传感器与检测技术 第十一章 数字传感器精选PPT.ppt

传感器与检测技术 第十一章 数字传感器第1页，此课件共47页哦 二、透射式计量光栅的结构和工作原理二、透射式计量光栅的结构和工作原理 计计量量光光栅栅的的基基本本元元件件是是主主光光栅栅和和指指示示光光栅栅(动动尺尺和和滑滑尺尺)。它它们们是是在在一一块块长长条条形形光光学学玻玻璃璃上上，均均匀匀刻刻上上许许多多明明暗暗相相间间、宽宽度度相相等等的的刻刻线线，如如下下图图所所示示。常常用用的的光光栅栅每每毫毫米米有有10、25、50、100和和250条条线线。主主光光栅栅的的刻刻线线一一般般比比指指示示光光栅栅长长。若若划划线线宽宽度度为为a缝隙宽度为缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距，则光栅节距或栅距W为为Wa+b。通常取。通常取a=bW/2。光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹 若将两块光栅若将两块光栅(主光栅、指示主光栅、指示光栅光栅)叠合在一起，并且使它们的叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度刻线之间成一个很小的角度，如，如右图所示。由于遮光效应，两块右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅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，这些条纹就称为莫相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。尔条纹。第2页，此课件共47页哦(1)莫尔条纹（莫尔条纹（Moire）条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0,w1=w2 B=光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0,w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第3页，此课件共47页哦莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分：直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分：透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光第4页，此课件共47页哦 如果改变如果改变角，两条莫尔条纹问的距离角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距也随之变化。由下图可知，条纹间距B与与栅距栅距W和夹角和夹角有如下关系：有如下关系：当当指指示示光光栅栅沿沿着着主主光光栅栅刻刻线线的的垂垂直直方方向向移移动动时时，莫莫尔尔条条纹纹将将会会沿沿着着这这两两个个光光栅栅刻刻线线夹夹角角的的平平分分线线的的平平行行方方向向移移动动，光光栅栅每每移移动动一一个个W，莫莫尔尔条条纹纹也也移移动动一一个间距个间距B。越越小小，B越越大大，当当小小于于1以以后后，可可使使BW，即即莫莫尔尔现现象象具具有有使使栅栅距距放放大大的的作作用用。因因此此，读读出出莫莫尔尔条条纹纹的的数数目目比比读读光光栅栅刻刻线线的的数数目目要要方方便便得得多多。通通过过光光栅栅栅栅距距的的位位移移和和莫莫尔尔条条纹纹位位移移的的对对应应关关系系，就就可可以以容容易易地地测测量量莫莫尔尔条条纹纹移移动动数数，获获取取小小于于光光栅栅栅栅距距的的微微小小位位移移量。量。第5页，此课件共47页哦二、光栅式传感器二、光栅式传感器的测量电路的测量电路第6页，此课件共47页哦 1光电转换光电转换 主主光光栅栅和和指指示示光光栅栅作作相相对对位位移移产产生生了了莫莫尔尔条条纹纹，莫莫尔尔条条纹纹需需要要经经过过转转换换电电路路才才能能将将光光信信号号转转换换成成电电信信号号。光光栅栅传传感感器器的的光光电电转转换换系系统统由由聚聚光光镜镜和和光光敏敏元元件件组组成成，如如右右图图(a)所所示示。当当两两块块光光栅栅作作相相对对移移动动时时，光光敏敏元元件件上上的的光光强强随莫尔条纹移动而变化。随莫尔条纹移动而变化。在在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；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处由于光被处由于光被遮去一半，光强减小；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。所示的输出波形。光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：式中式中 U0 输出信号的直流分量；输出信号的直流分量；Um 输出信号的交流信号幅值；输出信号的交流信号幅值；x 光栅的相对位移量。光栅的相对位移量。第7页，此课件共47页哦 2辨向原理辨向原理 为为了了辨辨别别主主光光栅栅是是向向左左还还是是向向右右移移动动，可可在在相相隔隔1/4条条纹纹间间的的位位置置上上安安装装两两只只光光敏敏元元件件，这这两两只只光光敏敏元元件件输输出出信信号号U1、U2的的相相位位差差将将为为/2，可可以以根根据据它们超前它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。两种信号经整形后得到方波两种信号经整形后得到方波U1/和和U2/。U2/作为门控信号同作为门控信号同U1/的微分信号一起输入到与门的微分信号一起输入到与门Y1、同同U1/倒相后的微分信号一起输入倒相后的微分信号一起输入到与门到与门Y2。光栅右移时，。光栅右移时，U2/超超前前U1/，则先于，则先于U1/的微分信号打开的微分信号打开了了Y1，可从，可从Y1得到向右移动脉冲得到向右移动脉冲输出（输出（Y1称为右移动脉冲输出称为右移动脉冲输出端）；而端）；而U1/倒相后的微分信号到倒相后的微分信号到达达Y2时时Y2已关闭，则已关闭，则Y2（左移动（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了动光栅左右移然。这样就实现了动光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。动的方向辨别和移动脉冲的输出。第8页，此课件共47页哦 3细分原理细分原理 如如果果仅仅以以光光栅栅的的栅栅距距作作其其分分辨辨单单位位，只只能能读读到到整整数数莫莫尔尔条条纹纹；倘倘若若要要读读出出位位移移为为0.1m，势势必必要要求求每每毫毫米米到到线线1万万条条，这这是是目目前前工工艺艺水水平平无无法法实实现现的的。如如果果采采用用栅栅距距细细分分技技术术可可以以获获得得更更高高的的测测量量精精度度。常常用用的的细细分分方方法法有有直直接接倍倍频频细细分分法法、电电桥桥细细分分法法等等。这这里里仅仅以以四四倍倍频频细细分分为为例例介介绍绍直直接接倍倍频频细细分分法。法。在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，如如右右下下图图(a)所所示示，得得到到相相位位分分别别相相差差/2四四个个正正弦弦周周期期信信号号。用用适适当当电电路路处处理理这这些些信信号号，使使其其合合并并得得到到如如右右下下图图(b)所所示示的的脉脉冲冲信信号号。每每个个脉脉冲冲分分别别和和四四个个周周期期信信号号的的零零点点相相对对应应，则则电电脉脉冲冲的的周周期期反反应应了了1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度。用用计计数数器器对对这这一一列列脉脉冲冲信信号号计计数数，就就可可以以读读到到1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。若再增加光敏若再增加光敏元件，同理可以进元件，同理可以进一步地提高测量分一步地提高测量分辨率。辨率。第9页，此课件共47页哦应用数控机床位置反馈第10页，此课件共47页哦长光栅长光栅-直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅-角位移角位移 构成：主光栅构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅-动光栅动光栅长度长度-测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(10、25、50、100、125线线/mm)第11页，此课件共47页哦工作台丝杠编码器步进电机第12页，此课件共47页哦第13页，此课件共47页哦三、三、光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置第14页，此课件共47页哦第15页，此课件共47页哦2 编编 码码 器器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器不不能能直直接接输输出出数数字字编编码码，需需要要增增加加有有关关数数字字电电路路才才可可能能得得到到数数字字编编码码。而而码码盘盘式式编编码码器器能能直直接接输输出出某某种种码码制制的的数数码码(后后面面将将详详细细说说明明)。这这两两种种形形式式的的数数字字传传感感器器，由由于于它它们们具具有有高高精精度度、高高分分辨辨率率和和高高可可靠靠性性，已已被被广广泛泛应应用用于于各各种种位位移移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。码码盘盘式式编编码码器器也也称称为为绝绝对对编编码码器器，它它将将角角度度或或直直线线坐坐标标转转换换为为数数字字编编码码，能能方方便便地地与与数数字字系系统统(如如微微机机)联联接接。编编码码器器按按其其结结构构可可分分为为接接触触式式、光光电电式式和和电电磁磁式三种，后两种为非接触式编码式三种，后两种为非接触式编码第16页，此课件共47页哦 一、接触式码盘编码器一、接触式码盘编码器 1结构与工作原理结构与工作原理 接接触触式式码码盘盘编编码码器器由由码码盘盘和和电电刷刷组组成成，适适用用于于角角位位移移测测量量。码码盘盘利利用用制制造造印印刷刷电电路路板板的的工工艺艺，在在铜铜箔箔板板上上制制作作某某种种码码制制(如如8-4-2-1码码、循循环环码码等等)图图形形的的盘盘式式印印刷刷电电路路板板。电电刷刷是是一一种种活活动动触触头头结结构构，在在外外界界力力的的作作用用下下，旋旋转转码码盘盘时时，电电刷刷与与码码盘盘接接触触处处就就产产生生某某种种码码制的数字编码输出。下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构。制的数字编码输出。下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构。涂黑处为导电区，将所有导电涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位区连接到高电位(“1”)；空白处；空白处为绝缘区，为低电位为绝缘区，为低电位(“0”)。四。四个电刷沿着某一径向安装，四位二个电刷沿着某一径向安装，四位二进制码盘上有四圈码道，每个码道进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电阻接地。当有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘转动其一角度后，电刷就输出码盘转动其一角度后，电刷就输出一个数码；码盘转动一周，一个数码；码盘转动一周，电刷就输出电刷就输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为360/2 n，若，若n4，则，则22.5。位数越多，可分辨的角度越小，若取。位数越多，可分辨的角度越小，若取n8，则，则1.4。当然，可分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。当。当然，可分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。当n多到一定多到一定位数后（一般为位数后（一般为n8），这种接触式码盘将难以制作。），这种接触式码盘将难以制作。第17页，此课件共47页哦第18页，此课件共47页哦 8-4-2-1码码制制的的码码盘盘，由由电电刷刷安安装装不不可可能能绝绝对对精精确确必必然然存存在在机机械械偏偏差差，这这种种机机械械偏偏差差会会产产生生非非单单值值误误差差。例例如如，由由二二进进制制码码0111过过渡渡到到1000时时（电电刷刷从从h区区过过渡渡到到i区区），即即由由7变变为为8时时，如如果果电电刷刷进进出出导导电电区区的的先先后后可可能能是是不不一一致致的，此时就会出现的，此时就会出现815间的某个数字。这就是所谓的非单值误差。间的某个数字。这就是所谓的非单值误差。2消除非单值误差的办法消除非单值误差的办法 采用循环码采用循环码(格雷码格雷码)采采用用循循环环码码制制可可以以消消除除非非单单值值误误差差。其其编编码码如如前前表表所所示示。循循环环码码的的特特点点是是任任意意一一个个半半径径径径线线上上只只可可能能一一个个码码道道上上会会有有数数码码的的改改变变，这这一一持持点点就就可可以以避避免免制制造造或或安安装装不不精精确确而而带带来来的的非非单单值值误误差差。循循环环码码盘盘结结构构如如下下图图(b)所所示示。由由循循环环码码的的特特点点可可知知，即即使使制制作作和和安安装装不不准准，产产生生的的误误差差最最多多也也只只是是最最低低位位的的一一个个比比特特。因因此采用循环码盘比采用此采用循环码盘比采用8-4-2-1码盘的准确性和可靠性要高的多。码盘的准确性和可靠性要高的多。第19页，此课件共47页哦 扫描法扫描法 扫扫描描法法有有V扫扫描描、U扫扫描描以以及及M扫扫措措三三种种。它它是是在在最最低低值值码码道道上上安安装装一一电电刷刷，其其他他位位码码道道上上均均安安装装两两个个电电刷刷：一一个个电电刷刷位位于于被被测测位位置置的的前前边边，称称为为超超前前电电刷刷；另另一一个个放放在在被被测测位位置置的的后后边边，称称为为滞滞后后电电刷刷。若若最最低低位位码码道道有有效效位位的的增增量量宽宽度度为为x，则则各各位位电电刷刷对对应应的的距距离离依依次次为为1x、2x、4x、8x等等。这这样样在在每每个个确确定定的的位位置置上上，最最低低位位电电刷刷输输出出电电平平反反映映了了它它真真正正的的位位值值，由由于于高高电电位位有有两两只只电电刷刷，就就会会输输出出两两种种电电平平，根根据据电电刷分布和编刷分布和编码变化规律，可以读出真正反映码变化规律，可以读出真正反映该位置的高位二进制码对应的电该位置的高位二进制码对应的电平值。当低一级码道上电刷真正平值。当低一级码道上电刷真正输出的是输出的是“1”的时候，高一级码的时候，高一级码道上的真正输出必须从滞后电刷道上的真正输出必须从滞后电刷读出；若低一级码道上电刷真正读出；若低一级码道上电刷真正输出的是输出的是“0”，高一级码道上的，高一级码道上的真正输出则要从超前电刷读出。真正输出则要从超前电刷读出。由于最低位轨道上只有一个电刷，由于最低位轨道上只有一个电刷，它的输出则代表真正的位置，这它的输出则代表真正的位置，这种方法就是种方法就是V扫描法。扫描法。第20页，此课件共47页哦当某一个二进制当某一个二进制码的第码的第 i 位是位是1时，时，该二进制码的第该二进制码的第i+1位和前一个数位和前一个数码的码的i+1位状态是位状态是一样的，故该数码一样的，故该数码的第的第i+1位的真正位的真正输出要从滞后电刷输出要从滞后电刷读出。相反，当某读出。相反，当某个二进制码的第个二进制码的第i位是位是0时，该数码时，该数码的第的第i+1位的输出要位的输出要从超前电刷读出。从超前电刷读出。读者可以从表上的读者可以从表上的数码来证实。数码来证实。这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的。由于这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的。由于8-4-2-1码制的二进码制的二进制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。第21页，此课件共47页哦 二、光电式编码器二、光电式编码器 接接触触式式编编码码器器的的分分辨辨率率受受电电刷刷的的限限制制不不可可能能很很高高；而而光光电电式式编编码码器器由由于于使使用用了了体体积积小小、易易于于集集成成的的光光电电元元件件代代替替机机械械的的接接触触电电刷刷，其其测测量量精精度度和和分分辨辨率率能能达达到很高水平。到很高水平。1光电式编码器的结构和工作原理光电式编码器的结构和工作原理 光光电电编编码码器器的的最最大大特特点点是是非非接接触触式式的的。因因此此，它它的的使使用用寿寿命命长长，可可靠靠性性高高。它它是是一一种种绝绝对对编编码码器器，几几位位编编码码器器的的码码盘盘上上就就有有几几个个码码道道，编编码码器器在在转转轴轴的的任任何何位位置置都都可可以以输输出出一一个个固固定定的的与与位位置置相相对对的的数数字字码码。这这一一点点，与与接接触触式式码码盘盘编编码码器器是是一一样样的的。不不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，装有相工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘上的高、低电同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘上的高、低电位用光源代替。当光源经光学系统形成一束平行光投射在码盘上时，光经过码盘位用光源代替。当光源经光学系统形成一束平行光投射在码盘上时，光经过码盘的透光和不透光区，脉冲光照射在码盘的另一侧的光电元件上，这些光电元件就的透光和不透光区，脉冲光照射在码盘的另一侧的光电元件上，这些光电元件就输出与码盘上的码形（码盘的绝对位置）相对应的（开关输出与码盘上的码形（码盘的绝对位置）相对应的（开关/高低电平）电信号。高低电平）电信号。光电编码器与接触式码盘编码器一样，可以采用循环码或光电编码器与接触式码盘编码器一样，可以采用循环码或V扫描法来解决非单值扫描法来解决非单值误差的问题。误差的问题。直线坐标编码示意图第22页，此课件共47页哦 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 为为了了提提高高测测量量的的精精度度和和分分辨辨率率，常常规规的的方方法法就就是是增增加加码码盘盘的的码码道道数数，即即增增加加刻刻线线数数。但但是是，由由于于制制造造工工艺艺的的限限制制，当当刻刻度度数数多多到到一一定定数数量量后后，就就难难以以实实现现了了。在在这这样样的的情情况况下下，可可以以采采用用一一种种用用光光学学分分解解技技术术(插插值值法法)来来进进一一步步提提高高分分辨辨率率。例例如如，若若码码盘盘已已具具有有14条条(位位)码码道道，在在14位位的的码码道道上上增增加加1条条专专用用附附加加码码道道，见见下下图图所所示示。附附加加码码道道的的的的扇扇形形区区的的形形状状和和光光学学的的几几何何结结构构与与前前14位位有有所所差差异异，且且使使之之与与光光学学分分解解器器的的多多个个光光敏敏元元件件相相配配合合，产产生生较较为为理理想想的的正正弦弦彼彼输输出出。附附加加码码道道输输出出的的正正弦弦或或余余弦弦信信号号，在在插插值值器器中中按按不不同同的的系系数数叠叠加加在在一一起起，形形成成多多个个相相移移不不同同的的正正弦弦信信号号输输出出。各各正正弦弦波波信信弓弓再再经经过过零零比比较较器器转转换换为为一一系系列列脉脉冲冲，从从而而细细分分了了附附加加码码道道的的光光电电元元件件输输出出的的正正弦弦信信号号。于于是是产产生生了了附附加加的的低低位位的的几几位位有有效效数数值值。下下图图所所示示的的19位位光光电电编编码码器器的的插插值值器器产产生生16个个正正弦弦波信号。每两个正弦信号之波信号。每两个正弦信号之间的相位差为间的相位差为/8，从而在，从而在14位编码器的最低有效数位编码器的最低有效数值间隔内插入了值间隔内插入了32个精确个精确等分点，即相当于附加等分点，即相当于附加5位位二进制数的输出，使编码二进制数的输出，使编码器的分辨率从器的分辨率从2-14提高到提高到2-19，角位移小于，角位移小于3秒。秒。第23页，此课件共47页哦ABC 0 1 10 1 10 1 00 1 00 0 00 0 10 0 10 0 0ABABABABCCCC高电平区低电平区ABC1 1 11 1 11 1 01 1 01 0 01 0 11 0 11 0 0ABABABABCCCC第24页，此课件共47页哦三、光电编码传感器应用举例三、光电编码传感器应用举例 钢带式光电编码数字液位计钢带式光电编码数字液位计 钢钢带带式式光光电电编编码码数数字字液液位位计计是是目目前前油油田田浮浮顶顶式式储储油油罐罐液液位位测测量量普普遍遍应应用用的的一一种种测测量量设设备备。在在量量程程超超过过 20m 的的应应用用环环境境中中，液液位位测测量量分分辨辨率率仍仍可可达达到到 1mm，可以满足计量的精度要求。，可以满足计量的精度要求。这这种种测测量量设设备备主主要要由由编编码码钢钢带带、读读码码器器、卷卷带带盘盘、定定滑滑轮轮、牵牵引引钢钢带带用用的的细细钢钢丝丝绳绳及及伺伺服服系系统统等等构构成成。编编码码钢钢带带的的一一端端（最最大大量量程程读读数数的的一一端端）系系在在牵牵引引钢钢带带用用的的细细钢钢丝丝绳绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。当大罐罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编码经处理后进行就地显示或液位位置的编码经处理后进行就地显示或以串行码的形式发送给其它设备。以串行码的形式发送给其它设备。第25页，此课件共47页哦 编码钢带如下图所示。如果最低码位（最低码道数据宽度）为编码钢带如下图所示。如果最低码位（最低码道数据宽度）为1m（透光和不透光的部（透光和不透光的部分各为分各为1m），则需要），则需要15个码道，即最高码位（最高码道数据宽度）为个码道，即最高码位（最高码道数据宽度）为16384mm（16.384m），编码钢带的最大有效长度可达），编码钢带的最大有效长度可达32.768m。这样的编码钢带的加工。这样的编码钢带的加工工艺的难度较大，强度也较低，使用起来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少工艺的难度较大，强度也较低，使用起来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。码道数量，增加最低码道的数据宽度。如果将最低码道的数据宽度增加到如果将最低码道的数据宽度增加到5mm，次最低码道的数据宽度将为，次最低码道的数据宽度将为1cm，在，在最低码道上应用插值细分技术也可以获得最低码道上应用插值细分技术也可以获得1m的分辨率。这样一来，在量程为的分辨率。这样一来，在量程为20m的条件下，码道数量将减少到的条件下，码道数量将减少到12个。个。编码钢带示意图第26页，此课件共47页哦 插插值值细细分分示示意意图图如如下下图图6所所示示。采采用用这这种种办办法法可可以以将将原原来来的的2种种可可能能的的不不同同状状态态，细细分分成成10种种可可能能的的不不同同状状态态。将将这这种种细细分分方方式式应应用用到到最最低低位位码码道道上上，就就可可以以把把5mm的的数数据据宽宽度度细细分分成成1mm。译译码码方方式式既既可可以以用用实实现现也也可可以以利利用用单单片片机机由由软件实现。软件实现。e d c b a0 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 1 10 0 1 1 10 1 1 1 11 1 1 1 1e d c b a1 1 1 1 11 1 1 1 01 1 1 0 01 1 0 0 01 0 0 0 00 0 0 0 0五倍频插值细分示意图第27页，此课件共47页哦 四、脉冲盘式数字传感器四、脉冲盘式数字传感器 脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器又又称称为为增增量量编编码码器器。增增量量编编码码器器一一般般只只有有三三个个码码道道，它它不不能能直直接接产产生生几几位位编编码码输输出出，故故它它不不具具有有绝绝对对码码盘盘码码的的含含义义，这这是是脉脉冲冲盘盘式式编码器与绝对编码器的不同之处。编码器与绝对编码器的不同之处。1增量编码器的结构和工作原理增量编码器的结构和工作原理 增增量量编编码码器器的的圆圆盘盘上上等等角角距距地地开开有有两两道道缝缝隙隙，内内外外圈圈(A、B)的的相相邻邻两两缝缝错错开开半半条条缝缝宽宽；另另外外在在某某一一径径向向位位置置（一一般般在在内内外外两两圈圈之之外外），开开有有一一狭狭缝缝，表表示示码码盘盘的的零零位位。在在它它们们相相对对的的两两侧侧面面分分别别安安装装光光源源和和光光电电接接收收元元件件，如如下下图图所所示示。当当转转动动码码盘盘时时，光光线线经经过过透透光光和和不不透透光光的的区区域域，每每个个码码道道将将有有一一系系列列光光电电脉脉冲冲由由光光电电元元件件输输出出，码码道道上上有有多多少少缝缝隙隙每每转转过过一一周周就就将将有有多多少少个个相相差差90的的两两相相（A、B两两路路）脉脉冲冲脉脉冲冲和和一一个个零零位位(C相相)脉脉冲冲输输出出。增增量量编编码码器器的的精精度度和和分分辨辨率率与与绝绝对对编编码码器器一一样样，主主要要取取决于码盘本身的精度。决于码盘本身的精度。第28页，此课件共47页哦 2旋转方向的判别旋转方向的判别 为为了了辨辨别别码码盘盘旋旋转转方方向向，可可以以采采用用下下图图所所示示的的电电路路利利用用A、B两两相相脉脉冲冲来来实实现现。光光电电元元件件A、B输输出出情情号号经经放放大大整整形形后后，产产生生P1和和P2脉脉冲冲。将将它它们们分分别别接接到到D触触发发器器的的D端端和和CP端端，由由于于A、B两两相相脉脉冲冲(P1和和P2)脉脉冲冲相相差差90，D触触发发器器FF在在CP脉脉冲冲(P2)的的上上升升沿沿触触发发。正正转转时时P1脉脉冲冲超超前前P2脉脉冲冲，FF的的Q“1”表表示示正正转转；当当反反转转时时，P2超超前前P1脉脉冲冲，FF的的Q“0”表表示示反反转转。可可以以用用Q作作为为控控制制可可逆逆计计数数器器是是正正向向还还是是反反问问计计数数，即即可可将将光光电电脉脉冲冲变变成成编编码码输输出出。C相相脉脉冲冲接接至至计计数数器器的的复复值值端端，实现每码盘转动一圈复实现每码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无论正转位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。为增量法。除了光电式的增量编码器外，除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了光纤增量传感器目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广泛的应用。们部得到广泛的应用。第29页，此课件共47页哦4.3 感应同步器感应同步器 感应同步器时感应同步器时20世纪世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位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：移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应同步器；测量直线位移的线位移感应同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。测量角位移的圆盘感应同步器。一、感应同步器的结构和工作原理一、感应同步器的结构和工作原理 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。互感量随位置变化来检测位移量的。第30页，此课件共47页哦第31页，此课件共47页哦1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器 sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节距（0.5mm0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺第32页，此课件共47页哦第33页，此课件共47页哦1.感应同步器的结构感应同步器的结构定尺和滑尺的基板由与被测物体热膨胀系数相似的钢板做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用照相腐蚀的办法做成印制绕组。感应同步器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。根据结构特点可分为：旋转式和直线式两种。第34页，此课件共47页哦 1载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场 矩形载流线圈中通过直流电流矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈内外的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磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i(i=I sint)，并使一个与该线，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(或从右至左或从右至左)移过，如移过，如右下图所示。在右下图所示。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，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在(b)图所示的情况下，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。压也最大。载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场I第35页，此课件共47页哦 2直线式感应同步器的基本结构直线式感应同步器的基本结构 直直线线式式感感应应同同步步器器的的绕绕组组结结构构如如下下图图所所示示。它它由由定定尺尺和和滑滑尺尺两两部部分分组组成成。定定尺尺和和滑滑尺尺可可利利用用印印刷刷电电路路板板的的生生产产工工艺艺，用用覆覆铜铜板板制制成成。滑滑尺尺上上有有两两个个绕绕组组，彼彼此此相相距距/2或或3/4。当当定定尺尺栅栅距距为为W2时时，滑滑尺尺上上的的两两个个绕绕组组间间的的距距离离L1应应满满足足如如下关系：下关系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时相差时相差/2，n=1时相差时相差3/4，n=2时相差时相差5/4。第36页，此课件共47页哦 3直线式感应同步器的工作原理直线式感应同步器的工作原理 定尺及定尺及滑尺中的电流关系滑尺中的电流关系 模型如图示模型如图示 滑尺线圈中流过电流滑尺线圈中流过电流 I I I I；x=0的位置如图（的位置如图（a）。）。WM0为为x=0时的互感量。时的互感量。另一个与此相差另一个与此相差90的的滑尺线圈（正弦）滑尺线圈（正弦）与与定尺定尺与定尺定尺与滑尺间的互感滑尺间的互感 MS 定尺与定尺与滑尺间的互感滑尺间的互感余弦绕组与余弦绕组与定尺定尺间的互感间的互感MC，图图 11-22第37页，此课件共47页哦 滑尺对定尺滑尺对定尺(连续线圈连续线圈)的激励的激励 模型：模型：(等幅激励，调相式等幅激励，调相式)滑尺正弦绕组的激励滑尺正弦绕组的激励滑尺余弦绕组的激励滑尺余弦绕组的激励Im：激励的电流振幅。激励的电流振幅。正弦绕组激励的感生电势正弦绕组激励的感生电势余弦绕组激励的感生电势余弦绕组激励的感生电势定尺中总电势定尺中总电势 e e 调相调相第38页，此课件共47页哦 定尺定尺(连续线圈连续线圈)对滑尺对滑尺(断续线圈断续线圈)的激励的激励 模型：模型：(等幅激励，调幅式等幅激励，调幅式)定尺定尺(连续线圈连续线圈)激励激励正弦绕组中的感生电势正弦绕组中的感生电势余弦绕组中的感生电势余弦绕组中的感生电势可以辨别方向可以辨别方向相当于平衡调幅相当于平衡调幅合成电势合成电势幅度调制幅度调制第39页，此课件共47页哦 *单绕组正弦波激励时定尺中的感应电势单绕组正弦波激励时定尺中的感应电势第40页，此课件共47页哦 4旋转式感应同步器旋转式感应同步器 旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的之尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有应同步器的之尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有50mm、76mm、178mm和和302mm等几种。径向导体数等几种。径向导体数(极数极数)有有360、720和和1080几种。转子是绕转轴几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。器的直径越大，其精度越高。第41页，此课件共47页哦4.4 频率式数字传感器频率式数字传感器 频频率率式式数数字字传传感感器器是是能能直直接接将将被被测测非非电电量量转转换换成成与与之之相相对对应应的的、便便于于处处理理的的频频率率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：信号。频率式数字传感器一般有两种类型：(1)利利用用振振荡荡器器的的原原理理，将将被被测测量量的的变变化化改改变变为为振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率，常常用用振荡器有振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。荡电路和石英晶体振荡电路等。(2)利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。下面列举两例说明频率式数字传感器的工作原理。下面列举两例说明频率式数字传感器的工作原理。一、一、RC振荡器式频率传感器振荡器式频率传感器 温温度度 频频率率传传感感器器就就是是RC振振荡荡器器式式频频率率传传感感器器的的一一种种。这这里里利利用用热热敏敏电电阻阻RT测测量量温温度度。RT作作为为RC振振荡荡器器的的一一部部分分，该该电电路路是是由由运运算算放放大大器器和和反反馈网络构成一种馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发文氏电桥正弦波发生器。当外界温度生器。当外界温度T变化时变化时RT的的阻值也随之变化，阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。振荡器的频率因此而改变。RC振荡器的振荡频率由下式决定：振荡器的振荡频率由下式决定：其中其中RT与温度与温度T的关系为的关系为 式中：式中：B为热敏电阻的温度系数。为热敏电阻的温度系数。RT、R0分别为温度分别为温度T(K)利人利人T0(