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1、第5章 位移、角度、速度检测传感器,5.1 光栅位移检测传感器,5.1.2光栅位移传感器的组成,1.光栅,a,b,w,图5-3 黑白型光栅,5.1.2光栅位移传感器的组成,2. 光栅光学系统,5.1.3光栅位移传感器的工作原理,B,w,B,w/2,/2,5.1.3光栅位移传感器的工作原理,B,两光栅刻线交角越大，莫尔条纹间距B越小,X=iw x-光栅移动的位移；i-光电脉冲的个数,5.1.3光栅位移传感器的工作原理,利用莫尔条纹实现位移测量的特点： 1）莫尔条纹间距对光栅栅距的放大作用； 2）莫尔条纹对光栅栅距局部误差的消差作用。 莫尔条纹变化：,莫尔条纹从亮条纹到暗条纹变化是逐渐过度的，光敏
2、元件接收的光强度呈周期性变化即由暗 弱 半亮 亮 半亮 弱 暗；或由亮 半亮 弱 半亮 亮。,变化规律如图所示：,其输出波形近似于正弦波形，可表示如下：,U=U0+Umsin(2x/w) U0输出信号的直流分量； Um 交流信号的幅值。,5.1.3光栅位移传感器的工作原理,标尺光栅位移方向的辨别：,在指示光栅上安装两个光敏元件Ta、Tb，它们相距B/4，这样它们的输出ua、ub相位相差90。通过辨别莫尔条纹是上移还是下移来判断标尺光栅是左移还是右移。,辩向光敏元件位置图,5.1.3光栅位移传感器的工作原理,标尺光栅位移方向的辨别：,B,5.1.3光栅位移传感器的工作原理,辩向电路如图所示：,辩
3、向电路,莫尔条纹下移时Ta先感知莫尔条纹， ub落后ua 90,莫尔条纹上移时Tb先感知莫尔条纹， ua 落后 ub 90,波形图,5.1.4光栅细分技术,莫尔条纹光学细分法=ws/wr 放大因子 ws稀光栅栅距 wr密光栅栅距,=1,=2,=4,5.1.4光栅细分技术,莫尔条纹电子细分法,单排分区,双排分区,5.1.5 光栅位移传感器与单片机的接口,HCTL-20XX系列芯片 芯片引脚,5.1.5 光栅位移传感器与单片机的接口,单片机与HCTL-2016芯片的接口电路,5.2光电编码盘角度检测传感器,5.2.1绝对式光电编码盘 绝对式光电编码盘的结构与工作原理,4位二进制编码盘,光电检测原理
4、图,1）结构,2）工作原理,5.2光电编码盘角度检测传感器,提高分辨率的措施 1）增加码盘的位数编码盘分辨率=360/2nn二进制数码的位数编码盘的位数越多，码道数越多，扇区数越多，能分辨的角度越小，分 辨率越高。 2）采用多级编码盘 系统的分辨率=1/2m360/2nm 低位码盘的位数n高位码盘的位数,5.2光电编码盘角度检测传感器,减小误码率的方法1）采用循环码法,5.2光电编码盘角度检测传感器,2）采用扫描法,扫描法编码盘展开示意图,5.2光电编码盘角度检测传感器,5.2.2 增量式光电编码盘 增量式光电编码盘的结构与工作原理,（a）编码盘,（b）A、B码道上的缝隙,（c） A、B信号相
5、序,5.2光电编码盘角度检测传感器,编码盘方向的辨别,（a）辩向电路,（b）输出波形,5.2光电编码盘角度检测传感器,5.2.3 光电编码盘与单片机的接口 绝对式光电编码盘与单片机的接口 1）采用循环码的编码盘 a）软件法将循环码转换成二进制码 通用公式：,n-循环码的最高下标,b）硬件法将循环码转换成二进制码,4位循环码转换电路,5.2光电编码盘角度检测传感器,c）与单片机的接口电路,5.2光电编码盘角度检测传感器,2）采用扫描法的绝对式编码盘与单片机接口电路,5.3直流测速发电机,5.3.1直流测速发电机的工作原理 工作原理,直流测速发电机原理图（动画）,5.3.1直流测速发电机的工作原理
6、,感应电动势,5.3.2影响直流测速发电机输出特性的因素及对策,输出特性 感应电动势E与转速n的关系： E=Cn C 与发电机结构有关的常数； 磁通 直流测速发电机负载回路,理想输出特性,5.3.2影响直流测速发电机输出特性的因素及对策,影响因素及对策 温度的影响测速发电机周围温度的变化及它本身的发热都会引起电机励磁绕阻的变化。温度升高时，绕阻电阻增大，励磁电流减小，磁通也随之减小，输出的电压就降低；反之，输出的电压就上升。 对策：1）磁路设计得比较饱和；2）在励磁电路中串联一个阻值比励磁绕阻大几倍的附加电阻来稳流；3）用永磁材料励磁。 电枢反应的影响 电枢反应：由于电枢磁场的存在，气隙中的磁
7、场发生畸变，这种现象称 为电枢反应。,5.3.2影响直流测速发电机输出特性的因素及对策,（a）定子励磁绕阻产生的主磁场,（b）电枢绕阻产生的电枢磁场,（c）主磁场与电枢磁场合成的磁场,5.3.2影响直流测速发电机输出特性的因素及对策,电枢磁场对主磁场有去磁作用。负载电阻越小，或者转速越高，电枢中的电流就越大，电枢反应去磁作用越强，磁通被削弱越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大。,受电枢影响的输出特性,对策：给出最大线性工作转速和最小负载电阻值,5.3.2影响直流测速发电机输出特性的因素及对策,延迟换向去磁,（a）换向开始,（b）换向过渡,（c）换向结束,5.3.2影响直流测速发电机输出特性
8、的因素及对策,延迟换向：由于电感作用，线圈中仍有电动势存在，使电流过零时刻延迟。 延迟换向会产生去磁作用。其去磁作用的大小与转速的平方成正比，因此在高速时输出特性会呈非线性。如图所示：,受延迟换向影响的输出特性,对策：限制最高转速,5.3.2影响直流测速发电机输出特性的因素及对策,输出感应电动势的波纹 影响因素：电动势波纹的存在与发电机的结构（电机槽数、线圈数、换向片数）及制造误差（电枢铁心的椭圆度、偏心等）有关。 对策：采用无槽直流测速发电机。 电刷接触压降 影响因素：电刷和换向器的材料、电刷的电流密度、电刷的电流方向、电刷单位面积上的压力、接触表面的温度、换向器圆周线速度、换向器表面的化学状态和机械方面的因素。 输出特性：,对策：采用接触压降较小的银石墨电刷；采用铜电刷，并在它与换向器的表面镀银层，降低接触电阻,5.3.3 直流测速发电机与单片机的接口,直流测速发电机与单片机的接口电路,
