鉴相测量方式数字位移测量装置方框图,假定开始时1=2，当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的感应电压的相位2（即反馈信号的相位）发生变化。此时12，由鉴相器判别之后，将有相位差=2-1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。此误差信号控制门电路“开门”的时间，使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。 通过门电路的脉冲，一方面送给可逆计数器去计数并显示出来；另一方面作为脉冲相位变换器的输入脉冲。 在此脉冲作用下，脉冲相位变换器将修改指令信号的相位1，使1随2而变化。当1再次与2相等时，误差信号=0，从而门被关闭。 当滑尺相对定尺继续移动时，又有=2-1作为误差信号去控制门电路的开启，门电路又有脉冲输出， 供可逆计数器去计数和显示，并继续修改指令信号的相位1，使1和2在新的基础上达到1=2。因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中，就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来。,