D数字式传感器

e
i1
2020/5/3
ih
7
2020/5/3
8
2020/5/3
9
2020/5/3
10
编码器
2）二进制码的缺点： 由于黑白分界线刻划不精确造成粗误差。
a
C1 1
0
C2 1
0
C3 1
0
C4 1
0
a
理想位置分界线aa: 0111→1000
2020/5/3
11
编码器
当C4的白分界线不清时，转动码盘时，输 出由0111→0000 →1000，其中出现错误码 “0000”；
ABZ
PIE3 PZF PIF
PID
φ8 φ10 实心轴 φ15 φ12 实心轴 5×6空心槽
PIM φ6 实心轴
PHE φ8 φ10 半空心轴
PIS4 φ17 1:10 锥度空心轴
PKT66 φ15～φ30 空心轴
ABZ ABZ ABZ ABZ ABZ ABZ AB
10 20 30 40 50 60 90 100 120 125 150 240 256 300 320 360 400 500 512 600 720 750 800 900 1000 1016 1024 1080 1200 1250 1270 1500 1600 1800 2000 2048 2160 2400 2500 3600 4096 5000 7200 8000 8192
这类传感器又称为-----谐振式传感器
2020/5/3
43
频率式传感器
一、振弦式传感器 1.工作原理
4
5
N
i
e
O、A为两支点，金属 O
丝质量为m，弦长为l，张力
为F，其固有频率为
2
S
F
A
1
3
f
1 2
k
k
m 2F
l
K－振弦的横向刚度系数。
2020/5/3
44
频率式传感器
两式联立得:
f 1F 1F 1 S 1 1E l E l 2m2 l 2 l 2 l v 2 l vl l
Cn。重复上述过程，依次可得Rn，Rn-1，……，R2，
R 。 20201/5/3
17
编码器
Cn Rn
由循环码转换为二进制码的电路： Ci Ci1 Ri
Rn Rn-1 Rn-2
R1
Cn
+
Cn-1
J
Ri
Q
+
Cn-2
+
Ci
K
D
+
C1
CP RD
并行转换电路
串行转换电路
2020/5/3
18
编码器
串行转换电路的工作过程为：将JK触发器RD复0，Q ＝0，Rn加到J、K，再加CP脉冲，则Q＝Cn＝Rn；
2020/5/3
22
θ
1
360 m
0
增量编码器原理演示
顺时针旋转式超前
2020/5/3
23
θ
1
360 m
0
增量编码器原理演示
逆时针旋转时滞后
2020/5/3
24
θ
1
360 m
0
2020/5/3
25
1
360 m
0
2020/5/3
26
增 量 式光电编码器
型号
轴径
输出信号
脉冲数
PIE
φ5 φ6 φ8 φ10 实心轴
2020/5/3
4
编码器
每个码道有一个光电元件，光电元件受光照为 “0”，不受光照为“1”；
转动码盘，转角α即可转换成几位二元码。
pa
2.码制
二进制码、循环
d
m
码、十进制码、六十 l
e
进制码、四位二进制
码，格雷码。
ih
2020/5/3
5
编码器
1）四位二进制码盘：最内圈码道为第一码道， 半圈透亮，半圈不透亮。
第13章 数字式传感器
将被测模拟量转换成数字输出的传感器。
优点 ➢ 测量精度和分辨率更高 ➢ 抗干扰能力强，稳定性好 ➢ 测量范围大 ➢ 易于与计算机接口实现智能化 ➢ 便于传输、存储和信号处理 ➢ 电路便于集成化
2020/5/3
1
数字传感器
数字传感器的三大类 ➢直接以数字量形式输出，如直接编码器 ➢以脉冲形式输出，如光栅,磁栅等 ➢以频率形式输出
pa
对应最高位C4
d m
l
e
ih
最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应最 低位C1，最小分辨率为α=360°/2n
2020/5/3
6
编码器
当狭缝对准a,b,c,…p位置时，得到的数码将是
0000,0001,0010,…1111
pa
码盘转角与转换出的二进制
码C1，C2…… Cn的关系
d
m
n
ci2i1N l
U 12
R
12
R
12
U 24
R
24
R
24
R
48
U
48
R
48
R
36
R 3 6
U 36
U msin
R
37
R
37
U 37
2020/5/3
-Umsin
R
25
R
25
U 25
U mcos
40
2020/5/3
41
2020/5/3
42
频率式传感器
能直接将被测量转换为振动频率信号的传感器称为 频率式传感器。
振弦式张力传感器； 振筒式压力传感器； 振筒式密度传感器； 振膜式桥梁式力传感器； 石英晶体振荡器等；
Cn Rn
由二进制码转换为循环码的电路： Ri Ci1 Ci
Cn
+
Cn-1
+
Cn-2
C2 C1
+
Rn Rn-1 Rn-2
R1
并行转换电路
Ci D CP
Q+
Ri
D2
D1
RD
串行转换电路
串行转换电路的工作过程为：D1置0，即Q=0。Ci端
送入Cn，异或门D2输出Rn＝Cn 0＝Cn；随后加CP
脉冲，使Q＝Cn；在Ci端加Cn-1，D2输出 Rn-1＝Cn-1
当C4的黑分界线不清时，转动码盘时，输 出由0111→1111 →1000，其中出现错误码 “1111”。
3）循环码盘 与二进制码相同之处： 码道数等于数码位数，最小分辨率相同； 最内圈也是半圈透光，半圈不透光；
2020/5/3
12
Baidu Nhomakorabea
编码器
与二进制码不同之处: ➢第二道码也是一半透光一半不透光 ➢第i码道分为2i－1(i≥2)个黑白间隔,如i＝2, 则等于2；i＝3，则等于4；i＝4，则等于8个 间隔，第i码道的黑白分界线与第i－1码道的 黑折分界线错开360°/2i(i≥2) ➢循环码是无权码。 ➢循环码转到相邻区域时，编码中只有一位发 生变化。
2、莫尔条纹的形成与特点
将主光栅与指示相对叠合在一起，使两者光栅线保 持很小的角度，于是在近乎垂直栅线的方向上出现 了明暗相间的条纹，即莫尔条纹。
播放动画
2020/5/3
31
莫尔条纹的形成
W W
a
D
B
a'
C
a a'
B
W 2 sin
2
BW
例如： 10
则 B344W
2020/5/3
32
光栅
莫尔条纹具有以下主要特点： （1）移动方向：
2020/5/3
33
光栅
光电转换电压与光栅位置的关系
理论上输出波形为三角波 u0
实际波形可近似描述为：
W/2
2
u0 Uav Umcos(Wx)
2020/5/3
Uav
W
34
2020/5/3
35
光栅尺技术参数
机械电气特性
准确度
±2μm,±3μm,±5μm
分辨力
5μm（正弦波）,0.1μm,0.2μm,0.5μm,1μm（电子 细分，最高到50倍）
2020/5/3
15
编码器
二进制码可转换为循环码：
转换关系 Cn＝Rn Ri Ci1 Ci Ci Ci1 Ri
举例：二进制码→循环码
+ 不进位加法
C4 C3 C2 C1 + C3 C2 C1
R4 R3 R3 R1
0110 + 110
0101
1110 + 110
1001
2020/5/3
16
编码器
2020/5/3
21
编码器
（2）工作原理
脉冲式数字传感器一般只有3道码道，光电元件 也只有3个。
最外圈码道上：提供初始的零位脉冲
中间圈： 增量码道 均有m个透光和不透光的扇区 最里圈： 辨向码道 但彼此错开900/m
增量编码器的分辨率：
1
360 m
0
码盘每转一周，两个光电元件上将产生m个增量 码和m个辨向脉冲。
2020/5/3
13
编码器
当狭缝对准a,b,c,…p 位置时，得到的数码将 是：0000,0001,0011， 0010…1000。
2020/5/3
14
编码器
3.二进制码与循环码的转换
十0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1
进
012345
制
二 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 11 进 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 11 制0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
Ri Ri+Ri
e2
= e 1 R i + e 2 R i R i + R i
e1
令 Ri= (Ri )2+(Ri )2 Ri=Ri sini Ri=Ri cosi
R R
i
i
=
t
a
n
i
ui=e1ccoossii
e2sini sini
若 e 1 = U m sin e 2 U m c o s
e2
R i
计量光栅技术的基础是莫尔条纹，1874年由英 国物理学家首先提出这种图案的工程价值，直到 20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹 进行精密测量。
2020/5/3
29
光栅
2020/5/3
30
光栅
在指示光栅和标尺光栅上刻有等间距条纹，刻线密 度为10条/mm、25条/mm、50条/mm、100 条/mm。
ui
R
i
ui= K iU m cos(i)
Ki=cosi
1
sini
Ri
tani
2
i1,2,,k
Ri k
可得到k个彼此相差
2 k
的正弦信号
2020/5/3
39
细分技术（2） —电位器桥细分
-U mcos
U1
R
1
R
1
Ri tan( i 360o )
Ri
48
i1,2,,48
R
13
U 13
R
13
PKT78 φ20 空心轴
AB
2020/5/3
27
光栅 一、光栅
光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件 物理光栅: 利用光的衍射现象 计量光栅：利用光栅的莫尔条纹
主要讨论的是：长度测量的黑白透射式计量光栅 1、光栅传感器的结构和基本原理 主要有主光栅、指示光栅和光路系统
2020/5/3
28
式中：ρ－振弦的线密度(m/l)； ρv－振弦的体密度(m/sl) S－振弦的横截面积 Δl－振弦的长度增量 E－弹性模量 σ－F/S，振弦的应力
2020/5/3
在上述辨向原理中可知, 在相差BH/4位置上安装两个光电 元件, 得到两个相位相差π/2的电信号。若将这两个信号反相 就可以得到四个依此相差π/2的信号, 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。
2020/5/3
38
细分技术（2） —电位器桥细分
ui=RiR+iR i
e1
型号
轴径
PAL φ8 实心轴
PAL1 φ10 实心轴
PZX φ10 实心轴
PNL φ6 φ8 实心轴
输出码
精度
二进制码或格雷码 8位 9位 10位
二进制码或格雷码 8位 9位 10位 11位
循环二进制码 180分度
格雷码
4 6 8 10 12位
2020/5/3
20
编码器
二、增量编码器—— 脉冲盘式数字传感器
C0 1 0 1 0 10 1 0 1 1 1 0 1 0
循0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 环0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 码0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
R0 1 1 0 0 11 0 0 1 1 0 0 1 1 0
pa
。
。。
。。
m
d
l
e
。 。。 。。
2020/5/3
ih
2
编码器
➢直接编码器：（绝对式） 直接将角位移或线性位移转换为二元码（即 “0”或“1”）
➢增量编码器
2020/5/3
3
编码器
一、光电式直接编码器（绝对式）
1.构成： 由光学玻璃制成的圆形
码盘，码盘上刻有同心码道， 码道上有亮区和暗区；
光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成 窄光束照射在光电元件上；
指示光栅不动，主光栅向右移动，莫尔条纹向下 若主光栅左移，则莫尔条纹向上移动，指示光栅
相对于主光栅形成一个顺时针方向夹角
（2）移动距离：
主光栅沿栅线垂直方向移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹正好移动一个间距B。
很小时：B>>W时，莫尔条纹具有放大作用
（3）平均效应：莫尔条纹具有减少光栅栅距局 部误差的作用。
设Q端为Ci+1，J、k端加Ri；
当Ri＝“1”，则加CP后，Q＝ C i+1，
当Ri＝“0”，则加CP后，Q＝Ci+1，
其逻辑关系为：
Q C i R i• C i 1 R i• C i 1 C i 1 R i
重复上述步骤，可依次获得：Cn，Cn-1，……，C2， C1
2020/5/3
19
绝对式编码器
测量长度
70……1020mm（每50mm一档）， 1140……1840mm（每100mm一档）， 2040……3040mm（每100mm一档）
测量速度
60M/分钟
2020/5/3
36
辨向原理
2 1
光栅
光电元件
2020/5/3
37
细分技术（1）—直接细分
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脉冲, 即可使测量精度提高n 倍, 而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲 频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频。