第10章-数字式传感器课件

第十章 数字式传感器v2024/7/11v1v.光光 栅栅1.2第10章 数字式传感器感应同步器感应同步器10.110.2编编 码码 器器10.3频率式传感器频率式传感器10.4v2024/7/11v2v.数字式传感器:能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器数字式传感器具有下列特点：1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；2.抗干扰能力强，稳定性好；3.信号易于处理、传送和自动控制；4.便于动态及多路测量，读数直观；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。v2024/7/11v3v.主要介绍在测量和控制系统中广泛应用的数字式传感器：直接以数字量形式输出的传感器，如绝对编码器；以脉冲形式输出的传感器，如增量编码器、感应同步器、光栅等；以频率形式输出的传感器；v2024/7/11v4v.感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。第一节第一节 感应同步器感应同步器 v2024/7/11v5v.图10-1为直线式感应同步器的绕组结构。由两个绕组构成。定尺长度为250mm均匀分布的连续绕组，节距W22（a2b2）滑尺上布有断续绕组，分正弦 和余弦 两部分，即两绕组相差90度电角度。为此，两相绕组中心线距应为 ，其中n为正整数。两相绕组节距相同，均为W12(a1b1)通常，定尺的节距W2为2mm。定尺绕组的导片宽度要考虑消除高次谐波，可按 来选择，其中 为谐波次数，n为正整数，显然a2W2/2滑尺的节距W1通常与W2相等，绕组的导片宽度同样按 来选取v2024/7/11v6v.结构组成v2024/7/11v7v.图10-2为定尺和滑尺的截面结构图。基板2通常由钢板制成。为了保证测量的精度，对它的表面几何形状，外形尺寸及热处理等都有一定的要求。基板上通过粘合剂4粘有一层铜箔。铜箔厚度在0.1mm以下，通过蚀刻得到所需的绕组3的图形。在铜箔上面是一层耐腐蚀的绝缘涂层1.根据需要还可在滑尺表面再贴一层带绝缘层的铝箔5，以防止静电感应。v2024/7/11v8v.v2024/7/11v9v.光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。按光栅表面结构的不同，又可分为幅值(黑白)光栅和相位(闪耀)光栅。前者特点是栅线与缝隙是黑白相间的，多用于照相复制法进行加工；后者的横断面呈锯齿状，常用刻划法加工。本节主要讨论黑白透射式计量光栅第二节第二节 光光 栅栅 v2024/7/11v10v.光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理1.1.光栅结构光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅，右图为透射光栅的示意图。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。v.2.2.光栅测量原理光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，如图所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图可见，在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。v.莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。v.（2）莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。v.光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。1.1.光栅读数头光栅读数头 光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头的结构示意图见下图。v.光栅读数头结构示意图 v.2.2.光栅数显表光栅数显表 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。v.光电转换光电转换下图为一透射式光栅传感器的结构图。为了进行莫尔条纹读数，在光路系统中除了主光栅与指示光栅外，还必须有光源、聚光镜和光电元件等。主光栅与指示光栅之间保持有一定的间隙。光源发出的光通过聚光镜后成为平行光照射光栅，光电元件（如硅光电池）把透过光栅的光转换成电信号。v2024/7/11v18v.v2024/7/11v19v.当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。如图1014所示，在a位置，两块光栅刻线重叠，透过的光最多，光强最大；在位置c，光被遮去一半，光强减小；在位置d，光被完全遮去而成全黑，光强为零。光栅继续右移；在位置e，光又重新透过，光强增大。v2024/7/11v20v.在理想状态时，光强的变化与位移成线性关系。但在实际应用中两光栅之间必须有间隙，透过的光线有一定的发散，达不到最亮和全黑的状态；再加上光栅的几何形状误差，刻线的图形误差及光电元件的参数影响，所以输出波形是一近似的正弦曲线，v2024/7/11v21v.编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。由于旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，并已有各种系列产品可供选用，故本节着重讨论旋转式光电编码器。第三节第三节 编码器编码器v2024/7/11v22v.旋转式编码器有两种增量编码器和绝对编码器增量编码器与前三节讨论的几种数字式传感器有类似之处。它的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。最简单的一种绝对编码器是接触式编码器。通常编码器的编码盘与旋转轴相固联，沿码盘的径向固定数个敏感元件（这里是电刷）。每个电刷分别与码盘上的对应码道直接接触v2024/7/11v23v.v2024/7/11v24v.图10-19为一个4位二进制编码器的码盘示意图。它是在一个绝缘的基体上制有若干金属区（图中涂黑部分）。全部金属区连在一起构成导电区域，并通过一个固定电刷（图上未示出）供电激励。固定电刷压在与旋转轴固联的导电环上。所以，无论转轴处于何位置，都有激励电压加在导电区域上。当码盘与轴一起旋转时，四个电刷分别输出信号。若某个电刷与码盘导电区接触，该电刷便被接到激励电源上，输出逻辑1电平。若某电刷与绝缘区相接触，则输出逻辑0电平。在各转角位置上，都能输出一个与转角位置相对应的二进制码。转角位置与输出码见表10-1。v2024/7/11v25v.v2024/7/11v26v.旋转式光电编码器旋转式光电编码器接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。v2024/7/11v27v.绝对编码器v2024/7/11v28v.光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形。它们相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝缘区编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号。v2024/7/11v29v.光电增量编码器的应用（1）典型产品应用介绍 图1024所示为LEC型 小型光电增量编码器的 外形图。每转输出脉冲 数为205000，最大允 许转速为5000rmin。v2024/7/11v30v.（2）测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。v2024/7/11v31v.（3）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 v2024/7/11v32v.v2024/7/11v33v.图1027（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4m的分辨力。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。v2024/7/11v34v.在前几节介绍的四种测量位移的数字式传感器中，除了绝对编码器能将位移量直接转换成数字量外，其余几种都是将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统所计的脉冲个数来反映被测量的值。本节介绍的数字式传感器，其输出虽然也是一系列脉冲，但与被测量对应的是脉冲的频率。这种能把被测量转换成与之相对应且便于处理的频率输出的传感器，即为频率式传感器。前述用增量编码器作转速测量时，其编码器的输出是与转速成正比的脉冲频率，这实际上就是一种频率式传感器。第四节第四节 频率式传感器频率式传感器v2024/7/11v35v.一、一、RCRC频率式传感器频率式传感器利用热敏电阻把温度变化转换成频率信号的方法是RC频率式传感器的一例。热敏电阻作为RC振荡器的一部分。基本电路如图1030所示。RC振荡器的振荡频率由下式决定v2024/7/11v36v.二、石英晶体频率式传感器二、石英晶体频率式传感器利用石英晶体的谐振特性，可以组成石英晶体频率式传感器。石英晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的固有振动频率相同时，就会产生谐振。如果石英晶体谐振器作为振荡器或滤波器时，往往要求它有较高的温度稳定性；而当石英晶体用作温度测量时，则要求它有大的频率温度系数。因此，它的切割方向（切型）不同于用作振荡器或滤波器的石英晶体。v2024/7/11v37v.当温度在80250范围时，石英晶体的温度与频率的关系可表示 为 （1018）式中 f0t0时的固有频率；a，b，c频率温度系数。v2024/7/11v38v.可以选择一特定切型的石英晶体，使得式（1018）中的系数b和c趋于零。这样切型的晶体具有良好的线性频温系数，其非线性仅相当于103数量级的温度变化。晶体的固有谐振频率取决于晶体切片的面积和厚度。在石英晶体频率式温度传感器中，根据温度每变化1度振荡频率变化若干赫兹的要求，以及晶体的频温系数，可确定振荡电路的基频。v2024/7/11v39v.