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1、第11章数字式传感器,11. 1 数字编码器 11. 2 光栅式传感器 11. 3 感应同步器 11. 4 频率输出式数字传感器,第11章数字式传感器,前面介绍的传感器大部分是将非电量转换为电模拟量输出，直接配用模拟式仪表显示。当这类模拟信号与电子计算机等数字系统配接时，必须先经过一套模数(A/D)转换装置，将模拟量转换为数字量，才能输入到计算机。这样不但增加投资，也增加系统的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度。 数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量，这样就不需要(A/ D)转换，可以直接用数字显示，提高测量精度和分辨率，并且易于与微机连接，也提高了系统的可靠性。此外，数学式传感器还具有抗
2、干扰能力强、适宜远距离传输等优点。,下一页 返回,第11章数字式传感器,数字式传感器的发展历史不长，到目前为止它的种类还不太多，其中有的可以直接把输入量转换成数字量输出，有的需进一步处理，才能得到数字量输出。,上一页 返回,11. 1数字编码器,数字编码器包括码尺和码盘，前者用于测量线位移，后者用于测量角位移。编码器还可分为绝对式编码器和增量式编码器。 11. 1. 1数字式编码器的输出形式 1.绝对式编码器 绝对式编码器是按位移量直接进行编码的转换器，其精度大于1 %。它的结构和原理可分为接触式、光电式和电磁式。绝对式编码器将被测点的绝对位置转换为二进制的数字编码输出，即便中途断电，重新上电
3、后也能读出当前位置的数据。显然，若要求的分辨力越高、量程越大，二进制的数位就越多，结构就越复杂。,下一页 返回,11. 1数字编码器,2.增量式编码器 增量式编码器测量输出的是当前状态与前一状态的差值，即增量值。它通常是以脉冲数字形式输出，然后用计数器计取脉冲数。因此它需要规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测物理量的值，同时它还要确定一个零位标志，即测量的起始点标志。这样，被测量就等于当量值乘以自零位标志开始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。增量式测量的缺点是:一旦中途断电，将无法得知运动部件的绝对位置。 11. 1. 2数字式编码器的工作原理及应用 下面以光电式编码器为例来说明数字式编码
4、器的工作原理及应用。 光电式编码器是用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,1.增量式光电编码器 (1)增量式光电编码器的结构与原理 增量式光电编码器的结构如图11-1所示。在它的编码盘边缘等间隔地制出n个透光槽。发光二极管(LED)发出的光透过槽孔被光敏二极管所接收。当码盘转过1/n圈时，光敏元件即发出一个计数脉冲，计数器对脉冲的个数进行加减增量计数，从而判断编码盘旋转的相对角度。 (2)增量式光电编码器的应用 增量式光电编码器除了可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，进而用来测量转速。如果通过机械装置，将直线位移转换
5、成角位移，还可以用来测量直线位移。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,2.绝对式光电编码器 (1)绝对式光电编码器的结构与原理 绝对式光电编码器的核心部件是编码盘，编码盘由透明区及不透明区组成。这些透明区及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。图11-2 (a)所示为一个四位自然二进制编码器的编码盘。若涂黑部分为不透明区，输出为“1“，则空自部分为透明区，输出为“0”，它有四条码道，对应每一条码道有一个光电元件来接收透过编码盘的光线。当编码盘与被测物转轴一起转动时，若采用n位编码盘，则能分辨的角度为,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,自然二进制码虽然简单
6、，但存在着使用上的问题，这是由于图案转换点处位置不分明而引起的粗大误差。 为了避免这种误差，可采用格雷码(Gray code)图案的编码盘。格雷码具有代码从任何值转换到相邻值时字节各位数中仅有一位发生状态变化的特点;而自然二进制码则不同，代码经常有2 3位甚至4位数值同时变化的情况。 这样，采用格雷码的方法即使发生前述的错移，由于它在进位时相邻界面图案的转换仅仅发生一个最小量化单位(最小分辨率)的改变，因而不会产生粗大误差。这种编码方法称作单位距离性码，是常采用的方法。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,绝对式光电编码器对应每一条码道有一个光电元件，当码道处于不同角度时，经光电转换的
7、输出就呈现出不同的数码，如图11-2 (b)所示。它的优点是没有触点磨损，因而允许转速高，最外层缝隙宽度可做得更小，所以精度也很高，其缺点是结构复杂、价格高、光源寿命短。 图11-3所示为绝对式光电编码器测角仪的原理图。在采用循环码的情况下，每一码道有一个光电元件;在采用二进码或其他需要“纠错”即防止产生粗大误差的场合下，除最低位外，其他各个码道均需要双缝和两个光电元件。 根据编码盘的转角位置，各光电元件输出不同大小的光电信号，这些信号经放大后送入鉴幅电路，以鉴别各个码道输出的光电信号对应于“0”态或“1”态。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,经过鉴幅后得到一组反映转角位置的编码，
8、将它送入寄存器。在采用二进制、十进制、度分秒进制编码盘或采用组合编码盘时，有时为了防止产生粗大误差要采取“纠错”措施，“纠错”措施由纠错电路完成。有些还要经过代码变换，再经译码显示电路显示编码盘的转角位置。 (2)绝对式光电编码器的主要技术指标 绝对式光电编码器有如下主要技术指标: 分辨率。分辨率指每转一周所能产生的脉冲数。 输出信号的电特性。表示输出信号的形式(代码形式、输出波形)和信号电平以及电源要求等参数称为输出信号的电特性。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,频率特性。频率特性是对高速转动的响应能力，取决于光敏器件的响应和负载电阻以及转子的机械惯量。 使用特性。使用特性包括器
9、件的几何尺寸和环境温度。 3.光电式编码器的应用 (1)位置测量 把输出的脉冲f和g分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量(转角/脉冲)就可测出编码盘转过的角度。为了能够得到绝对转角，在起始位置，对可逆计数器清零。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,在进行直线距离测量时，通常把它装到伺服电动机轴上，伺服电动机又与滚珠丝杠相连，当伺服电动机转动时，由滚珠丝杠带动工作台或刀具移动，这时编码器的转角对应直线 移动部件的移动量，因此，可根据伺服电动机和丝杠的转动以及丝杠的导程来计算移动部件的位置。光电编码器的典型应用产品是轴环式数显表，它是
10、一个将光电编码器与数字电路装在一起的数字式转角测量仪表。它适用于车床、铣床等中小型机床的进给量和位移量的显示。 (2)转速测量 转速可由编码器发出的脉冲频率或脉冲周期来测量。,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,利用脉冲频率测量是在给定的时间内对编码器发出的脉冲计数，然后求出其转速(单位为r/min ) ,即 图11-5 (a)所示为用脉冲频率法测转速的简图，在给定t时间内使门电路选通，编码器输出脉冲允许进入计数器计数，这样可算出t时间内编码器的平均转速。 利用脉冲周期测量转速，是通过计数编码器一个脉冲间隔内(脉冲周期)标准时钟的脉冲个数来计算其转速，转速(单位为r/min)可由下述公
11、式计算，即,上一页 下一页 返回,11. 1数字编码器,图11-5 (b)所示为用脉冲周期测量转速的简图，当编码器输出脉冲正半周时选通门电路，标准时钟脉冲通过控制门进入计数器计数，计数器输出N2，即可用上式计算出转速。,上一页 返回,11. 2 光栅式传感器,11. 2. 1光栅的结构和类型 光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杠上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。 1.光栅尺 标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成光栅尺，如图11-6所示，其中长的一块为标尺光栅，短的一块
12、为指示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从图11-6中光栅尺线纹的局部放大部分来看，自的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度。,下一页 返回,11. 2 光栅式传感器,设栅距为W，则W=a+b，一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹的宽度是相等的，即a=b。 2.光栅读数头 光栅读数头由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成，如图11-7 (a)所示。光栅读数头的光源一般采用白炽灯。白炽灯发出的光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。由于光敏元件输出的电压信号比较微弱，因此，必须先将该电压信号进行放大，以避免
13、在传输过程中被多种干扰信号所淹没、覆盖而造成失真。驱动电路的功能就是实现对光敏元件输出信号进行功率放大和电压放大。 按光路分，光栅读数头的结构形式除了垂直入射式外，常见的还有分光读数头、反射读数头等，它们的结构如图11-7 (b)、图11 -7(c)所示。,上一页 下一页 返回,11. 2 光栅式传感器,按其形状和用途，光栅可以分成长光栅和圆光栅两类。长光栅用于长度测量，又称直线光栅;圆光栅用于角度测量。按光线的走向，可分为透射光栅和反射光栅。 11. 2. 2光栅的基本工作原理 1.莫尔条纹 光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔(Moire )，法文的原意是水面上产生的波纹。莫尔条纹
14、是指两块光栅叠合时，出现光的明暗相间的条纹，从光学原理来讲，如果光栅栅距与光的波长相比较是很大的话，就可以按几何光学原理来进行分析。图11 -8所示为两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。,上一页 下一页 返回,11. 2 光栅式传感器,莫尔条纹有如下几个重要特性: (1)消除光栅刻线的不均匀误差 由于光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内许多刻线的综合结果。因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效应，这有利于提高光栅的测量精度。 ( 2)位移的放大特性 莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距
15、w，它随着光栅刻线夹角而改变。 (3)移动特性 莫尔条纹随光栅尺的移动而移动，它们之间有严格的对应关系，包括移动方向和位移量。,上一页 下一页 返回,11. 2 光栅式传感器,图11-8中主光栅相对指示光栅的转角方向为逆时针方向。主光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动;主光栅向右移动，莫尔条纹向上移动。 (4)光强与位置关系 两块光栅相对移动时，从固定点观察到莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2，这种正弦波形的光强变化照射到光电元件上，即可转换成电信号关于位置的正弦变化。 当光电元件接收到光的明暗变化，则光信号就转它可以用光栅位移量x的余弦函数表示为,上一页
16、 下一页 返回,11. 2 光栅式传感器,2.辨向原理 在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是做明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号，就无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。 图11-10所示为辨向的工作原理和它的逻辑电路。 3.细分技术 由前面讨论可知，当光栅相对移动一个栅距W，则莫尔条纹移过一个间距B，与门输出一个计数脉冲，这样其分辨率为w。为了能分辨比w更小的位移量，就必须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，这种方法就称为细分。,上一页 下一页 返回,11. 2 光栅式传感器,由于细分后计数脉冲的频率提高了，故又称为倍频。通常采用的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。作为电子细分方法，它们均属于非调制信号细分法，下面简要介绍电桥细分法。 电桥细分法的基本原理可以用下面的电桥电路来说明。 图11-11 (a)的电桥电路Uo1和Uo
