传感器原理及应用(第三版)

w是 u1 经微分电路后得到的脉冲波 u1
对于“与门 y1”： 总是处于低电平，所以 u2 当u1w高电平时， y1 输出为零（0） 对于“与门 y ”： 总是处于高电平，所以 当 u 高电平时, u2 y 输出为高（1） 此时触发器： 置“1”，→（控制）“可逆计数器”作 加法计数
最小分辨力：
3600 1 n 2
最外圈角节距： 21
上一页 下一页
② 二进制码为有权码，编码若是 Cn Cn1 C1 ，则对应于零位转 n 过的转角为 ： C 2 i 1

i 1
i
1
C K 若变化时，则所有 C ( ③ 码盘转动中， )应同时变化。 j jK 二进制码存在的问题：
上一页 下一页
6-2 光栅传感器
光栅作为一种光学器件，很早就有，但早期人们是利用光栅的衍 射效应进行光谱分析和光波波长测量，直到了近代才开始利用光栅 的莫尔条纹现象进行精密测量，它的突出特点是精度非常高，分辨 力特别强 （长度可达0.05µ，角度可达0.1″），所以广泛应用于精 密加工，光学加工，大规模集成电路的设计、检测等方面,尤其是目 前军事领域。
一、光栅传感器的结构原理
在玻璃尺或玻璃圆盘上，类似于刻标尺或分度那样，进行长刻线 的密集刻划，如图示的黑白相间的细小条纹，没有刻划的白处透光 ，刻划的黑处不透光，这 就是光栅。 光栅上的刻线称为栅线， 栅线的宽度为a，缝隙宽度 为b，而W=a+b称栅距（也 称光栅常数或节距），是 光栅的重要参数。
上一页 下一页
7 6

t
由图可知莫尔条纹的宽度： （暗带与亮带间的距离，即周期）
BH AB BC sin
Biblioteka Baidu

2

W 2 sin

2

W
W 2

二、莫尔条纹重要特征
1．虽然光栅常数W很小，但只 B 要调整夹角 ，就可得到很宽的莫 尔条纹，起到了放大作用，这样就 把一个微小移动量的测量转变成一 直线光栅的横向莫尔条纹 个较大移动量的测量，提高了测量 精度。同时莫尔条纹的运动方向与光栅的移动方也呈对应关系。 2．因为光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长 度范围内所有刻线产生的条纹，这样对于光栅刻线的误差起到了平均 作用。即局部误差和周期误差对测量精度没有直接影响。这就有可能 得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度，这是与变通标尺测量的主 要区别。 3．莫尔条纹的光强沿栅线方向变化近似正弦变化，因此便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”，将计数单位变成比一个周期W 更 小的单位。这样可以提高精度和分辨力，或采用较粗的光栅。
2n
（
2 6 64
）
上一页
下一页
消除粗误差的方法： 〈1〉采用双读数头法（见下图） C1码道：仍只有一个读数狭缝，设在00位置； C2码道：有两个读数狭缝 a2、b2 ，对称分布00两侧； C3码道：有两个读数狭缝 a3、b3 ，对称分布00两侧； C4码道：有两个读数狭缝 a4、b4，对称分布00两侧； ai bi 间隔：小于本码道分度间隔的一半，即 2i2 1 这种分布使得两个对称的读数狭缝尽量远离变化交界处，但又不应 影响相邻码位，故两狭缝也不要超过2i 21范围，等于最好。这种布局 是为了消除因加工误差带来的读数时产生的粗误差。测量时根据情况 采用狭缝 a 或 b 的读数。 配合三个“与非”门组成的识别电路，即可实现下列的读数判别： 设第 i 码道 aibi 两狭缝读出的信号为Ai、Bi ； i 1 码道读数为Ci 1 若 Ci1 1 则 Ci Ai ；若 Ci1 0 则 Ci Bi 用低位值来
H
a
b
在相距1/4的位置上设置两个 光电元件1和2，以得到两个 相位互差90°的正弦信号 。
正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便 从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的 脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
上一页 下一页
①主光栅正向移动时,莫尔条纹向上移动，此时光电原件1、2输出的波形如 下图a所示元件1输出的波形 u1 超前元件2输出的波形 u2见下图a所示。
上一页 下一页
四、辩向原理
在实际应用中，被测物体不仅只是单向移动，既有正向运动，也 有反向运动，单个光电元件在固定点接收莫尔条纹信号，只能判别 明暗变化而进行计数，而不能辨别方向，如前进十步后退后一步， 则计数是十一（而不是九），不能正确反映实际位移。如果能够在 物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已 累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能正确测量位移。 能完成这样任务的电路就是辨向电路。为了能够辨向，应当在相 1 距 4 B 的位置上设置两个光电元件1和2，以得到相位互差900的正弦 信号，如a图示。然后送到辨向电路中去处理，电路图参见b所示。
上一页 下一页
二、码制与码盘
C6 码道 右图是一个6位的二进制码盘， （二进制数的最高位），一半透光，一 半不透光。最外圈称码道 C1（二进制数的
6 最低位），共分成 2 64个黑白间隔。
2n
码盘的每一个角度间隔对应不同的编 码（后面有与之对应的光电接收元件） ，测量时，只要根据码盘的起始和终 止位置就可确定转动的角度，而与转动的过程无关。 二进制码盘具有如下特点： n ① n位（n个码道）的二进制码盘具有 2 种不同编码 其容量为： 2n
二进制码 右移一位并舍去末位 不进位加法 循环码
0110 011 0101
十进制6
循环码6
② 逻辑运算：
Cn Rn
Ci Ci 1 Ri
Ri Ci 1 Ci
③ 用门电路实现：
二进制→循环码
上一页
循环码→二进制
下一页
四、应用简介
下图为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后面对应码道的一 组光电元件5输出相应的信号，该信号经放大，鉴幅，整形后，再 经当量变换（使之成为直观便于显示的参数形式）最后进行译码 显示。
① 提高分辨力困难。例如：二进制码盘，为了达到1〞左右的分辨力，需 要采用20位以上的码盘，若码盘直径是400mm时，其外圈分度间隔仅1um左 右，这不仅要求刻划精确，而且要彼此对准，这在加工上非常困难。 ②由于是有权码，所以存在粗误差。所谓粗误差参见下图所示，这是一个 四位二进制码盘展开图（图a)。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数0111 （十进制7）。若码道暗区做的太短，就会误读成1111（十进制15，相当8 个间隔）；反之若暗区做得太 长，当狭缝处于A’A’位置时， 就会将1000（十进制8）读成 0000（十进制0，也相等8个间 隔），这就是粗误差。
判读高位读 数
上一页
下一页
若 Ci1 1 则 Ci Ai ；若 Ci1 0 则 Ci Bi
1 1 0
0 × 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0
Ci
×
因此就大大降低了粗误产生的概率，只要由刻划等因素造成的总 误差不超过相应码道（本码道） ai , bi 之间的间隔即可做到高位不出 现误差。由此可见，在不发生粗误差的前提下，整个编码器的精度 由它最低位（即C1 位码道）决定。双读数头的缺点是读数头多了一 倍，当位数很多时，光电元件位置安装困难。 〈2〉采用循环码码盘 右图为一个六位的循环码码盘，对于 上 n位的循环码码盘有下列特点： 下 ① n位的循环码有 2 n 种不同编码： 对 n 2 其容量为： 称 3600 1 n 最小分辨力： 2 41（比二进制大一倍） 最外圈角节距： ② 循环码为无权码，Rn Rn1 R1 不产生粗误差； ③ 循环码码盘具有轴对称性，最高位相反，其余各相同； ④ 循环码码盘中两相邻区域，编码中只有一位生产变化，所以不 产生粗误差，因面获得广泛应用。
下一页
第6章 数字式传感器
6－1 码盘式传感器 6－2 光栅式传感器
6－3 振弦式传感器
上一页
下一页
6－1 码盘式传感器
码盘式传感器的核心部件是编码器，下图为光电绝对编码式码盘 (用于测量角位移)工作原理示意图。
一、工作原理
经光源1发出的光线，经柱面镜2后变成一束平行光照射到码盘上 。码盘3由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道。每条码道上有按 一定规律排列着的若干透光区和非透光区（或称亮区和暗区）。通 过暗亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在接收元件上 （光电元件），光电元件的排列与每条码道一一对应，当有光照射 时，对应亮区和暗区的光电元件的输出不同，前者为“1”后者为“0” ， 这种信号的不同组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表码盘 转角的大小。这就是码盘将轴的转角换成代码输出的工作过程。
H
三、光栅常用光路
① 垂直透射式光路 适用于粗栅距的黑白透射光栅，结构简单，位置紧凑，调整方便。 光源1发出光线→准直透镜2→平行光束→光栅副3、4→光电元件5接收
垂直透射式光路
② 反射光路 反射光路 适用于黑白反射光栅。 光源6→聚集透镜5→场镜3→平行光呈某角度照射反射光栅副1、2上→反 射镜4→物镜7→光电池8。
传感器原理及应用
第六章 数字式传感器
第6章 数字式传感器
前面几章介绍的传感器大部分是将非电量转换为电模拟量输出 ，直接配用模拟式仪表显示。这类模拟信号与电子计算机数字系 统配接时，必须先经过一套模数（A/D）转换装置。这样不但增加 成本，也增加系统复杂性，降低了系统可靠性和精度。 数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量输出，因此具有 下列优点： ① 精确度和分辨力高； ② 抗干扰能力强，适宜远距离传输； ③ 信号便于处理和存贮； ④ 可以减少读数误差； 但是目前数字式传感器的种类还不太多，本章重点介绍数字码 盘、光栅传感器和振弦式传感器几种
2
1w
2
上一页
下一页
上一页 下一页
三、二进制码与循环码的转换：
循环码不直观，不易处理，显示等，所以要经常转换成二进制码 ，其方法一般分为代数计算 ，逻辑运算和用门电路进行计算。
① 代数计算： （二进制→循环码）
Cn Cn1Cn2 C1 Cn Cn1 C2
举例：

——————
Rn Rn1 Rn2 R1
是 u2 形经整形放大后的脉冲方波（虑掉负半周，只取正半周） u2 是 u1 u1 是 u1 u1
w 是 u1 u1
前 900 波形经整形放大后的脉冲方波，仍超 u2
差180°） 反相后得到的脉冲方波（负半周反相后的到，与 u1
经微分电路后得到的脉冲波（微分电路产生的脉冲）
上一页 下一页
u1 是元件1输出的波形，超前 u u290°
2
u2 是元件2输出的波形；
是 u2 波经整形放大后的脉冲方波； u2
是 u1 波形经整形放大后的脉冲方波 u1
90°； ，仍超前 u2
反相后得到的脉冲方波； 是 u1 u1
w是 u1 经微分电路后得到的脉冲波； u1
光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件组成 ，光栅式传感器的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量 的，设：取两块栅距相同的光栅，3为主光栅，4为指示光栅，指示 光栅比主光栅短，两者刻面相时，中间留有很小间隙 d ，便组成光 栅副，将其置于光源1和透镜2形成的平行光路中，若两光栅栅线之 间有很小夹角 ，则在近似垂直栅线方向上就出现比栅距W宽的多的 明暗相间的条纹6（明暗分布方向与栅线平行），这就是横向莫尔条 纹。其信号光强分布如图曲线7所示。中间为亮带，上下为两条暗带 ，当主光栅沿垂直于栅线X每移动过一个栅距W时，莫尔条纹近似沿 栅线Y方向移过一个条纹间隔，用光电器件接收莫尔条纹信号，经电 路处理后计数器计数可得主光栅移动的距离。
经微分电路后得到的脉冲波（正→负，产生负脉冲反之正脉冲） w是 u1 u1
w 高电平时， u1 y1 ”：当 u2 对于“与门 ）
对于“与门 ）
y1 总是处于低电平,所以
总是处于高电平,所以
输出为零（0 输出为高（1
y2
”：当
w u1
高电平时,
u2
y2
触发器置“1 1” ”状态： 此时触发器：置“ ，→（控制）“可逆计数器”作加法计数 输入 ①端＝0 输出 Q 0 Q 1 ②端＝1