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1、第十三章第十三章 数字式传感数字式传感器器第一页，本课件共有33页数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点:（1 1）测量精度和分辨率高；）测量精度和分辨率高；（2 2）稳定性好，抗干扰能力强；）稳定性好，抗干扰能力强；（3 3）便于与微机接口，信号易于处理和存储适宜）便于与微机接口，信号易于处理和存储适宜远距离传输；远距离传输；（4 4）可以减少读数误差。）可以减少读数误差。第二页，本课件共有33页数字式传感器的发展历史不长，到目前为止它有两数字式传感器的发展历史不长，到目前为止它有两种类型：种类型：（1 1）以编码方式产生代码型的数字信号；代码型）以
2、编码方式产生代码型的数字信号；代码型数字传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，数字传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一个代码对应一个输入量的值。这类传感器有绝每一个代码对应一个输入量的值。这类传感器有绝对式光电编码器和接触式码盘等对式光电编码器和接触式码盘等.（2 2）输出计数型的离散脉冲信号；计数型数字传感）输出计数型的离散脉冲信号；计数型数字传感器又称脉冲数字传感器，它输出的脉冲数与输入量器又称脉冲数字传感器，它输出的脉冲数与输入量成正比。这类传感器有增量式光电脉冲编码器、光成正比。这类传感器有增量式光电脉冲编码器、光栅传感器等。栅传感器等。第三页，本课件共有33页 数字式传
3、感器可以测线位移，也可以测角数字式传感器可以测线位移，也可以测角位移，还可用来计数。如计数型传感器加上计位移，还可用来计数。如计数型传感器加上计数器可用来检测输送带上的产品个数。数字式数器可用来检测输送带上的产品个数。数字式传感器在自动检测和自动控制中得到了日益广传感器在自动检测和自动控制中得到了日益广泛的应用。泛的应用。本章主要介绍常用的数字式位置检测传感本章主要介绍常用的数字式位置检测传感器，如光栅传感器、光电式编码器和感应同步器，如光栅传感器、光电式编码器和感应同步器等。器等。第四页，本课件共有33页 13131 1 光栅传感器光栅传感器 光光栅栅按按工工作作原原理理和和用用途途可可分分
4、为为：物物理理光光栅栅和和计计量量光光栅栅。物物理理光光栅栅是是利利用用光光栅栅的的衍衍射射现现象象，主主要要用用于于光光谱谱分分析析和和光光波波波波长长的的检检测测。计计量量光光栅栅则则利利用用光光栅栅的的莫莫尔尔条条纹纹现现象象主主要要应应用用于于线线位位移移和和角角位位移移的的检检测测。计量光栅按应用场合不同有：透射光栅和反射光栅。计量光栅按应用场合不同有：透射光栅和反射光栅。按用途不同有：测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅；按光按用途不同有：测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅；按光栅的表面结构不同有幅值栅的表面结构不同有幅值(黑白黑白)光栅和相位光栅和相位(闪耀闪耀)光栅。光栅
5、。第五页，本课件共有33页13131 11 1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理 1 1光栅结构光栅结构 图图中中a a为为栅栅线线的的宽宽度度(不不透透光光)，b b为为栅栅线线间间宽宽(透透光光)，“a+ba+bw w称称为为光光栅栅的的栅栅距距(也也称称光光栅栅常常数数)。通通常常a=ba=bW W2 2，也也可可刻刻成成a a：b b1.11.1：0.90.9。目前常用的光栅每毫米刻成。目前常用的光栅每毫米刻成l0l0、2525、5050、l00l00、250250条等线条。条等线条。第六页，本课件共有33页2 2光栅测量原理光栅测量原理 把把两两块块栅栅距距相相等等的的光光栅
6、栅(光光栅栅l l，光光栅栅2)2)面面向向对对替替合合在在一一起起，中中间间留留有有很很小小的的间间隙隙，并并使使两两者者的的栅栅线线之之间间形形成成一一个个很很小小的的夹夹角角，如如图图13132 2所所示示。这这样样就就可可以以看看到到在在近近于于垂垂直直栅栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。第七页，本课件共有33页 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹两块光栅的栅线重合部位，透光面积最大，形成条纹的亮带，它两块光栅的栅线重合部位，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；两块光栅的栅线错开部位，形成是由一系
7、列四棱形图案构成的；两块光栅的栅线错开部位，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。第八页，本课件共有33页莫尔条纹测位移具有以下特点：莫尔条纹测位移具有以下特点：(1)(1)位移的放大作用位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距当光栅每移动一个光栅栅距W W时莫尔条纹便跟着移时莫尔条纹便跟着移动动个条纹宽度个条纹宽度B BH H如果光栅作反向移动，条纹移动方如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距向也相反。莫尔条纹的间距B
8、BH H与两光栅线纹夹角与两光栅线纹夹角之间之间的关系为的关系为 越小，越小，B BH H越大，这相当于把栅距越大，这相当于把栅距W W放大了放大了1 1 倍。例倍。例如如 0.10.1度，则度，则1/=5731/=573，即莫尔条纹宽度，即莫尔条纹宽度B BH H是栅是栅距距W W的的573573倍这相当于把栅距放大了倍这相当于把栅距放大了573573倍，说明光栅倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。第九页，本课件共有33页(2)(2)莫尔条纹移动方向反映位移方向莫尔条纹移动方向反映位移方向 如如光光栅栅1 1沿沿着着刻刻线线垂垂直直
9、方方向向向向右右移移动动时时，莫莫尔尔条条纹纹将将沿沿着着光光栅栅2 2的的栅栅线线向向上上移移动动；反反之之当当光光栅栅l l向向左左移移动动时时，莫莫尔尔条条纹纹沿沿着着光光栅栅2 2的的栅栅线线向向下下移移动动。因因此此根根据据莫莫尔尔条条纹纹移移动动方方向向就就可可以以对对光光栅栅l l的的运运动动进进行行辨向。辨向。(3)(3)误差的平均效应误差的平均效应 莫莫尔尔条条纹纹由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线形形成成对对线线纹纹的的刻刻划划误误差差有有平平均均抵抵消消作作用用能能在在很很大大程程度度上上消除短周期误差的影响。消除短周期误差的影响。（4 4）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化
10、）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化 第十页，本课件共有33页13131.2 1.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装光栅传感器作为一个完整的测量装置包括置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量光栅读数头利用光栅原理把输入量(位移量位移量)转换成响应的电信号的部分；转换成响应的电信号的部分；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。能的电子系统。第十一页，本课件共有33页1 1光栅读数头光栅读数头 光光栅栅读读数数头头主主要要由由标标尺尺（主主）光光栅栅、指指示示（
11、副）光栅、光路系统和光电元件等组成。（副）光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指指示示光光栅栅比比标标尺尺光光栅栅短短得得多多但但两两者者一一般般刻刻有有同同样样的的栅栅距距，使使用用时时两两光光栅栅互互相相重重叠叠。两两者者之之间间有有微微小小的的空空隙隙。标标尺尺光光栅栅一一般般固固定定在在被被测测物物体体上上，且且随随被被测测物物体体一一起起移移动动，其其长长度度取取决决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。第十二页，本课件共有33页 从图看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从黑暗到渐从
12、图看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从黑暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距的渐变过程。主光栅移动一个栅距W W光强变化一个周期若用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电信号.接近于正弦周期函数，如以电压输出即接近于正弦周期函数，如以电压输出即第十三页，本课件共有33页 2 2光栅数显表光栅数显表 光光栅栅读读数数头头实实现现了了位位移移量量由由非非电电量量转转换换为为电电量量，位位移移是
13、是向向量量因因而而对对位位移移量量的的测测量量除除了了确确定定大大小小之之外外，还还应应确确定定其其方方向向。为为了了辨辨别别位位移移的的方方向向，进进一一步步提提高高测测量量的的精精度度，以以及及实实现现数数字字显显示示的的目目的的，必必须须把把光光栅栅读读数数头头的的输输出出信信号号送送入入数数显显表作进一步的处理。表作进一步的处理。光光栅栅数数显显表表由由整整形形放放大大电电路路、细细分分电电路路、辨辨向电路及数字显示电路等组成。向电路及数字显示电路等组成。第十四页，本课件共有33页辨辨向向原原理理：采采用用一一个个光光电电元元件件的的光光栅栅读读数数头头，无无论论主主光光栅栅作作正正向
14、向还还是是反反向向移移动动，莫莫尔尔条条纹纹都都作作明明暗暗交交替替变变化化，光光电电元元件件总总是是输输出出同同一一规规律律变变化化的的电电信信号号，不不能能辨辨别别运运动动方方向向。为为了了能能够够辨辨向向，需需要要有有相相位位差差为为/2/2的两个电信号。的两个电信号。第十五页，本课件共有33页第十六页，本课件共有33页（2)2)细分技术细分技术 为为提提高高分分辨辨率率和和测测量量比比栅栅距距更更小小的的位位移移量量，可采用细分技术。可采用细分技术。所所谓谓细细分分，就就是是在在莫莫尔尔条条纹纹信信号号变变化化一一个个周周期期内内，发发出出若若干干个个脉脉冲冲，如如一一个个周周期期内内
15、发发出出n n个个脉脉冲冲。即即可可使使测测量量精精度度提提高高到到n n倍倍，而而每每个个脉脉冲冲相相当当于于原原来来栅栅距距的的1/n1/n。由由于于细细分分后后计计数数脉冲频率提高到了脉冲频率提高到了n n倍，因此也称之为倍，因此也称之为n n倍频倍频。第十七页，本课件共有33页 在上述辨向原理中可知，在相差在上述辨向原理中可知，在相差B BH H/4/4位置上安装位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差两个光电元件，得到两个相位相差 的电信号、的电信号、若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差 的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四的信号，
16、从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。个计数脉冲，实现四倍频细分。第十八页，本课件共有33页13132 2编码器编码器 将将机机械械转转动动的的模模拟拟量量(位位移移)转转换换成成以以数数字字代代码码形形式式表表示示的的电电信信号号，这这类类传传感感器器称称为为编编码码器器。编编码码器器以以其其高高精精度度、高高分分辨辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。第十九页，本课件共有33页 编编码码器器按按其其结结构构形形式式有有接接触触式式、光光电电式式、电电磁磁式式等等，后后两两种种为为非非接接触触式式编编码码器器。非非接接触触式式
17、编编码码器器具具有有非非接接触触、体体积积小小和和寿寿命命长长，且且分分辨辨率率高高的的特特点点。其其中中光光电电式式编编码码器器的的性性价价比比最最高高，它它作作为为精精密密位位移移传传感感器器在在自自动动测测量量和和自自动动控控制制技技术术中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用。目目前前我我国国已已有有2323位光电编码器。位光电编码器。第二十页，本课件共有33页13132 21 1 光电式编码器光电式编码器 由由安安装装在在旋旋转转轴轴上上的的编编码码圆圆盘盘(码码盘盘)、窄窄缝缝以以及及安安装装在在圆圆盘盘两两边边的的光光源源和和光光敏敏元元件件等等组组成成。码码盘盘由由光光学学玻玻璃璃
18、制制成成，其其上上刻刻有有许许多多同同心心码码道道，每每位位码码道道上上都都有有按按一一定定规规律律排排列列的的透透光光和和不不透透光光部部分分，即即亮亮区区和和暗暗区区。当当光光源源将将光光投投射射在在码码盘盘上上时时，转转动动码码盘盘，通通过过亮亮区区的的光光线线经经窄窄缝缝后后，由由光光敏敏元元件件接接收收。光光敏敏元元件件输输出出信号的组合反映出按一定规律编码的数字量。信号的组合反映出按一定规律编码的数字量。第二十一页，本课件共有33页二进制码盘具有以下主要特点二进制码盘具有以下主要特点:(1)(1)一一个个n n位位二二进进制制码码盘盘的的最最小小分分辨辨率率，即即能能分分辨辨的的角
19、角度度为为(2)(2)二二进进制制为为有有权权码码，编编码码C Cn n,C,Cn-1n-1.,C.,C1 1对对应应于于有有零零位位算起的转角为算起的转角为 ；（3 3）码码盘盘转转动动中中，C CK K变变化化时时，所所有有的的C Cj j(jK)(jK)应应同同时时变化。变化。第二十二页，本课件共有33页 采用二进制编码器时，任何微小的采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划
20、误差等原因，同时改变。如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。粗误差。为了消除粗误差，可采用双读数为了消除粗误差，可采用双读数头法，或用循环码代替二进制码。头法，或用循环码代替二进制码。第二十三页，本课件共有33页（1 1）循环码是一种无权码，循环码是一种无权码，（2 2）从从任任何何数数变变到到相相邻邻数数时时，仅仅有有一一位位数数码码发发生生变变化化，如如果果任任一一码码道道刻刻划划有有误误差差，只只要要误误差差不不太太大大，且且只只可可能能有有一一个个码码道道出出现现读读数数误误差差产产生生的的误误差差最最多多等等于于最最低低位
21、位的的一一个个比特。比特。（3 3）对对于于n n位位循循环环码码码码盘盘，与与二二进进制制码码一一样样，具具有有 种种不同编码，最小分辨率为不同编码，最小分辨率为 第二十四页，本课件共有33页 因因为为循循环环码码是是一一种种无无权权码码，这这给给译译码码造造成成一一定定困困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。第二十五页，本课件共有33页13132 22 2 磁编码器磁编码器 由磁鼓与磁阻探头组成。由磁鼓与磁阻探头组成。第二十六页，本课件共有33页 13.313.3感应同步器感应同步器 感感应应同同步步器器是是利利用用两两个个平平面面形形印印刷刷电
22、电路路绕绕组组的的互互感感随随相相对对位位置置不不同同而而变变化化的的原原理理，将将直直线线位位移移或或角角位位移移转转换换成成电电信号。信号。第二十七页，本课件共有33页13133 31 1 结构原理结构原理 感感应应同同步步器器有有直直线线式式和和旋旋转转式式两两种种，分分别别用用于于直直线线位位移移和和角角位位移移测测量量，两两者者原原理理相相同同。直直线线式式(长长)感感应应同同步步器器由由定定尺尺和和滑尺组成。滑尺组成。在在定定尺尺和和转转子子上上的的是是连连续续绕绕组组，在在滑滑尺尺和和定定子子上上的的则则是是分分段段绕绕组组。分分段段绕绕组组分分为为两两组组，在在空空间间相相差差
23、9090度度相相角角，故故又又称称为为正弦、余弦绕组。正弦、余弦绕组。第二十八页，本课件共有33页13133 32 2 信号处理方式信号处理方式 按按信信号号处处理理方方式式来来分分可可分分为为鉴鉴相相和和鉴鉴幅幅方方式式两两种种。特特征征是是用用输输出出感感应应电电动动势势的的相相位位或或幅幅值值来来进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。进行处理。下面以长感应同步器为例进行叙述。1 1鉴相方式鉴相方式 滑滑尺尺的的正正余余弦弦绕绕组组在在空空间间位位置置上上错错开开l/4l/4定定尺尺节节距距，激激励励时时加加上上等等幅幅等等频频，相相位位差差为为9090度度的的交交流流电电压压，即即分
24、分别别以以sinwtsinwt和和coswtcoswt来来激激励励，这这样样，就就可可根根据据感感应应电电势势的的相相位位来来鉴鉴别别位位移移量量，故叫鉴相型。故叫鉴相型。第二十九页，本课件共有33页当正弦绕组单独激励时励磁电压为当正弦绕组单独激励时励磁电压为感应电势为感应电势为式中：式中：k k为耦合系数。为耦合系数。当余弦绕组单独激励时当余弦绕组单独激励时(励磁电压励磁电压 )，感应电势为感应电势为第三十页，本课件共有33页按叠加原理求得定尺上总感应电动势为按叠加原理求得定尺上总感应电动势为 式式中中的的2x/w2x/w称称为为感感应应电电动动势势的的相相位位角角，它它在在一一个个节节距距
25、W W之之内内与与定定尺尺和和滑滑尺尺的的相相对对位位移移有有一一一一对对应应的的关关系系，每每经经过过一个节距，变化一个周期一个节距，变化一个周期(2)(2)。第三十一页，本课件共有33页2 2鉴幅方式鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。加到滑尺两绕组的交流励磁电压为加到滑尺两绕组的交流励磁电压为式中：式中：激励电压幅值；激励电压幅值；给定的电相角。给定的电相角。第三十二页，本课件共有33页它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为:定尺的总感应电势为定尺的总感应电势为 式中把感应同步器两尺的相对位移式中把感应同步器两尺的相对位移 和感应电势的幅值和感应电势的幅值 联系了起来。联系了起来。第三十三页，本课件共有33页