第6章光电式传感器转速测量方法及接近开关.ppt

本章内容 6.1 光 电 效 应 6.2 常用光电转换器件 6.3 固态图像传感器 6.4 光栅传感器 6.5 光学编码器 6.6 转速测量基本转速及转速传感器 6.7 接近开关的基本转速及其传感器 6.3 固态图像传感器 固态图像传感器(solid state imaging sensor)是指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄存器构成一体的集成光电器件,其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。 CCD —电荷耦合器件(charge coupled device)是其中应用最广泛的一种。 光纤式光电开关 光纤式光电开关应用 光纤式光电开关应用 光电元器件输出电信号的幅值可用光栅位移量x的正弦函数表示，以电压输出而言有： 式中：U0为输出信号中的平均直流分量，对应莫尔条纹的平均光强；Um为输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变化。 将输出的电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，就可以数字形式实时地显示出位移量的大小。 若指示光栅采用裂相光栅，一般由4个部分构成，每一部分的刻线间距与对应的标尺光栅完全相同，但各个部分之间在空间上依次错开的距离(n为整数)，若用光电器件分别接收裂相光栅4个部分的透射光，可以得到相位依次相差的4路信号如下： 将4路信号中U1与U3、U2与U4分别相减，消除信号的直流电平，可得到两路相位差为90°的信号，然后将它们送入细分和辨向电路，即可实现对位移的测量。 2．反射式光栅传感器 如图所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收莫尔条纹的光强。反射式光栅传感器一般用在数控机床上，主光栅为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的接近，能减小温度误差。 3．光栅测量辨向原理 1、2—光电元件；3—指示光栅；4—莫尔条纹 4．细分技术 为了进一步提高光栅传感器分辨力，测量比栅距更小的位移量，在测量系统中往往采用细分技术。细分技术的基本思想是，在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内，发出n个脉冲，每个脉冲代表原来栅距的1/n，由于细分后计数脉冲频率提高了n倍，因此也称为n倍频。以电子四倍频细分为例来说明细分原理。 前述辨向原理中，在B/4的位置上安放了两个光电元件，得到两个相差/2的电压信号U01和U02(设为S和C)，将这两个信号整形、反相得到4个依次相差 /2的电压信号0°(S)，90°(C)，180°( )，270°( )，将4个信号送入电路中，进行与、或逻辑运算。在正向移过一个光栅栅距时，可得到4个加计数脉冲；反向移过一个光栅栅距时，得到4个减计数脉冲，从而实现了四倍频细分。 6.5 光学编码器 光学编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨力高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点，近十多年来，已发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。 按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器(简称增量编码器)是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器(简称绝对编码器)的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 光电码盘实物图 6.5.1 绝对编码器 1．绝对编码器的码盘 绝对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与不透光的码形。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，可获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的编码，这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响，没有累积误差。 绝对式接触式编码器演示 4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 α=360°/2n 2．绝对编码器的工作原理 光电式绝对编码器的基本结构如图所示，它由光源、绝对式光码盘、接收光电元件及后续光电读出装置组成。 以4位绝对码盘的光电读出装置为例，如图，由最外向内依次为20，21，22，23位，图中4个光敏晶体管的读出值表明装置正处在码盘第8号角度位置，只有最里面码道的光敏晶体管对着不透光区，不受光照，管子截