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06-1码盘式传感器

第六章 数字式传感器 数字式传感器的优点: 精确度和分辨能力高; 抗干扰能力强,便于远距离传输; 信号易于处理和存贮; 可以减少读数误差。 §6-1 码盘式传感器 这种传感器建立在编码器的基础上。只要编码器保证一定的制作精度,并配置合适的读出部件,这种传感器可以达到较高的精度。另外,它的结构简单,可靠性高。因此,在空间技术、数控机械系统等方面得到广泛应用。 编码器按原理分类有:电触式、电容式、感应式、光电式等等。 编码器包括码盘和码尺。前者用于测量角度,后者用于测量长度。因为册长度实际应用较少,故这里只讨论码盘。 编码器又可以分为增量编码器和绝对编码器两大类,这里仅讨论绝对编码器。 一、工作原理 光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换 成数字代码形式表示的电信号的转换部件。 图6-1是工作原理示意图。由光源1发出的光线,经柱面镜2变成一束平行光或会聚光,照射到码盘3上。通过亮区的光线经狭缝4后,形成一束很窄的光束照射在元件5上。 当有光线照射时,对应于亮区和暗区的光电元件的输出相反,如前者为“1”,后者为“0”。光电元件的各种信号组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘的数字量,代表了码盘转角的大小。由此可见,在传感器中码盘是将轴的转角转换成代码输出的主要元件。 二、码制与码盘 图6-2所示是一个6位的二进制码盘。最内圈称为 码道,一半透光,一半不透光。最外圈称为 码道,一共分为 个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。 二进制码盘具有以下主要特点: n位(n 个码道)的二进制码盘具有 种不同编码,称其容量为 ,其最小分辨力为 , 它的最外圈角节距为 ; 二进制码为有权码,编码 对应于由零位算起的转角为 ; 码盘转动中,Ck变化时,Cj所有(jk)应同时变化。 二进制码盘,为了达到1’’左右的分辨力,需要采用20或21位码盘。一个刻划直径为400mm的20位码盘,其外圈分别间隔为稍大于1μm。不仅要求各个码道刻划精确,而且要求彼此对准,这给码盘制作造成很大困难。 二进制码盘,由于微小的制作误差,只要有一个码道提前或延后改变,就可能造成输出的粗误差。究其原因,是因为当某一较高位的数码改变时,所有比它低的各位数码应同时改变,若由于刻划误差等原因,某一较高位未能同时改变,而是提前或延后改变所致。二进制码是有权码,就会引起粗误差。采用其它有权编码器时也存在类似问题。 图6-3(a)所示是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于AA位置时,正确读数为0111,为十进制数7。若码道黑区C4做得太短,就误读为1111,为十进制数15。反之。若黑区C4太长,当狭缝处于AA`时,就会将1000读为0000。在这两种情况下都将产生粗误差。 为了消除粗误差,可以采用双读数头法,或者用循环码代替二进制码。图6-3(b)是采用双读数头消除粗误差的示意图。采用双读数头法时,码道仍只有一个读数狭缝,例如在OO线位置,其他码道都有两个读数狭缝,如a2、b2;a3、b3;a4、b4等。 它们对称地分布在OO的两侧,每个码道上狭缝与之间的距离不超过该码道分度间隔的一半,即第i码道ai与bi之间的距离不超过 (i=2~n)。设由第i码道、两狭缝读出的信号分别为Ai和Bi,而第i-1码道的示数为 。若 =1,由图6-3(c)所示电路可知 。 只要由于刻划等原因造成的误差不超过相应码道ai与bi之间的距离不会产生粗误差。 在不发生粗误差的条件下,整个编码器的精度由它的最低位(即C1码道)决定。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。 图6-4所示是一个6位的循环码盘。循环码码盘具有以下特点: ①n位循环码码盘,与二进制码一样具有2的n次方种不同编码,最小分辨力为 ,最内圈为Rn码道,一半透光一半不透光,其他第i码道相当于二进制码码盘第i+1码道,向零位方向转过 角,它的最外圈R1码道的角节距为 ; ②循环码码盘具有轴对称性,其最高位相反,而其余各位数相同; ③循环码为无权码; ④循环码码盘转到相邻区域时,编码中只有一位发生变化,不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛应用。 三、二进制码与循环码的转换 表6-1是四位二进制码和循环码的对照表。 图6-5所示,为将二进制码转换为循环码的电路。图a为并行变换电路,图b为串行变换电路。 采

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