第5章数字式传感器讲解学习.ppt

第5章数字式传感器1)具有较高的测量准确度和分辨率，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，工作稳定可靠5.1光电编码器5.2光栅式传感器5.3磁栅式传感器5.4容栅式传感器5.5感应同步器5.1光电编码器5.1.1光电编码器的结构及类型根据检测原理，编码器可分为接触式、光电式、电磁式和电容式等根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种1.增量式光电编码器增量式编码器主要由发光管(带聚光镜)、光栅板、光栅盘、光敏元件及信号处理电路板组成，如图5-1所示如图52所示，当光栅盘随工作轴一起转动时，每转过一个刻线（狭缝）就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件变成一次电信号的强弱变化，对它进行放大、整形处理后得到脉冲信号输出，脉冲数就等于转过的刻线数将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了圆盘转过的角度5.1光电编码器图5-1增量式光电编码器的基本结构1转轴2发光管3光栅板4零标志刻线5光敏管6光栅盘7印制电路板8电源及信号插座5.1光电编码器2.绝对式光电编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，它是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。

5.1光电编码器图5-3绝对式编码器示意图1光源2透镜3光敏元件组4码盘5.1光电编码器图5-4四位二进制编码盘a)自然二进制码b)格莱码5.1光电编码器1)可以直接读出角度坐标的绝对值2)没有累积误差3)电源切除后位置信息不会丢失3.混合式编码器混合式编码器的输出有两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全与增量式编码器的输出信息相同5.1.2光电编码器的鉴向倍频5.1光电编码器顾名思义，鉴向倍频有两大功能，一是鉴别方向，即根据增量式光电编码器输出的两路脉冲信号A和B的相位关系确定出轴的旋转方向；二是将A和B两路信号进行脉冲倍频，例如，将一个周期内的一个脉冲信号变为四个脉冲，这四个脉冲两两相距1/4周期因一个周期内的一个脉冲表示轴的旋转角度，这一个周期内的四个脉冲中的每一个则表示轴旋转角度的1/4，这样就提高了光电编码器的分辨率图5-5光电编码器鉴向计数电路5.1光电编码器5.1.3光电编码器在机床进给速度控制中的应用光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入轴的角度量，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、准确度高、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图5-6机床纵向进给速度控制示意图1光电编码器2丝杠进给电动机3纵向进给丝杠5.1光电编码器1.光电编码器的安装由于编码器属于精密仪器，对使用环境及安装的机械和电气要求比较高机械方面：编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接，以避免因用户轴的转动或跳动造成编码器轴系和码盘的损坏安装时注意允许的轴负载，以及编码器轴与用户输出轴的同轴度必须控制在允许范围之内，并且严禁敲击和摔打碰撞长期使用时，定期检查固定编码器的螺钉是否松动2.高速旋转测速高速旋转测速一般采用在给定的时间间隔T内对编码器的输出脉冲进行计数，这种方法测量的是平均速度，又称为M法测速5.1光电编码器图5-7高速旋转测速(M法测速)a)原理框图b)输出脉冲3.低转速测速低转速测速一般采用脉冲周期作为计数器的门控信号，时钟脉冲作为计数脉冲，时钟脉冲周期远小于输出脉冲周期5.1光电编码器图5-8低转速测速(T法测速)a)原理框图b)输出脉冲5.2光栅式传感器5.2.1光栅的结构和类型光栅是由很多等栅距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。

按照工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅物理光栅基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光波长等的测量；计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的器件，常用于位移的精密测量图5-9透射光栅的结构5.2光栅式传感器5.2.2光栅的工作原理图5-10光栅读数头示意图1光源2准直镜3标尺光栅4指示光栅5光敏元件6驱动线路5.2光栅式传感器1.莫尔条纹将主光栅与指示光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角，如图5-11所示图5-11莫尔条纹5.2光栅式传感器1)当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的发光强度分布近似于余弦函数2)放大作用3)均化误差作用4)莫尔条纹的变化规律2.光电转换主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光敏元件(如硅光电池等)将光信号转换成电信号5.2光栅式传感器在光栅的适当位置放置光敏元件，当两光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图512所示在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；在d位置，光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。

光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期光电器件的输出电压可用公式表示为 图5-12光栅位移与光强输出信号的关系5.2光栅式传感器3.鉴向与细分电路(1)鉴向电路无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转2)细分电路光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距图5-13四倍频鉴向计数电路5.2光栅式传感器图5-14四倍频鉴向电路波形5.2.3光栅式传感器在数控机床位置检测中的应用5.2光栅式传感器光栅式传感器具有测量准确度高、分辨率高、测量范围大、动态特性好、抗干扰能力强等优点，适合于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中但是光栅在工业现场使用时，对工作环境要求较高，不能承受大的冲击和振动，要求密封，以防止尘埃、油污和铁屑等的污染，成本较高图5-15数控机床位置检测和位置闭环控制系统框图1工作台2丝杠3光栅读数头5.3磁栅式传感器5.3.1磁栅的结构和类型1.磁栅的结构磁栅的结构如图5-16所示录磁时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度在其长度方向上运行的同时流过一定频率的相等电流，这样，就在磁尺上录上了等节距的磁化信息而形成磁栅。

磁栅录制后的磁化结构相当于一个小磁铁按NS、SN、NS的状态排列起来，如图516所示因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化，并在NN或SS相接处为最大图5-16磁栅的结构5.3磁栅式传感器2.磁栅的类型磁栅按其结构特点可分为测量直线位移的长磁栅和测量角位移的圆磁栅图5-17常用磁栅a)带状磁栅b)杆状磁栅c)圆磁栅1框架2磁尺3磁头4磁盘5.3.2磁栅的工作原理5.3磁栅式传感器图5-18磁栅式传感器的结构原理1磁膜2磁头3励磁绕组4铁心5输出绕组6抗磁镀层7非导磁材料基体5.3磁栅式传感器图5-19磁头读取信号原理a)静态磁头读取原理b)动态磁头的结构与读取原理5.3.3磁栅的数显装置5.3磁栅式传感器磁栅数显装置是在磁栅及其测量电路的基础上增加数字显示仪表，实现对磁栅所检测位移信号的精确数字显示在国际上，最有名的磁栅数显装置生产厂商是日本SONY磁尺公司，年产10万坐标套，在全球数显产量中占有量为1/8在国内，研究和生产磁栅数显装置的有上海市机床研究所、北京机床研究所等单位其中在数显行业中已造成相当影响的只有上海市机床研究所，年产量为5001000坐标套，在国产数显产品中，占有率为1/301/20。

我国的磁栅数显产品与国外的差距主要体现在工艺水平、品种、准确度、可靠性等方面，由于工艺水平的问题，使我国磁栅数显装置的产量受到了限制5.3磁栅式传感器图5-20鉴相式磁栅数显装置的原理框图5.3磁栅式传感器图5-21电梯运行速度曲线5.3.4磁栅式传感器在电梯控制中的应用5.3磁栅式传感器静磁栅式位移传感器在电梯控制系统中的作用主要是对电梯平层控制的调整电控系统是电梯的“中枢神经”，其质量好坏直接影响着电梯质量电梯要讲究乘坐舒适，而舒适感与运行时间有关要想乘坐舒适，就要延长加减速时间，但这会使电梯运行时间随之延长，降低电梯运行效率为提高电梯运行效率和乘坐舒适度，加减速度应该有一个合适的限度，而且变化要平稳图5-2230层电梯示意图5.3磁栅式传感器图5-23静磁栅源和静磁栅尺安装位置5.4容栅式传感器5.4.1容栅的结构及工作原理容栅的电容极板如同栅状，由动极板（又称动尺）和定极板（又称定尺）组成图5-24直线容栅传感器的结构示意图a)定尺、动尺上的电极b)定尺、动尺的位置关系c)发射电极与反射电极的相互关系1反射电极2屏蔽电极(接地)3接收电极4发射电极5.4容栅式传感器5.4.2容栅的测量电路容栅传感器的测量转换电路有多种形式，图525所示为其中一种测量电路框图。

由励磁信号编码器产生的八路相移驱动信号送到容栅传感器的发射电极上容栅传感器的接收电极输出位移调相信号经解调、放大和整形，再送入鉴相器，以检出相位变化相位变化反映了位移量的变化经运算器处理，然后进行公/英制转换和BCD码转换，再经译码、驱动，送液晶显示单元5.4.3容栅的特点由于容栅测量系统的原理及其结构设计的先进性，使其具有许多突出优点：1)由于传感器采用等节距的栅型结构，使测量的准确度不直接与长度有关，故非常适宜于大位移测量5.4容栅式传感器图5-25容栅测量转换电路框图2)测量速度快5.4容栅式传感器3)传感器的结构简单，易于与集成电路制成一体，易进行机械设计4)对使用环境要求不高5)能耗少6)功能多，运用方便7)串行码数据输出，可供计算机进行相应要求的处理以及打印机进行数据记录5.4.4容栅式传感器在数显尺中的应用5.4容栅式传感器由于容栅测量系统的许多优点，为开发、研制、生产电子数显量具、量仪提供了有利条件技术人员通过对容栅测量系统的研究和开发，生产出了系列化品种的电子数显百分表、电子数显千分表、数显测微仪、数显倾角仪、高准确度数显卡尺、数显千分卡尺等产品和与之相配套的多坐标的容栅数显表以及与计算机通信的适配器，并且利用容栅数显测量技术为用户开发了诸多用户所需的专用或综合测量仪器及装置。

图5-26数显卡尺示意图1尺身2游标3游标紧固螺钉4液晶显示器5串行接口6电池盒7复位按钮8公英制转换按钮5.5感应同步器5.5.1感应同步器的结构和类型感应同步器是一种电磁式位移检测元件，按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量它们的工作原理和旋转变压器相似0.tif5.5感应同步器图5-27旋转式感应同步器结构示意图1定子绕组板2转子绕组板3胶粘剂4静电屏蔽层5定子基板6转子基板5.5感应同步器图5-28直线式感应同步器结构示意图1定尺2滑尺3sin绕组4cos绕组5.5感应同步器5.5.2感应同步器的工作原理图5-29直线式感应同步器的工作原理5.5感应同步器1.鉴相方式Vs=Vmsint2.鉴幅方式Vs=Vmsin电sint5.5.3感应同步器在数控机床位置检测中的应用感应同步器具有检测准确度高、抗干扰能力强、使用寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，初期主要应用于高准确度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪在机械制造领域，感应同步器常用于数字控制机床、加工中心等的定位反馈系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。

它对环境条件要求较低，能在有少量粉尘、油污的环境下正常工作5.5感应同步器图5-30鉴幅型感应同步器数显表的组成框图1.单选题5.5感应同步器(1)某数控机床的数控装置位置检测接口的倍频数为4，机床滚珠丝杠的螺距为6mm，设定坐标轴的分辨率为0.001mm，则采用线的脉冲编码器来检测位置2)增量式。