中南大学传感与检测pptch-数字式传感器.ppt

14.1 概述 3）数字式传感器的分类 按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类：脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、增量编码器等），编码输出式数字传感器（如绝对编码器等），频率输出式数字传感器。 此外，数字式传感器也可分为直接数字式传感器和准数字式传感器两大类。 直接数字式传感器是指它的输出为二元形式（0-1）的信号准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。 14.2 编码器 编码器因为该精度、高分辨力和高可靠性而广泛应用于多种检测系统中。它能把角位移或线位移转换为数字量。相应的编码器是角度数字编码器(码盘)和直线位移编码器(码尺)。 编码器的种类很多，根据编码器的结构形式、编码方式、检测方式以及光路方式不同而分成不同的类型，如图所示。 其中，用于角位移测量的旋转式光电编码器是最直接和最有效的数字式传感器。 14.2 编码器 1）光电式编码器的结构与分类 用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲 按结构形式分为直线式的线性编码器和旋转式的轴角编码器，按编码方式分为增量式和绝对式两种。 2）光电式编码器的工作原理 (1) 增量式编码器 如图所示为增量式编码器的结构图。光源通过码盘上有三个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z(零位脉冲)、A(增量脉冲)及 B(辨向脉冲)三 位脉冲信号。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 (2) 绝对式编码器 绝对式编码器将被测角转换成相应的代码，指示其绝对位置，这种编码器通过读取编码盘上的图案来确定数值。 绝对式编码器光源发射的光线经柱面透镜变成一束平行光，照射在编码盘上。编码盘上有一环环间距不同并按一定编码规律刻画的透光和不透光扇形区，称为码道。 图a为光电式绝对式编码器的码盘，是四位二进制编码。 普通二进制编码盘 由于相邻两扇区图案 变化时使用中易产生 较大误差，因而在实 际应用中大都采用图 b所示格雷(循环)编码。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 根据码盘的起始和终止位置确定转角，与转动的中间过程无关。 二进制码盘的特点*： ①n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n，其最小分辨力:?1＝3600/2n，最外圈角节距为2?1； ②二进制码为有权码, 编码Cn, Cn-1, …，C1对应于由零位算起的转角为： ③码盘转动中，CK变化时，所有Cj(jK)应同时变化。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 循环码盘的特点*： ①n位循环码码盘有2n种不同编码； ②循环码盘有轴对称性，其最高位相反(对称轴不同)，其余各位相同； ③循环码为无权码； ④循环码码盘转到相邻区域时，码中只有一位变化，不会产生粗差。 循环码是无权码，直接译码困难，一般先转换为二进制码，再译码。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 二进制码与循环码的转换* 14.2 编码器 3）光电式编码器分辨率的提高方法 (1) 倍频法 在增量式编码器中，采用电路细分技术，不改变编码器内部结构，对输出脉冲进行倍频电路处理来提高分辨率和抗干扰能力。 下图为4倍频电路。 来自编码器的方 波信号A,B相差90?， 用RC电路在一个周 期内获得4个边沿， 从而实现倍频。 顺时针转，输出f+； 反时针转，输出f- 14.2 编码器 3）光电式编码器分辨率的提高方法 在增量式编码器中，为提高分辨率采用电路细分和光学分解相结合的技术方法，又称为插值法。下图所示为在已具有14条（位）码道的码盘上增加1条专用附加码道。 14.2 编码器 4）光电编码器的应用 光电编码器的结构常见有空心轴和实心轴两种形式 ，空心轴编码器体积较大，一般用于电极和装置；实心轴编码器体积较小，通常用于小巧和高精度装置中。 增量式编码器输出脉冲数/转常见200~5000,3600~108000和20~2500等几类。 下图是光电码器测角装置原理图，光源1通过大孔径非球面聚光镜2形成狭长的光束照到码盘3上。由码盘转角位置决定位于狭缝4后的光电 器件5所输出的信号。 输出信号经放大，鉴 幅、整形以及加纠错 和寄存电路，再经当 量变换，最后译码显示。 14.3 光栅式传感器 光栅式传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，主要用于位移测量及与位移相关的物理量（如：速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面）测量。 1）光栅的基本结构 （1）光栅 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。这些刻线有透明的和不透明，或者是对光反射的和不反射的。 图所示为黑白 型长光栅，光 栅上的刻线称 为栅线。 14.3 光栅式传感器 1）光栅的