数字式传感器

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三、编码器
➢ 编码器具有高精度、高分辨率和高可靠性，用于位移测量。 ➢ 按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。 ➢ 旋转式编码器有两种——增量编码器和绝对编码器 ➢ 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
进行累计计数。 ➢ 绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。
指示光栅移 动方向
如果改变θ角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知， 条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：
W
tg 2
2B
W
W
cos
2
WW B
W
W
B
2
tg
2 c os
2
tg
W
2
sin
W
2
2
2
2
W
当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿 着这两个光栅刻线夹角的平分线的方向移动，光栅每移动一个W， 莫尔条纹也移动一个间距B。
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反射式光栅
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透射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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2、工作原理 光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学
玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线。常用的光栅每 毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅 长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a + b。 通常取a = b＝W /2。
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循环码盘（格雷码）
1）编码规则 将二进制码右移一位并舍去
最末位与原二进制做不进位加 法（异或）。
2）特点 相邻两个数码之间只有一位
变化。
格雷码 自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但
某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要 变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这 一缺点。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发 生变化，大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。 另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格 雷反射码或循环码。
感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感 器。它的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器 的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位 移量的。
长感应同步器示意图
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直线式感应同步器定尺和滑尺的绕组结构
固定部分 运动部分 绕组节距
直线式感应同 步器
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件
光栅扫描头
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防护罩内为直线光栅
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二、 感应同步器
感应同步器时20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移 （直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：①测量 直线位移的线位移感应同步器；②测量角位移的圆盘感应同步器。
1、感应同步器的结构
绝对式光电编码器
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道）
b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
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绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最
小角度，而这与码盘上的码道数n 有关，即最小能分辨的
角度及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
定尺（连续绕 组）
滑尺（断续绕 组）
W 2(a b)
断续绕组正弦 余弦两部分的 间距
l1
(n 2
1 4
)W1
图12－11 直线感应同步器绕组形式 （a）定尺绕组（b）W型滑尺绕组（c）U型滑尺绕组
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2、感应同步器的工作原理
感应同步器工作原理示意图
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载流线圈所产生的磁场
min
360 2n
➢ 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。 ➢ 它们相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝缘区。 ➢ 编码器光源产生的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。 ➢ 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。 ➢ 当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输 出相应的电平信号。
的激励电压
uis Um sin t
uic U m cost
频率和相位相同，但幅值不 等：
uis Um sin sin t
uic Um cos cost
连续绕组中的感 应电压
e0 KUm cos(t ) KUm cos(t 2 x / W2 )
e0 KUm sin( ) cost
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（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： B ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）
= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
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3、光电转换 光栅传感器的光电转换 系统由聚光镜和光敏元件 组成，如右图 (a)所示。 当两块光栅作相对移动时 ，光敏元件上的光强随莫 尔条纹移动而变化。在a 处两光栅刻线重叠，透过 的光强最大，光电元件输 出的电信号也最大；c处 由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑，光强 为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因 而形成了如上图 (b)所示的输出波形。
第6章 数字式传感器
学习几种常用数字式传感器的结构、原理， 如计量光栅、感应同步器、编码器，并讨论在 直线位移和角位移中测量、控制的应用。
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一、光栅
1、光栅的类型和结构 光栅可分为透射式光栅和反射式光
栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元 件三大部分组成。
计量光栅按形状又可分为长光栅和 圆光栅。
矩形载流线圈中通过电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，线
圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i ( i = I
sinωt )，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线
圈从左至右(或从右至左)移过，如右下图所示。在(a)、(c) 两图所示
的情况下，通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈
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正向运动 产生
加法脉冲
正向 运动时， 与门IC2 无“减” 计数脉 冲输出。
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为光栅设计的专用数据转接器 （光栅计数卡）
内部包含以下电路：放大、整形、 细分、辨向、报警、阻抗变换等。
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为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）
功能同上页
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光栅在机床上的安装位置 （2个自由度）
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光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）
数显表
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2自由度光栅数显表 X位移显示
Z（Y）位移显示
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3自由度光栅数显表
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安装有直线光栅的数控机床加工实况
一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。最简单的 绝对编码器是接触式编码器 ➢ 旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效、直接的数字 式传感器。
1、接触式编码器
码盘与被测的旋转轴相连,沿码 盘的径向安装几个电刷,每个电刷 与码盘上的对应码道直接接触，涂 黑部分为导电区，所有导电部分连 接在一起，接高电位，代表“1”， 空白部分表示绝缘区，为低电位, 代表“0”。每圈码道上都有一个 电刷,电刷经电阻接地。当码盘与 轴一起转动时,电刷上将出现相应 的电位,对应一定的数码
测量精度。
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光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m
采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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（二）电位器桥细分
图12-6 电位器移相原理
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若：
e1 Um cos , e2 Um sin
则：
ui KiUm cos( i )
Ri Ri
tan i
Ki
cosi
1
sin i
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图12-5 48点电位器桥细分电路
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48点电位器桥 细分电路图125图中第i个电 位器电刷两边 电阻比值为：
Ri tan(i 360 )
Ri
转换方法: 二进制码->格雷码（编码）：从最右边一位起，依次将每一 位与左边一位异或(XOR)，作为对应格雷码该位的值，最左边一 位不变(相当于左边是0)； 格雷码-〉二进制码（解码）：从左边第二位起，将每位与左 边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依 然不变）.
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绝对式接触式编码器演示
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4个电刷 4位二进制码盘
+5V输入公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
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2、旋转式光电编码器 （1）增量式旋转光电编码器
工作原理
➢增量编码盘一般只需3条码道； ➢最外圈的码道均布透光与不透光 的扇形区，是用来产生计数脉冲 的增量码道； ➢中间码道有与外圈码道相同数目 的扇形区，但错开半个扇区，为 辨向码道； ➢第三圈码道只有一条透光的狭缝， 作为基准位置，给计数系统提供 初始零位信号；
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5、辨向电路及波形
如果传感器只安装一套光电元件，则 在实际应用中，无论光栅作正向移动还是 反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信 号，无法分辨位移的方向。
例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反 转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将 错误地得到14336个脉冲，而正确值为： (10－4)×1024＝6144个脉冲。
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角
度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨
的角度及分辨率为：
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转轴 LED
光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
ຫໍສະໝຸດ Baidu
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
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（2）绝对式光电编码器 测量原理
光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：
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4、细分技术
（1）直接细分
细分前
细分技术能在不
增加光栅刻线数及价
格的情况下提高光栅
的分辨力。细分前，
光栅的分辨力只有一
个栅距的大小。采用
4细分技术后，计数
细分后
脉 倍
冲的频率提高了4 ，相当于原光栅的
分辨力提高了3倍，
测量步距是原来的
1/4 ， 较 大 地 提 高 了
R1R2…Rn（循环码） 分21个黑白间隔, 对应
R1 分21个黑白间隔，对应
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光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
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可移动电缆
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光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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图12—0光栅及光栅传感器 1—光源 2—聚光镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件
若将两块光栅(主光栅、指 示光栅)叠合在一起，并使刻 线之间成很小的角度θ，如 右图所示。由于遮光效应，
两块光栅的刻线相交处形成
莫尔条纹
指示光栅 主光栅
亮带，而在一块光栅的刻线
与另一块光栅的缝隙相交处
形成暗带，在与光栅刻线垂
直的方向，将出现明暗相间 的条纹，这些条纹就称为莫 尔条纹。
光栅与莫尔条纹示意图
内感应出来的电动势为零；在(b)图所示的情况下，通过闭合探测线
圈的（交变）磁通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压
也最大。
感应电动势为零
V
V
I
V
I
(a)
(c)
I
( b ) 感应电动势最大
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3、感应同步器的信号处理
鉴相法
鉴幅法
断续绕组（正弦 频率和幅值相同，相位差
绕组、余弦绕组） π/2：
θ越小，B越大，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。通过光栅栅 距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹 移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。
莫尔条纹演示
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莫尔条纹光学放大作用 举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示
光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m
码制与码盘
输出数码 第1(最内圈)码道 第2码道 第i码道 相邻码道分界线
优缺点 分辨率
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二进制码盘 图12-18 循环码盘 图12-19
C1C2…Cn(二进制码) 分21个黑白间隔, 对应 C1 分22个黑白间隔，对应 C2 分2i个黑白间隔 ，对应 Ci 第i道黑白分界线与i+1 道黑白分界线对齐