1、第10章位移-数字传感器,电子信息及电气工程系,10-1 概述一、位移-数字传感器的特点： 大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能力强，稳定性好，易于与计算机接口。二、分类 角度数字编码器 光栅传感器 感应同步器,10-2 编码器,一、分类 脉冲盘式编码器（增量编码器） 接触式编码器编码器 码盘式编码器 电磁式编码器 （绝对编码器）光电编码器,二、码盘式编码器（绝对编码器）,1、接触式码盘1）四位二进制码盘,=3600/2n,循环码盘,n决定了码盘的精度，受电刷数量的限制 特点：简单，对码盘的制作与电刷的安装要求严格。,2）循环码盘 相邻的两个数码间只有一个是变化的。可降低对对码盘的制作与电刷的安
2、装要求。,2、光电式编码器（非接触式）结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透光的码形。装有与码道相同个数的光电转换元件替代电刷。,提高分辨率的方法：插值法,特点：非接触式，分辨率高，精度高 （10-8），n可达16，体积小， 易于集成，允许高速旋转。但 复杂，光源寿命较短。,三、脉冲盘式编码器（增量编码器）,1、结构与工作原理,光电转换器,光栅盘缝隙(1度1个),光电管,脉冲盘式编码器（增量编码器）,实际码盘,零位,外圈,内圈,零位脉冲,A相脉冲,B相脉冲,光电转换,旋转编码器原理,光电脉冲编码器的结构,两个光栅板，彼此之间错开m+/4个节距，当码盘基片随转轴转动时，产生a、b两相相位差为90
3、的交变信号。,旋转编码器工作原理 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光拦板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号a、b、z，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出6项A、B、C 和取反信号。 输出信号的作用及其处理A、B 两相的作用：细分处理、角位移、转速、转向； Z 相的作用：周向定位基准、圈数 取反信号的作用：利用 A 、 差分输入消除远距离传输的共模干扰,辩向,辩向电路：,2、输出例：国产SZGH-01 600P/r A、B相脉冲，相差90度 1P/r C脉冲，作零位标记 30KHZ 最高可达25000P/r 3、精度取决于码盘本身的精度 分辨率取决
4、于每转的脉冲数4、利用C相脉冲，每转一圈复位一次，因而无论正、反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故称为增量法。,常用的脉冲编码器每转输出的脉冲数有：2000 p/r2500 p/r3000 p/r 高分辨率的脉冲编码器：20000 p/r25000 p/r30000 p/r。,讨论：1、如何提高旋转编码器的精度？2、如何提高旋转编码器的可靠性？,10-3 栅式数字传感器一、分类1、光栅： 物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于 光谱分析，波长等的测定。 计量光栅：利用莫尔（Moire）现象，主 要用于测量长度、角度、v、a 、震动等。2、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录 音带。
5、 本节主要介绍计量光栅,二、计量光栅1、分类 透射光栅 长光栅 幅值光栅（黑白光栅） 反射光栅 圆光栅 相位光栅（闪耀光栅）新型：激光全息光栅，偏振光栅 此处主要讲透射光栅2、工作原理,光栅：栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。,a=b 光栅距： d = a+b,a,b,d,w,莫尔条纹：两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅线形成很小的夹角，由此出现的明暗相间的条纹。,w,光栅尺横向莫尔条纹及其参数,d,d,光栅检测装置的结构,透射光栅,1）栅尺：标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔 条纹区。2）莫尔条纹： w =
6、 d/ 当很小时w对d有几百倍的放大作用 例：令d = 0.02mm, = 0.00174532rad 则 w = d/ = 11.4592mm K= w / d=573,放大作用：栅尺移动一个d ，莫尔条纹移动一个w栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应,误差平均效应：栅线标准均方差莫尔条纹均方差：=n3）光能分布： 理想：三角波 实际：正弦波,四、光栅测量系统组成： 光栅光学系统 电子系统（细分、辩向、显示） 机械部分1、光栅光学系统（简称光栅系统）1）组成与功能a 照明系统；b 光栅副：标尺光栅与指示光栅，在平行 光照射下形成莫尔条纹。 测量装置的精度主要由标尺光栅决定。,光栅检测装置
7、基本结构示意图 1光源， 2透镜， 3指示光栅， 4光电元件， 5驱动电路，6标尺光栅,c 光电接收系统：光电接收元件，把由光栅副形成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。,光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数相等。,光栅读数头：照明系统，指示光栅，光电接收系统（除标尺光栅外）组合在一起。在它与标尺光栅作相对位移的过程中，根据标尺光栅读出移动部件的位移量。辩向：,2、电子系统1）电子细分目的：提高分辨率措施：倍频、插补，在信号的一个周期内 插入许多计数脉冲，以提高信号的 重复频率和分辨率。分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等,向,a 四倍频直接细分电路： 在一个w内依次放四个光电接收元件，相差 90度，移动一个d，可获得四相信号。 整形、辩向。,10 倍 频 矢 量 图,b 矢量细分(P201),2、光栅测量的特点 高精度：0.2- 0.4m/m，仅次于激光 高分辨率：0.1m 大量程：可大于1米 抗干扰能力强，可实现动态测量。3、应用范围 长度与角度的精密测量（如数控机床，测量机等），以及能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。,作 业1、试述光栅传感器的基本原理及特点。2、电子细分电路的目的是什麽？3、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。如果光敏二极管的响应时间为10-6S，栅线密度为50线/mm，计算光栅所允许的移动速度。,
