现代检测技术与系统胡向东电子课件第9章节

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1、第9章,数字式传感器,学习导航,9.1 光电编码器,光电编码器按照被测物理量形式可分为线位移和角位移编码器，线位移编码器用于测量直线位移，也叫码尺，角位移编码器用于测量角位移，即将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器，也叫旋转编码器 角位移编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种，它是非接触式测量，寿命长、可靠性高，测量精度和分辨率能达到很高水平 光电编码器的缺点是结构复杂，光源寿命较短,码盘式编码器（绝对编码器）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 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

2、不透光部分，即亮区和暗区 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“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,9.1.1 码盘式编码器,码盘式编码器工作过程,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01

3、0111（码盘“内高外低”、编码“左高右低）。（第32位呢？） 测量时根据码盘的起始和终止位置可以确定角位移，而与转动的中间过程无关（故称绝对码盘）。 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。,二进制码的特点：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0100和0011,1000和0111。 编码器采用二进制编码的缺点：任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。如四位的 0000顺时针到1111（15，对应角度？），可能为1000（8，对应角度？ ）。 解决办法：为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码

4、。 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。 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。,四位二进制码与循环码对照表,码制转换,循环码的特点：译码较困难。 解决办法：先转换成二进制,编码,解码,码盘式编码器的特点,被测转角不超过360度时，它所提供的是转角的绝对值，即从起始位置（对应于输出各位均为0的位置）所转过的角度 在使用中如遇停电，在恢复供电后的显示值仍然能正确地反映当时的角度。故称为绝对型角度编码器 当被测角大于3

5、60度时，为了仍能得到转角的绝对值，可以用两个或多个码盘与机械减速器配合，扩大角度量程，如选用两个码盘，两者间的转速为10:1，此时测角范围可扩大10倍,脉冲盘式编码器（增量编码器）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。,9.1.2 脉冲盘式编码器,脉冲盘式编码器是在圆盘上开有内、外两圈相等角矩的缝隙，内、外圈的相邻两缝隙之间的距离错开半条缝宽。 在内外圈之外的某一径向位置，也开有一缝隙，表示码盘的零位，码盘每转一圈，零位对应的光敏元件就产生一个脉冲，称为“零位脉冲”。 光栏板上有两个狭缝，其距离是

6、码盘上两个相邻狭缝距离的四分之一倍，并设置了两组对应的光敏元件，对应图中的A、B两个信号（四分之一间距差保证了两路信号的相位差为900，便于辨向），C信号代表零位脉冲。 当码盘随被测工作轴转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线明暗的变化，通过光敏元件产生一次电信号的变化，所以每圈码道上的缝隙数将等于其光敏元件每一转输出的脉冲数。利用计数器记录脉冲数，就能反映码盘转过的角度。,工作原理,辨向原理,光敏元件1和2的输出信号经放大整形后，产生矩形脉冲P1和P2，它们分别接到D触发器的D端和C端，D触发器在C脉冲（即P2 ）的上升沿触发。两个矩形脉冲相差四分之一个周期（或相位相差900）。 当正转时，设

7、光敏元件1比光敏元件2先感光，即脉冲P1超前脉冲P2 900，D触发器的输出Q=1 ，使可逆计数器的加减控制线为高电位，计数器将作加法计数。同时P1和P2又经与门Y输出脉冲P ，经延时电路送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。 当反转时，P2超前P1 900，D触发器输出Q=0，计数器进行减法计数。 设置延时电路的目的是等计数器的加减信号抵达后，再送入计数脉冲，以保证不丢失计数脉冲。 不论是正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故称为增量式编码器。,9.1.3 两类编码器的对比,把输出的两个脉冲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

8、个数量乘以脉冲当量（转角/脉冲）就可测出码盘转过的角度。为了能够得到绝对转角，在起始位置时，对可逆计数器要清零。 在进行直线距离测量时，通常把它装到伺服电动机轴上，伺服电机与滚珠丝杆相连，当伺服电动机转动时，由滚珠丝杆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杆的转动以及丝杆的导程来计算移动部件的位置,9.1.4 光电式编码器的应用-测位置,9.1.4 光电式编码器的应用-测转速,频率法： 在给定时间内，使门电路选通，编码器输出脉冲允许进入计数器计数。然后由下式求出其转速： 例：设某编码器的额定工作参数是 N2048 脉冲/转，在0.2 S时间内

9、测得8192个脉冲，求其转速。 解：根据上式有：,9.1.3 光电式编码器的应用-测转速,周期法： 通过计数编码器一个脉冲间隔内（半个脉冲周期）标准时钟脉冲个数来计算其转速，因此，要求时钟脉冲的频率必须高于编码器脉冲的频率 例：设某编码器的额定工作参数为N 1024 脉冲/转，标准时钟脉冲周期 T106 s，测得编码器输出的两个相邻脉冲上升沿之间标准时钟脉冲输出个数为1000个，求其转速。 解：根据题意可知，编码器一个脉冲间隔内标准时钟脉冲的输出个数为： N21000/2500 由上式有：,9.2 计量光栅,9.2.1 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、

10、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。 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。 目前常用的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。,光栅莫尔条纹的形式,2. 光栅测量原理,两块具有相同栅距的长光栅叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角 ，则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。 在两块光栅栅线重合的地方，透光面积最大，出现亮带（图中的 d-d）；有的地方两块光栅的栅线错开，形成了不透光的暗带（图中的 f-f）。 当夹角 减小时，条纹间距BH增大

11、，适当调整夹角可获得所需的条纹间距。,(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。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为,越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了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。,莫尔条纹测位移的三个特点,（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

12、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短周期误差的影响。,例如： 对50线/mm的光栅，用4mm宽的光电元件进行接收，那么光电元件所接收到的就是总共达200条光栅刻线的集体作用的结果，光电元件的输出是这200条刻线共同对光调制结果的总和。 假定其中某一刻线的位置偏移了1 um，则它所造成的光电元件的输出相当于整个光栅的偏差约为0.07um。 莫尔条纹的这种误差平均效应使得它在应用中对光栅质量的要求可以大大降低，这对高精度的测量非常有利。,9.2.2 计量光栅的组成 计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头

13、、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. 光电转换 光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比主光栅短得多，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。 主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。,光栅读数头结构示意图,莫尔条纹是一个明暗相间的带。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

14、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，光强变化理想情况为三角形，实际接近于正弦周期函数（原因：两块光栅间有间隙、光线的衍射、刻线边缘不平与弯曲等），如以电压输出，即,输出电压反映了位移量的大小。当x从0变化到W时，相当于角度变化了3600，一个栅距W对应一个信号周期。如果采用50线mm的光栅，当主光栅移动了xmm，指示光栅上的莫尔条纹就移动了50x条；反之，将此条数用计数器记录，就可知道移动的相对距离。,计量光栅的位移过程,2. 辨向与细分 光栅读数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

15、量除了确定大小之外，还应确定其方向 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 为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。 在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件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。,当光栅沿A方向移动时(u1超前u2 900)，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u

16、2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。,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。 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。,(2) 细分技术 前面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。 细分方法有机械细分和电子细分两类。,9.2.3 计量光栅的应用,万能测长仪的组成,光栅双闭环数控机床位置测控系统,闭环系统由PC运动控制卡、伺服驱动系统、光栅尺等组成，整个系统由内外两个位置环组成 工作台位移精度取决