数字式传感器幻灯片.ppt

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1、1,数字式传感器,1 光栅传感器 2 光电编码器 3 磁栅式传感器,2,光栅基础 1.光栅的结构 光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。 栅线光栅上的刻线，宽度a 缝隙宽度b 栅距w=a+b（也称光栅常数）,3,2、分类 按原理和用途：物理光栅和计量光栅 物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。 计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。,4,2、分类 按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属） 透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料 反射式光栅：刻划基面采用金

2、属材料 按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅） 黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构； 相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。,5,2、分类 按应用类型：长光栅和圆光栅,长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移,6,构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),7,圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.,8,栅距,栅线宽度,缝隙宽度,栅距角,9,圆光栅分类： 根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种

3、： 径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅: 一簇等间距同心圆组成. 若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。,10,11,3.莫尔条纹,1).莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角时, 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。,12,莫尔条纹演示,13,长光栅横向莫尔条纹,14,横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角 很小，条纹近似与栅线的方向垂

4、直，故称为横向莫尔条纹。,纵向莫尔条纹：当栅线的夹角0，且两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。,光闸莫尔条纹：当栅线的夹角0, 且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。,15,横向莫尔条纹,光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹,16,2) 莫尔条纹的特征,、位移放大作用,相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角的关系为：,17,结论： 越小, k越大，B越大。 例如：=0.1， W=0.02mm时 =0.1=0.12/360=0.00175432rad 则：B=11.4592mm。,莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：,18,、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性,光栅移动一个栅距

5、，莫尔条纹移动一个条纹间隔； 光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。 当移动的刻线数i和角度一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比，即：,19, 误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。,20,工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。 特点： 数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比，

6、数字式传感器抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。,7.2 光栅传感器的工作原理,21,一、光电转换原理,1光源；2聚光镜；3光栅主尺；4指示光栅； 5光敏元件；6莫尔条纹；7光强分布,22,光闸莫尔条纹光电转换原理,理想情况：三角形,23,二、光闸莫尔条纹测量位移原理 当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时,根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距w时,电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：,直流分量,交流分量,光栅相对位移量,24,当波形重复到原来的相位和幅值时,相当于光栅移动了一个栅距w,如果光栅相对位移了N个栅距,此时位移x=NW。

7、 因此,只要能记录移动过的莫尔条纹数N,就可以知道光栅的位移量x值。这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的原理。,25,三、辨向原理及辨向电路,1）辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。,26,2）辨向原理与辨向电路,为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个莫尔条纹信号相差90相位。 实现的方法是在相隔B4条纹间隔的位置上安装两只光敏元件,当莫尔条纹移动

8、时两个狭缝的亮度变化规律完全一样,相位相差2。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。,27,图7.5 辨向原理,28,1、2光电元件；3指示光栅；4莫尔条纹； A光栅移动方向；B莫尔条纹移动方向； U1元件AB对应的输出电压； U2元件CD对应的输出电压；,29,AB与CD两个狭缝在结构上相差2,所以它们在光电元件上取得的信号必是相差2。 AB为主信号,CD为门控信号。 当主光栅作正向运动时,CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过,门电路在可逆计数器中作加法运算； 当主光栅作反方向移动时,则CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过,门电路在可逆计

9、数器中作减法运算。,30,辨向电路,31,U1和U2经过整形后得两个方波信号U1和U2 。 U1产生计数脉冲， 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所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向正确的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。 ,32,当光栅沿A向移动时,莫尔条纹向B向移动。 U2超前U1 90。U1经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）正好发生在U2的“1”电平时, 从而经Y1输出一个加计数脉冲; 而U1经反相并微分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与U2的“0”电平相遇, 与门Y2被阻塞, 无脉冲

10、输出。 当光栅沿A反方向移动时, 莫尔条纹向B反向移动。U1超前U290。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输出一个减计数脉冲。,33,辨向电路各点波形,34,35,7.3 莫尔条纹细分技术,目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。 细分方法： 1.增加光栅刻线密度； 2.电子细分； 3.机械和光学细分。,36,电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内, 发出n个脉冲, 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倍频法。 通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥

11、细分等。,37,1. 四倍频细分 方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，得到四个相差依次为/2的电压信号；或在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相差/2的电压信号。,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）。,38,相距B/4放置四个光电元件,39,四倍频细分电路原理框图,40,细分前后比较,41,7.4 光栅传感器的光学系统,组成：光源、透镜、光栅、光敏元件,光源：白炽灯或其它发光元件； 透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上； 光敏元件：输

12、出电压信号；,形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等,42,1、透射直读式,特点：光电元件采用四极硅光电池构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差/2，相当于对莫尔条纹信号进行四细分。,43,特点：标尺光栅为反射式光栅， 光源经透镜成平行光束并以一定角度射向指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅反射回来的光线与指示光栅相互作用而成。,（b）反射直读式,2、反射直读式,44,特点：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利用光的衍射和干涉现象测量位移。,3、反射积分式,45,7.5 光栅传感器的应用,由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化

13、，因而在机械工业中得到了广泛的应用。 光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。,46,例: 光栅式万能测长仪,47,光源：红外发光二极管 主光栅：透射式黑白振幅光栅； 指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为/2的原始信号； 光电元件：光电三极管 四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。,48,光栅传感器的应用,日本仓敷KBT-11WA卧式加工中心,49,编码器,1 认识编码器 2 编码器的测量对象 3 编码器测量直线位移的方式 4 绝对式测量 5 增

14、量式测量 6 编码器在数字测速中的应用 7 编码器在主轴控制中的应用,50,光电编码器,光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移 量。,51,1 认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）,编码器,伺服电机,伺服电机,编码器,伺服电机,伺服电机,编码器,编码器,编码器,播放,52,2 编码器的测量对象,编码器,轴式,套式,电信号,二进制编码,脉冲,53,3 编码器测量直线位移的方式（1）编码器装在丝杠末端,编码器,通过测量滚珠丝杠的角位移，间接获得工作台的直线位移x，构成位置半闭环伺服系统。,xt/360 ,54,（2）丝杠螺距,编码器,螺母,丝杠,

15、螺距,x=？,设:螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求:丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母移动的平均速度v又为多少？,螺距,55,编码器,（3）编码器和伺服电动机同轴安装,xt/360 ,56,（4）编码器和伺服电动机同轴安装,编码器,工作台,丝杠,伺服电动机,编码器,导轨,57,（5）编码器和伺服电动机同轴安装,编码器,光电编码器,伺服电动机,联轴器,滚珠丝杠,滑块,光电编码器信号输出,伺服电动机电源,58,（6）编码器两种安装方式比较,编码器,x,x,编码器装在丝杠末端与前端（和伺服电动机同轴）在位置控制精度上有什么区别？,59,4 绝对式测量（ABS）（

16、1）信号性质,编码器,0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 ,1 1 1 1 337.5 ,输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。,60,（2）接触式绝对码盘,编码器,4个电刷,4位二进制码盘,最小分辨角 3602n,当n4，3602422.5,导电为“1”，非导电为“0”,61,（3）绝对式光电码盘,编码器,LED,光敏元件,62,5 增量式测量（INC）（1）信号性质,编码器,输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对 的累加，即，角位移 N。 如： 0.352，脉冲N1000，则： 0.3521000 352,63,（2）

17、增量式光电编码器的结构,编码器,码盘,光栏板,LED,零位标志 （一转脉冲）,光敏元件,360条纹数,36010240.352,透光条纹,64,（3）辨向,编码器,光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。 当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。,65,（4）辨向信号,编码器,A,B,A,B,A 超前于B 90，正向,A 滞后于B 90，反向,66,（5）倍频（细分）,编码器,/4,细分前,4细分后,在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于

18、将原编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。,67,（6）零标志（一转脉冲）,编码器,一转（360）,C,C,在码盘里圈，还有一条狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。,68,（7）零标志在回参考点中的作用,编码器,Z 轴参考点,X 轴参考点,Y 轴参考点,回参考点方式,SINUMERIK数控系统工作方式开关,69,（8）回参考点减速开关,编码器,限位开关,参考点减速开关,滑块,70,（9）回参考点示意图,编码器,减速寻找零标志,零标志找到,参考点位置,速度,慢速,快速,行程,碰到参考点减速开关,播放,71,6 编码

19、器在数字测速中的应用（1）模拟测速和数字测速的比较,编码器,M,TG,U,测速发电机,n,Un,72,（2）M法测速（适合于高转速场合）,编码器,m1,T,有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为 ：,n = 60 65536 /（1024 5）=768 r/min,编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为: n = 60m1/（NT）,73,（3）T法测速（适合于低转速场合）,编码器,编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，

20、则转速(r/min)为： n = 60fc / （Nm2 ）,有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：,n = 60fc /（Nm2 ） =60106/（10243000）=19.53 r/min,74,7 编码器在主轴控制中的应用(1)主轴编码器,编码器,75,（2）主轴编码器用于C 轴控制,编码器,主轴编码器,回转刀盘,自驱刀头,C,Z,n,工件,卡盘,主轴,76,（3）主轴编码器用于螺纹车削,编码器,车削螺纹时，为保证每次切削的起刀点不变，防止“乱牙”，主轴编码器通过对起刀点到退刀点之间的脉

21、冲进行计数来达到车削螺纹的目的。,播放,77,小 结,编码器,1. 编码器用来测量角位移。在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移间接测量出直线位移，表达式为 xt/360 。 2. 绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。 3. 增量式编码器输出信号要进行辨向、零标志和倍频等处理。 4. 编码器用于数字测速，有M法和T法等方式；在数控车床中用于C 轴控制和螺纹切削。,78,磁栅式传感器,磁栅优点： 价格低于光栅、制作简单、复制方便； 测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长； 易安装和调整、抗干扰能力强。,79,大尺寸磁栅尺外形图,80,一、磁栅的组成及类型,1磁栅的组成,磁

22、栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。,l磁尺； 2尺基； 3磁性薄膜； 4铁心； 5磁头,81,磁栅的外形及结构图,82,2磁栅的类型,长磁栅,圆磁栅,（测量直线位移）,（测量角位移）,尺形,带形,同轴形,83,1磁头 2磁栅 3屏蔽罩 4基座 5软垫,84,磁尺,磁栅外观图,磁头,85,德国SIKO 磁栅尺,86,磁头与磁尺相对运动时的输出波形,二、磁栅传感器的工作原理,1基本工作原理,磁栅传感器工作原理动画演示,87,磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、 磁头和检测电路组成。 磁尺是用非导磁性材料做尺基， 在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜， 然后录上一定波长的磁信号而制成的。 磁信号的

23、波长（周期）又称节距， 用W表示。 磁信号的极性是首尾相接， 在N、 N重叠处为正的最强， 在S、S重叠处为负的最强。 磁尺的断面和磁化图形如图所示。,1基本工作原理,88,图5-4-1 磁栅传感器示意图,89,这里以静态磁头为例，简要说明磁栅传感器的工作原理。 静态磁头的结构如上图所示，它有两组绕组N1和N2。其中， N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5 kHz或25 kHz， 幅值约为200 mA。 励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在

24、励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。,90,式中：Em感应电势的幅值 W磁栅信号的节距 x机械位移量,磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：,91,2信号处理方式,当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：,式中： 机械位移相角，,92,图5-4-3双磁头结构,双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图5-4-3所示。两磁头按(m14)配置（m为正整数），它们的输出电压分别是,

25、93,为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。,图5-4-4双磁头结构,94,将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：,将两路输出相加，则获得总输出：,（1）鉴相方式,95,磁尺与磁头接触，使用寿命 不如光栅，数年后易退磁。,设置两个磁头的 意义何在？,96,利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。经检波器去掉高频载波后可得 ：,（2）鉴幅方式,与光栅的信号辨向、细分一致。,97,鉴幅型磁栅传感器的原理框图,98,磁栅数显装置的结构示意图 1磁性标尺

26、2磁头 3固定块 4尺体安装孔 5泡沫垫 6滑板安装孔 7磁头连接板 8滑板,三、磁栅数显装置,99,国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：,1磁头放大器（SF023）,2磁尺检测专用集成芯片（SF6114）,主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相 900；通道A和通道B信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显 表供给两只磁头的励磁信号。,主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大； 供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号 经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。,100,4可逆计数芯片（WK50395）,3磁尺细分专用集成芯片（SIM01

27、1）,主要功能：对磁尺的节距W200m实现200或40 或20等分的电气细分，从而获得1、5、 10m的分辨力（最小显示值）。,该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道MOS六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位用BCD码置数，及有异步清零功能。,101,1磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,四、磁栅式传感器的应用,数显,102,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,2应用实例,103, 54 感应同步器,圆感应同步器与角度数显表外形图 （参考航天数显中心）,104,优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。,用途：可用来测量直线或转角位移。,分类：

28、测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。,105,一、感应同步器的结构和类型,圆盘式感应同步器示意图,直线式感应同步器示意图,1结构,106,定尺与滑尺绕组关系图,107,感应同步器的解剖图,108,2类型,直线式,旋转式（圆盘式）,带型,标准型,窄型,109,直线式感应同步器的尺寸和精度一览表,110,带型感应同步器外形图（参考东方仿真）,111,二、感应同步器的工作原理,感应同步器原理动画演示,112,在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为,设感应线圈 A的中心从励磁线圈中心右移的距离为x ，则感应电动势为,上式中：Em=K0Um,K主要与两绕组

29、的相对位置等因素有关,113,如图滑尺绕组有两组，相差1/4个周期，则有,114,从励磁形式来说一般可分为二大类： 一类是以滑尺(或转子)励磁，由定尺(或定子)取感应电动势， 另一类则相反。 依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。,115,1鉴相方式,在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差900的励磁电压us和uc，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：,定尺上的总感应电势为：,116,2鉴幅方式,在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压us和uc，即：,两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：,117,定尺上的总感应电势为：,式中：,感应同步器数显表,118,鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图,三、感应同步器的应用,1定位控制系统,119,鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图,2随动控制系统,120,轮廓仪外形图,