传感器_数字式传感器

前几章都介绍的是模拟式传感器，将被测参数转变为电模拟量（如电压、电流）显示出来。如果用数字显示或输入计算机，就需要A/D转换装置，将模拟量变成数字量。这不但增加了投资，而且增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度，若直接采用数字式传感器直接将被测参数转换成数字信号输出。数字式传感器具有以下优点：*精确度和分辨力高；*抗干扰能力强，便于远距离传输；*信号易于处理和存储；*可以减少读数误差。第 六 章 数 字 式 传 感 器 数字式传感器按工作原理不同，可分为：*脉冲数字式传感器：光电编码器、光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等*频率输出式数字传感器：振弦式、振筒式和振膜式传感器。61 码盘式传感器 这种传感器是建立在编码器的基础上的。 按原理分：电触式、电容式、感应式、光电式等。 按测量对象分：测长度码尺 测角度码盘这里只讨论光电式码盘，称为光电编码器.分类 一、光电编码器的工作原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下： 光源 透镜 码盘转轴 透镜 光敏元件 放大整形 脉冲输出 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外为判断旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路脉冲信号。光源 透镜 码盘转轴 透镜 光敏元件 放大整形 脉冲输出 编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际应用比较少。所以在这里只讨论码盘。 有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上常用的是21码道。 从里向外读数 亮：定义为高电平1 暗：定义为低电平0 零位（全黑）：000000110000缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。二、码制和码盘 二进制码盘的粗误差 上图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C4黑区做得太短，就误读为1111，为十进制数15。反之，若黑区C 4太长，当狭缝处于AA时，就会将1000读为0000。这两种情况下都将产生粗误差。 双读数头法循环码盘 数 字 式 角 编 码 器 信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料） 其 他 角 编 码 器 外 形 拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。 其 他 角 编 码 器 外 形（ 参 考 德 国 图 尔 克 传 感 与 自 动 化 技 术 专 业 公 司 ） 光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。三、增量编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和C 相；A、B 两组脉冲相位差 900，从而可方便地判断出旋转方向，而 C 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。 增 量 式 编 码 器转轴 盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LED A BC 零位标志A BC 增 量 式 编 码 器 增量式码盘10码道光电绝对式码盘 它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 零位标志 思考：当工作的过程中突然停电，两种编码形式的编码器有何不同？ 增 量 式 光 电 编 码 器 的 分 辨 力 及 分 辨 率 增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： n 0360 n1分 辨 率 四 、 绝 对 式 编 码 器 绝对式码盘与增量式码盘有何区别？ 10码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。 零位标志 绝 对 式 接 触 式 编 码 器 演 示 4位二进制码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 4个电刷 光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理，转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。 编 码 器 在 伺 服 电 机 中 的 应 用 利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量三相电参数 闭环控制 编 码 器 在 定 位 加 工 中 的 应 用1绝对式编码器 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具 62 光 栅 传 感 器 一、光栅传感器的结构原理 光栅传感器由照明系统、光栅副、光电接受元件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。计量光栅可为透射式光栅和反射式光栅两大类。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。 a bW刻线密度：（ 10，25，50，100线）/mm1000线/mm a：刻线宽度b:刻线间的缝隙宽度W：栅距，光栅常数 透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。 图610中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数） 指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔 可移动电缆光 栅 的 外 形 及 结 构 防尘保护罩的内部为长磁栅 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺可移动电缆光 栅 的 外 形 及 结 构 （ 续 ） 透 射 式 直 光 栅 反 射 式 光 栅 透 射 式 圆 光 栅固定 莫 尔 条 纹 演 示二、莫尔条纹形成的原理及特点“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。法国丝绸工人 两光栅平行-竖条纹 标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次 缺点：无法辨向 两光栅成微小角度-横条纹 （莫尔条纹） 形成黑白相间的条纹 光栅左右移动，条纹上下移动-可辨向 每移动一个栅距W，条纹移动一个间距B H 莫尔条纹的重要特性 运动对应关系 莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。 位移放大关系 误差平均效应 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。 光强近似于正弦变化 莫 尔 条 纹 的 位 移 放 大 作 用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度B H BH W/ ，（ 为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度） BH 莫 尔 条 纹 光 学 放 大 作 用 举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： BH W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm由于较大，因此可以 “观察”莫尔条纹光强的变化。 三.光栅位移数字转换的基本原理1. 光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图： 输出表达式： 0mCOS(2/w)X 式中，2/W为空间角频率，W为栅距（信号周期）， X为位移。 由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。 但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题： 辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向； 精度低；分辨力只为一个栅距W。 怎么解决这两个问题呢？ 四、辨向电路及波形 在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。 辨向电路及波形 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。提高光栅的分辨力 对栅线进行加密采用细分技术 四细分l直接细分（放置4个光电元件） 光 栅 细 分 举 例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则： 分辨力 =（1mm/50）/4=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。 电阻电桥细分法（矢量和法） 电阻链细分法（电阻分割法） 锁向倍频法 为 光 栅 设 计 的 专 用 数 据 转 接 器 （ 光 栅 计 数 卡 ） 内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。 为 光 栅 设 计的 专 用 信 号 处 理 单 元 （ 光 栅 插 补 器 ） 功能同上页 光 栅 在 机 床 上 的 安 装 位 置 （ 2个 自 由 度 ） 光 栅 在 机 床 上 的 安 装 位 置 （ 3个 自 由 度 ）数 显 表 2自 由 度 光 栅 数 显 表 X位 移 显 示Z（ Y） 位 移 显 示 3自 由 度 光 栅 数 显 表 光 栅 数 显 表 （ 续 ）三座标数显表 SDS8-3E 光 栅 数 显 箱 功 能 : 公制/英制转换绝对/相对转换线性误差补偿正反方向计算归零插值补偿到达目标值停机PCD圆周分孔200组零位记忆电蚀深度目标值显示实时工作位置显示掉电记忆 6-3 感应同步器 感应同步器也是一种用来测量位移量的数字式传感器，它是利用两个平面型绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的，它的工作原理与变压器的工作原理类似，又称平面变压器。 感应同步器由两个平面形印刷绕组组成，平面绕组是用铜箔加工而成，粘在钢板上或铸铁制成的基体上，两个绕组相当于变压器的两个线圈。 感应同步器有两种，一种是直线感应同步器，用来测量线位移，两个绕组分为定尺绕组和滑尺绕组。 另一种是圆感应同步器，用来测量角位移。两个绕组分为定子绕组和转子绕组。 定尺和转子的绕组为连续绕组，相当于变压器的副边，用于输出与位移有关的信号。滑尺和定子的绕组为分段绕组（又称为正、余弦绕组），工作时输入激磁电压，用以产生交变磁场。一. 感应同步器的种类及结构 直线型感应同步器的基本结构： 由定尺和滑尺组成定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。 绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90相角，又称为正、余弦绕组。 图6-23 结 构 组 成节距：绕组在长度方向的分布周期 滑尺与定尺相对移动时，定尺绕组上的感应电动势与两尺的相对位移成正比 正弦绕组 余弦绕组 圆盘式感应同步器（旋转式） 圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。 1 2 2 21 1( )2 4 2 4k kl w w w 滑尺绕组上的正弦绕组和余弦绕组在空间上相差/2，或k /2。这个空间角如下确定：设定尺的节距为w2=2(a2+b2),相当于空间角2，对应于一个周期，则滑尺两绕组（正弦绕组，余弦绕组）之间的距离:2k k为整数,在这里w2相当于一个周期2 l1 相当于对于圆感应同步器，其定子的正余弦绕组同样满足相差90 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。定尺与滑尺间的气隙应保持在0.250.05mm范围内。二. 工作原理 以直线感应同步器为例，当两绕组位置相对固定时，滑尺绕组中的激磁电流使定尺绕组中产生一个感应电势，其大小为：diE M dt M为互感系数 Vi RM dv dvE kR dt dt 如果假设绕组的自感系数很小，且激磁频率较低，则滑尺激磁绕组可视为纯电阻，则激磁电流为：,所以有 K称为电磁耦合系数 随着两绕组间的位置关系不同，定尺中的感应电势大小是不同的，我们可以具体分析如下：见P129 图6-26当滑尺与定尺间的相对位置按下面规律变化，以正弦绕组为例：1. x=o时：这时两绕组完全重合，通过定尺的耦合磁通最大，这时定尺绕组中产生的感应电势最大。2. x=1/4W时：滑尺跨在定尺的两侧，定尺中的感应电势相互抵消为零。3. x=1/2W时：滑尺与定尺重合，但感应电势方向与x=0时相反，达到反方向最大。4. x=3/4W时：定尺中感应电势为零。 cos sS dvE K dt 22 xw 因此，对于正弦绕组激磁而产生的感应电势的大小为： cos为位置系数，1 214l w sin cC dvE K dt同理，若设 ，则可推出对于余弦绕组激磁而产生的而总电势为： (cos sin )s cS C dv dvE E E K dt dt 这里讨论是在理想情况下近似的，实际的输出中还存在有其它高次谐波及干扰。 一般情况下，激磁电压，感应电势；但激磁电压太大（i增大），引起发热，致使不能正常工作。V=12V.【演示】感应电势为： 三. 感应同步器的工作方式感应同步器工作方式通常分为： 鉴相型 鉴幅型 (cos cos sin sin ) 2cos( ) cos( )S C mm mE E E k V t tk V t k V t xw 鉴相型工作方式鉴相型工作方式是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式。激磁方式：对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同，但相位相差90的交流方波。sincosS m C mV V tV V t 这时 cos cos cossin sin sinsS mcC mdvE k kV tdtdvE k kV tdt 总电势为： 这相当于一个相位调制波，当位移X发生变化时，输出信号的相位发生变化。 由上述讨论可知，输出信号的幅值与激磁电压（相当于载波）的频率有关。激磁频率越高，输出幅值越大，且可使测量速度提高。但若激磁频率过高，则导致感抗增加，容抗减小，使测量精度下降。 从上面讨论还可以看出，在一个节距w内，感应输出电压的相位与滑尺和定尺间位移x相对应，每当位移变化一个节距，变化2角度，输出信号的相位变化一个周期，因此，必须采用累加计数的办法求总的位移量。 鉴幅型工作方式通过输出电压幅值变化来测量位移。激磁方式：滑尺的正、余弦绕组分别加以频率相同、相位相同、但幅值不等（按正、余弦规律变化）的交流电压。 sin sincos sinS m C mV V tV V t cos sin cos cossin cos sin cossS mcC mdvE k k V tdtdvE k k V tdt sin( )cos2sin( )cosS C mmE E E k V tk V x tw 可见，当激磁电压不变，固定，则输出信号幅值与相对位移x有关。 设初始= ；如果，说明由位移存在，若设法改变 ，使，则通过计算的变化量便可求得x的大小。 感应同步器的优点： 具有较高的分辨力和精度。长感应同步器：精度1.5m，分辨力0.05 m，重复性0.2 m。 抗干扰能力强； 使用寿命长，维护简单； 可以做长距离位移测量；定尺拼接 工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。 应用：大位移静态与动态测量。 三坐标测量机 程控数控机床 高精度重型机床 感应同步器 定尺、滑尺 感应同步器 数显表 感应同步器 容栅传感器 容栅传感器是一种可测量大位移的变面积电容式数字传感器。 容栅传感器分为直线型、圆型和圆筒形容栅传感器，前两种用于直线位移测量，第三种用于角位移测量。 容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺包含多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极。 发 射 电 极 分 为 6组 ， 每 组 8个 电 极 ， 编 号 相 同 的 电 极 施 加 相 同 激励 信 号 ， 相 邻 电 极 上 激 励 信 号 相 位 差 为 45度 。 直线式容栅传感器结构 容栅传感器的应用 数显千分尺 64 振弦式传感器 管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理而可奏乐，这早已为人们所熟知。而把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用于传感器技术，这却是近几十年的事。弹性振体频率式传感器就是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的固有振动频率（自振谐振频率）来测量有关参数的。 振弦式传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧力有关。 当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小。 其输入量为力，输出量为频率信号。 工作原理： 式中 ： l 振弦的有效长度；振弦的线密度(单位长度的质量)。振弦的固有频率f0： 应用： 利用振弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成压力、力、力矩或加速度传感器； 利用振弦的固有频率与其长度l的函数关系，可以做成温度式、位移式传感器。 思考题：1、什么是莫尔条纹的放大作用？2、设有一光栅，其刻线数为250线/mm，要用它测量1微米的位移，应采取什么措施？3、感应同步器如何在数控机床上应用？4、感应同步器绕组节距通常为2mm，为什么可以用它测出0.01mm的位移量？5、振弦式传感器输出的是什么信号？ 四 、 绝 对 式 编 码 器 绝对式码盘与增量式码盘有何区别？ 10码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。 零位标志 62 光 栅 传 感 器 一、光栅传感器的结构原理 光栅传感器由照明系统、光栅副、光电接受元件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。计量光栅可为透射式光栅和反射式光栅两大类。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。提高光栅的分辨力 对栅线进行加密采用细分技术 四细分l直接细分（放置4个光电元件） 光 栅 细 分 举 例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则： 分辨力 =（1mm/50）/4=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。 2自 由 度 光 栅 数 显 表 X位 移 显 示Z（ Y） 位 移 显 示 感应同步器 定尺、滑尺 感应同步器 数显表 感应同步器