[工学]传感器原理及工程应用第三版第13章数字式传感器.ppt

数字式传感器 分类： 脉冲输出式：栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器； 编码输出式：绝对编码器； 频率输出式； 本章讲述常用的数字式传感器 光栅传感器 旋转式光电编码器 光栅的光路 透射光路 反射光路 光栅传感器 一.光栅及其测量系统 1.光栅的结构类型 1）长光栅尺 国内常用规格（长光栅） 长光栅：一般a=b=(1/2)W， 通常国内有这样一些规格： 10条/mm (W=0.1mm) 25条/mm (W=0.04mm) 50条/mm (W=0.02mm) 100条/mm (W=0.01mm) 125条/mm (W=0.008mm) 长光栅莫尔条纹 1)莫尔条纹的放大作用 为什么要辨向 当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。 码盘式传感器 一、工作原理 用光电方法——测量——被测件角位 移——数字代码表示。 光源——柱面镜—（平行光或会聚光照射）——码盘—（亮、暗区）——狭缝——（窄光束）——光电元件。 二、码制与码盘（以6位二进制为例） 码盘 码道：共6圈，内圈为C6； 外圈为C1：26=64黑白间隔。 黑： 0 白： 1 特点： 容量：2n； 分辨力 θi=360/2n 外圈角节距：2 θi 有权码编码：Ci2i-1 θi 大码变、小码同时变 粗误差现象与消除 制作码道粗糟引起误读 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。 消除误读方法 用双读数头法； 用循环码代替二进制码。 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。 2. 测量线位移 在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度 图10－27（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4μm的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。 图（b）是用齿轮齿条来实现直线－旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。 图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。 无论用哪一种方法来实现线位移－角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。 增量编码器 一般只有三个码道，不直接输出编码。 外码道——产生计数脉冲的增量码道； 内码道——辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相同。 中间码道——开有一个窄缝，用于产生定位或零位信号。 在数控机床中的应用 感应同步器的工作原理 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量。 感应同步器 感应同步器的优点是： 输出信号不经过机械传动机构，有较高的精度与分辨力； 基于电磁感应原理，几乎不受温度、油污、尘埃等影响，抗干扰能力强； 定尺与滑尺是非接触测量，使用寿命长，维护简单； 可以作长距离位移测量，行程从几米到几十米； 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。 广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。 感应同步器 循环码转变为二进制码的电路 (a) 并行变换电路 (b)串行变换电路 循环码是无权码，直接译码有困难， 一般先转换为二进制码后再译码。 JK触发器的特性，若J=K=1，触发器翻转，Qn=Qn-1；若J=k=0，则触发器保持，Qn=Qn-1 开始时，触发器复位，Q=0，Ri=Rn，再加入Cp时钟，故Q=Cn=Rn 并