12-13 数字式传感器(1c) 2解析

应用：长度、角度的精密测量
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 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 中叶人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。
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位 移
光栅 转换
被 测 物 莫尔 条纹 移动
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莫尔条纹的形成

W W
B
W 2sin

2
B
W

B
例如： 10 则
B 344W
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莫尔条纹具有以下主要特点： （1）移动方向：
主光栅 移动
指示 光栅
ห้องสมุดไป่ตู้
指示光栅不动，主光栅向右移动，莫尔条纹向上 若主光栅左移，则莫尔条纹向下移动 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：
Ri=Ri cos i
ui
Ri
e cosi e2 sini ui = 1 cosi sini
e2
若
e1=Um sin
e2 Umcos
Ki = 1 cosi sini
i 1,2,,k
ui =KiUmcos( i )
Ri' tan( i ) '' Ri 2k
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。
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13.1 光栅
光电转换电压与光栅位置的关系 理论上输出 三角波 实际波形可近 似描述为：
2 u0 U av U m cos( x) W
R24
R36 R36 U 36
R48 U 48 R48
R37 R37
U 37
-Um sin
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R25 R25
U 25
U mcos
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13.2 编码器
直接编码器—码盘结构：（绝对式）
直接将角位移或线性位移转换为二元码
A 无 输 Y1 出
Y2
u1'
' u2
无输出
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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。 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。
第13章 数字式传感器
光栅
莫尔条纹 ☆☆ 辨向原理 ☆☆ 码制转换
今 直接编码器 日 码制 要 点 增量编码器
工作原理 ☆
频率式传感器
石英晶体谐振式传感器
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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
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细分技术（2） —电位器桥细分
Ri Ri +e2 Ri e R 1 i ui = e1 e2 = Ri+Ri Ri+Ri Ri+Ri
e1
Ri
令
Ri = (Ri )2 +(Ri )2
Ri =tan i Ri
Ri=Ri sin i
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数字传感器
数字传感器的三大类 以脉冲形式输出，如光栅,磁栅等 直接以数字量形式输出，如直接编码器 以频率形式输出
p 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。
a
m l
d e
i
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h
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13.1 光栅
一、光栅 是上面有很多等节距的刻线均匀相间
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
即：“0”或“1” 增量编码器—脉冲盘结构
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13.2 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； 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”；
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u0
Uav
W/2
W
光栅位移与光强、输出电 压的关系
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光栅尺技术参数
机、电特性 准确度 分辨力 范 围 ±2μm,±3μm,±5μm 5μm（正弦波）,0.1μm,0.2μm,0.5μm, 1μm（电子细分，最高到50倍） 70……1020mm（每50mm一档）， 1140……1840mm（每100mm一档）， 2040……3040mm（每100mm一档） 60M/分钟
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测量长度
测量速度
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辨向原理
光电元件
u2 u1
2 1
u2超前u1 90·
光栅
u1 u2
整形 电路 整形 电路
U1’反相
' 1
u u
' 2
微分电路
Y1
A
与门
Y2
无输出
非门
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辨向原理
光电元件
u2 u1
2 1
u1超前u2 90·
U1’反相
光栅
u1 u2
整形 电路 整形 电路
光电元 件转移
正弦 波电 压
整形 转换
方 波
x
脉 冲 输 出
逻辑电 压转换 被测物位移
||
栅距*脉冲数
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13.1 光栅
在指示光栅和标尺光栅(动光栅)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。 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。
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2 可得到k个彼此相差 的正弦信号 4k
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细分技术（2） —电位器桥细分
-U mcos
U1 R1 R1
U m sin
Ri 360 tan( i ) 48 Ri
U 12
R12 R12
i 1,2,,48
U 13
R13 R13
U 24 R24