传感器_06数字式传感器讲解

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1、传感器原理及应用 2014年5月9 日 Principles and Applications of Transducer 机械与汽车工程学院 主 讲：黄海鸿 电 邮：allenhuanghaihong 地 址：机械楼417室 第六章 数字式传感器 n模拟式传感器：需要A/D转换装置 n数字式传感器：将被测参数直接转换成数字 信号输出 n具有很高的测量精度，易于实现系统的快速化、自动化 和数字化，易于与微处理机配合，组成数控系统，在机 械工业的生产和自动测量，在机电控制系统中得到广泛 的应用 n第一节 码盘式传感器 n第二节 光栅式传感器 2 6.1 码盘式传感器 n光学码盘式传感器 n用光电

2、方法把被测角位移转换成以数字代码形式 表示的电信号的转换部件 n光电码盘安装在光源与光敏元件之间，光源通过 窄缝照射在某个半径的码盘上，码盘后方沿此半 径安装多个(视位数而定)光敏元件，便可得到并 行输出信号 光源柱面镜 码盘 狭缝光电元件 3 6.1 码盘式传感器 n光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻 有透光和不透光的图形（形成透光和不透光区） n光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与 位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合 n码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一 码道有一个光敏元件 光电元件的排列与码道一 一对应 光源柱面镜 码盘 狭缝光电元件 平行光 光脉冲 电

3、脉冲 4 6.1 码盘式传感器 n绝对编码器的码盘 n图中为一个6位的二进制码盘。最内圈称为C6码道，一半透光、 一半不透光。最外圈称为C1 码道，一共分成2664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)。测量时，只要根据码盘的 起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。 6位二进制码盘(6个码道) 最小分辨 率？ 1 分辨率：20-21位码盘，码盘 约400-500mm，外圈间隔约1um 5 6.1 码盘式传感器 n绝对编码器 n绝对码编码器相对于内部参考，能给出与可动单元或圆盘 的每个可分辨位置相对应

4、的唯一数字输出。可动单元由具 有明显特性并用二进制值0或1表示的区域构成。它们的编 码带排列可以使计读系统直接给出与每个位置相对应的编 码数。每个编码带对应于一个输出位，最里面的编码带对 应于最高有效位。 光源：红外发光二极管 光电探测器：光电晶体管 或光电二极管 6 6.1 码盘式传感器 n绝对编码器的特点 n在被测转角不超过360情况下，绝对型编码器的码盘所 提供的是转角的绝对值，即从起始位置（对应于输出各 位皆为零的位置）所转动的角度。在应用中如遇停电， 恢复供电后的显示值仍然能正确地反映当时角度。 n当被测转角大于360时，绝对型码盘将变成增量型码盘 。为了在测大转角时仍能得到转角绝对

5、值，可以用两个 或多个码盘借助机械减速器配合起来，扩大角度量程。 但是，在这种情况下转速低的高位码盘必须制作得相当 精密，其角度误差应该比转速高的低位码盘末位有效值 还要小，否则读数将失去意义。 7 如图所示是光学码盘测角仪的原理图。光源1通过大孔径非球面 聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上。根据码盘所处的转角位 置，位于狭缝4后面的一排光电元件5输出相应的电信号。该信号经放 大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后进行译码显示。纠错电路和 寄存电路在需要时采用。 n绝对编码器的应用：光学码盘测角仪 6.1 码盘式传感器 8 6.1 码盘式传感器 n增量编码器 n由位置待定元件驱动的直尺或低

6、惯性圆盘组成。 n码盘只有一个数据环，且由等宽度的黑白径向条纹构成 ，则码盘转动时可产生串行光脉冲，用脉冲计数器将脉 冲数累加起来也能反映转过的角度大小。但一遇停电就 会把累加脉冲数丢失，必须有停电记忆措施。 直线和旋转增量 位置编码器 优点：结构简单，只 要一个分得足够细的 数据环和一个光敏元 件，便可工作。 9 6.1 码盘式传感器 n增量编码器 n应用 n编码圆盘的常用直径为25 mm90 mm。直线增量编码器能以达 0.5 um/周期的分辨率和达50 um的精度对位置进行测量。 n通常用于位置控制。例如：磁盘和磁带驱动器的读写头定位 ，打印机、复印机和传真机中的纸定位，自动机床中刀具的

7、定 位以及尺寸大小的计量。小型旋转编码装置由于寿命较长而可 以取代仪器面板上的控制电位器。 n缺点 n每当断电或在刚一通电之后便丢失位置信息。 n不能检测移动方向，除非增添辅助部件。为了辨向，往往 要将两个光敏元件装在相距一定角度的位置上，根据受光 时刻的先后辨别方向。 10 6.1 码盘式传感器 n增量编码器 n光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电 元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦 波的电信号，经过整形、放大和微分处理后，输出脉冲信号。通过 记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时 间脉冲的数目，就可以求出速度。 n设A相比B

8、相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转， 利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。 节距 鉴向盘 零位计数 使用鉴向器进行相位比较 11 6.1 码盘式传感器 n增量编码器的使用 nDSP定时向工控机发送脉冲数值 n工控机程序： EncCounter = (ReceiveInfoi.Data48) +(ReceiveInfoi.Data5); EncValue = (ReceiveInfoi.Data68) +(ReceiveInfoi.Data7); WholeValue = EncCounter*60000 + EncValue; 转动圈数 当前脉冲数 总脉冲数 12 6.1

9、 码盘式传感器 n编码器形状 n长春一光（ ） 空心轴编码器实心轴编码器 注意：安装时，要避免与编码器刚性连接！ 13 6.1 码盘式传感器 n增量编码器的应用 n测量转轴转角 14 6.1 码盘式传感器 n增量编码器的应用 n在印染行业中的应用 n双心轴编码器 15 6.1 码盘式传感器 n编码器的应用 n校直机 16 6.1 码盘式传感器 n编码器的应用 nOMRON n ml 17 6.2 光栅式传感器 n光栅 n由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列 构成的光器件。 n按工作原理，分为物理光栅和计量光栅。前者的刻线比 后者细密。 n物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分

10、析和 光波长测定等方面。 n计量光栅即光栅式传感器，利用光栅的莫尔条纹现象， 广泛应用于位移的精密测量与控制中。分为透射光栅和 反射光栅。 衍射 光栅 18 6.2 光栅式传感器 n光栅式传感器类型 n根据结构分类 n长光栅，用于测量线位移 n圆光栅，用于测量角位移 n根据原理分类 n透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上 许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图中a为刻线宽度 ，b为刻线间的缝隙宽度，a+bW 称为光栅的栅距(或光 栅常数) n反射光栅 19 6.2 光栅式传感器 n光栅式传感器组成 n光源、聚光镜、光栅副和光电接收元件 n光栅副由标尺光栅(也称主光栅)和指示光栅组成。标尺

11、光栅与指示 光栅之间保持有一定的间隙。指示光栅一般比标尺光栅短得多，通 常刻有与主光栅同样密度的线纹 n当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替 变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电 脉冲信号，并用数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离 平行光 20 6.2 光栅式传感器 n莫尔条纹 n标尺光栅与指示光栅成某一较小夹角叠放时，在近于垂直栅线方向 上形成明暗相间的条纹（在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线 从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开， 形成暗带） n莫尔条纹的半宽度BH由光栅栅距W与两光栅的夹角决定。 注意：条纹间距（宽度

12、）B 21 n莫尔条纹技术的特点 n调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大 作用，又提高了测量精度。 n莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作 进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量 精度或可以采用较粗的光栅。 n光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的 局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。 n因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是 用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。 6.2 光栅式传感器 22 6.2 光栅式传感器 n测量过程（单点信号检测） n当标尺光栅与指示光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同 步移动。由于条纹间距B远大于光栅栅距W，栅

13、距被放 大许多倍。光电元件测出莫尔条纹的移动，通过脉冲计 数得到位移的度量。 n莫尔条纹的光强度变化近似为正弦变化。 23 6.2 光栅式传感器 n测量过程 n在a位置，两块光栅刻线重叠，透过的光最多，光强最大；在位置c ，光被遮去一半，光强减小；在位置d，光被完全遮去而成全黑， 光强为零。光栅继续右移；在位置e，光又重新透过，光强增大。 在理想状态时，光强的变化与位移成线性关系。但在实际应用中两 光栅之间必须有间隙，透过的光线有一定的发散，达不到最亮和全 黑的状态；再加上光栅的几何形状误差，刻线的图形误差及光电元 件的参数影响，所以输出波形是一近似的正弦曲线。 如何辨别运动方向？ 24 径向

14、光栅进行角度测量 当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出 条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。 6.2 光栅式传感器 25 透射式光路(常用光路) 1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。 6.2 光栅式传感器 26 6.2 光栅式传感器 n应用光栅线位移传感器 nKG1型开式光栅线位移传感器是一种高精度测量装置，它同 光栅数显表配合组成长度测量系统，广泛应用于机床、仪器 、仪表的精密检测。其特点为开启式结构，即扫描头与光栅 标尺分离，间隙由机床（仪器

15、）本身导轨保证，经调试后可 获得高精度。该传感器采用100线/mm的高精度光栅，输出两 路相位差90的正弦波信号。其测量范围大、精度高、使用 方便，适用于各类高精度测量仪器，如测长机和高精度数控 加工机械，可配接光栅数显表配合光栅计数卡接计算机使用 。 27 6.2 光栅式传感器 n应用光学机械式鼠标位移检测 n是在纯机械式鼠标基础上进行改良，通过引入光学技术来提高鼠标 的定位精度。光机鼠标也有一个胶质的小滚球，连接着X、Y转轴， 但不再有圆形的译码轮，代之的是两个带有栅缝的光栅码盘，并且 增加了发光二极管和感光芯片。当鼠标在桌面上移动时，滚球会带 动X、Y转轴的两只光栅码盘转动，而X、Y发光

16、二极管发出的光便会 照射在光栅码盘上，由于光栅码盘存在栅缝，在恰当时机二极管发 射出的光便可透过栅缝直接照射在两颗感光芯片组成的检测头上。 如果接收到光信号，感光芯片便会产生“1”信号，若无接收到光 信号，则将之定为信号“0”。接下来，这些信号被送入专门的控 制芯片内运算生成对应的坐标偏移量，确定光标在屏幕上的位置。 28 尺身尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定）扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长光栅 6.2 光栅式传感器 29 扫描头（与移动部件固定）光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构（续） 6.2 光栅式传感器 30 反 射 式 光 栅 6.2 光栅式传感器 31 透 射 式 光 栅 6.2 光栅式传感器 32 透 射 式 圆 光 栅 固定 6.2 光栅式传感器 33 光栅在光栅在 机床上机床上 的安装的安装 位置（位置（ 2 2个自个自 由度）由度） 6.2 光栅式传感器 34 光栅在光栅在 机床上机床上 的安装的安装 位置（位置（ 3 3个