数字式传感器精.ppt
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1、第1页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.110.1.110.1.110.1.1角度角度角度角度-数字编码器的基本类型数字编码器的基本类型数字编码器的基本类型数字编码器的基本类型v1 1按工作原理分类按工作原理分类按工作原理分类按工作原理分类 角角度度-数数字字编编码码器器按按工工作作原原理理主主要要分分为为绝绝对对式式编编码码器器(码码盘盘式式编编码码器器)、增量式增量式编码器(脉冲盘式编码器)两大类。编码器(脉冲盘式编码器)两大类。角度角度-数字编码器是一种数字编码器是一种旋转式旋转式的数字传感器,它的转轴通常与的数字传感器,它的转轴通常与被测物连接,随
2、被测轴一起转动,它能将被测轴的被测物连接,随被测轴一起转动,它能将被测轴的角位移角位移转换成二进转换成二进制编码或一串脉冲。所谓制编码或一串脉冲。所谓编码器编码器就是将机械转动的模拟量(位移)转换成以数就是将机械转动的模拟量(位移)转换成以数字代码形式表示的电信号,编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用字代码形式表示的电信号,编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。于各种位移的测量。v2 2按结构形式分类按结构形式分类按结构形式分类按结构形式分类 角角度度-数数字字编编码码器器按按其其结结构构形形式式有有接接触触式式、光光电电式式、电电磁磁式式等等。三三种种编编码码
3、器器相相比比较较,光光电电式式编编码码器器的的性性价价比比最最高高,最最大大特特点点是是非非接接触触测测量量,允允许高速转动。许高速转动。第2页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.210.1.210.1.210.1.2绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器v v1 1结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理 绝对式光电编码器主要由安装在旋转轴上的绝对式光电编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘编码圆盘(码盘)、(码盘)、狭缝狭缝、安装在、安装在圆盘两边的圆盘两边的光源光源和和光电元件光电元件以及以及测量电路测量电路等组
4、成,基本结构如图等组成,基本结构如图10-1所示。光电式所示。光电式编码器的码盘是一块圆形的光学玻璃,采用照相腐蚀工艺,在码盘上刻有许多同心码道,编码器的码盘是一块圆形的光学玻璃,采用照相腐蚀工艺,在码盘上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即亮区亮区和和暗区暗区。当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过亮区的光线经狭缝后,亮区的光线经狭缝后,由光电晶体管元件接收变成由光电晶体管元件接收变成电流,经波形整形回路后变成电流,经波形整形回路后变成数字信号数字信号,即光电元,即光电
5、元件的排列与码道一一对应,件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号,前者为电元件输出的信号,前者为“1”,后者为,后者为“0”。当码盘旋至不同位置时,光电元件输出信号的组合,反当码盘旋至不同位置时,光电元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的角位角位移移大小。大小。第3页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.210.1.2绝对式光电编码器绝对式光电编码器v2 2码盘码盘码盘码盘 编码器码盘按其所用码制可分为编码器码盘按其所用码制可分为二进制码二进制码、十进
6、制码十进制码、循环码循环码(格雷(格雷码)等。码)等。第4页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.310.1.310.1.310.1.3增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器v1 1结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理 脉冲盘式编码器只能用于测量脉冲盘式编码器只能用于测量相对于上一次的角度增量相对于上一次的角度增量,因此称为增量式编,因此称为增量式编码器,增量式编码器通常由光源、光电码盘、光电元件以及计数和辨向系统码器,增量式编码器通常由光源、光电码盘、光电元件以及计数和辨向系统组成。组成。光电码盘的光源最常用的是
7、自身有聚光效果的光电码盘的光源最常用的是自身有聚光效果的LED,光电码盘随转轴一起转动。,光电码盘随转轴一起转动。当码盘转过当码盘转过1/n圈时,光电元件即发出计数脉冲,计数器对脉冲的个数进行圈时,光电元件即发出计数脉冲,计数器对脉冲的个数进行加减增量加减增量计数计数,从而判断出码盘旋转的相对角度,记录转动,从而判断出码盘旋转的相对角度,记录转动方向方向和和位移位移。为了判断转向,才有了加减增量为了判断转向,才有了加减增量计数的设计,因此增量式编码器在计数的设计,因此增量式编码器在工作时为了实现这项功能,实际上工作时为了实现这项功能,实际上会有会有三个脉冲信号三个脉冲信号输出:零位脉冲、输出:
8、零位脉冲、A相脉冲、相脉冲、B相脉冲,其工作形式相脉冲,其工作形式如图如图10-4所示。所示。第5页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.310.1.310.1.310.1.3增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器v v2 2码盘码盘码盘码盘 增量式编码器的码盘设立了三个码道,透过的光信号由三个光电元件接收,分增量式编码器的码盘设立了三个码道,透过的光信号由三个光电元件接收,分别产生别产生Z(零位脉冲)、(零位脉冲)、A(增量脉冲)、(增量脉冲)、B(辨向脉冲)三个矩形波列。(辨向脉冲)三个矩形波列。零位脉冲零位脉冲,是码盘转动的绝对
9、位置,常用于机械原点定位。,是码盘转动的绝对位置,常用于机械原点定位。信号信号A和信号和信号B是相位相是相位相差差90两列矩形方波,即可由两列矩形方波,即可由A相超前于相超前于B相或相或B相超前于相超前于A相的情况,识别是相的情况,识别是顺时针顺时针旋旋转,还是转,还是逆时针逆时针旋转,从而决旋转,从而决定计数器作定计数器作加计数加计数还是还是减计减计数数。增量式编码器的输出波形。增量式编码器的输出波形如图如图10-5所示。所示。第6页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.410.1.410.1.410.1.4角度角度角度角度-数字编码器的常用型号数字编码器的
10、常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号部分部分绝绝对对式式编编码码器器的的特特性性参参数数 第7页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.410.1.410.1.410.1.4角度角度角度角度-数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号部分部分增量增量式式编编码器码器的特的特性参性参数数 第8页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.510.1.5角度角度-数字编码器的应用数字编码器的应用v1数字测速数字测速 由于光电式编码器的输出信号是由于光电式编码器的输出信号是脉冲形式脉冲形式,
11、因此,可以通过测量脉冲,因此,可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。光电式编码器可代替测速发电机的模拟频率或周期的方法来测量转速。光电式编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为测速而成为数字测速数字测速装置。数字测速的方法有装置。数字测速的方法有M法测速法测速和和T法测速法测速等,如图等,如图10-6所示。所示。第9页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.510.1.510.1.510.1.5角度角度角度角度-数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用v v2 2电梯测距电梯测距电梯测距电梯测距 电梯是智能楼宇的重要设备,安全性、舒适
12、性、准确性是其重要的技术指标。电梯是智能楼宇的重要设备,安全性、舒适性、准确性是其重要的技术指标。现在楼层控制以及平层功能,多采用光电式编码器测距,来实现准确停车。当现在楼层控制以及平层功能,多采用光电式编码器测距,来实现准确停车。当曳引电动机旋转时,编码器即输出脉冲,脉冲数正比于电梯的运行距离。例如,设曳引电动机旋转时,编码器即输出脉冲,脉冲数正比于电梯的运行距离。例如,设定电梯在定电梯在1楼时为零点,电梯运行到楼时为零点,电梯运行到4楼,编码器会输出楼,编码器会输出9800个脉冲,则在上行过程个脉冲,则在上行过程中,脉冲数为中,脉冲数为7000时实行减速,脉冲数为时实行减速,脉冲数为980
13、0时发出停止命令,这样电梯就会准确时发出停止命令,这样电梯就会准确停在停在4楼。楼。第10页,本讲稿共28页10.110.1角度角度-数字编码器数字编码器10.1.510.1.510.1.510.1.5角度角度角度角度-数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用v3电动机速度闭环控制电动机速度闭环控制 为了设备运行稳定,电动机的速为了设备运行稳定,电动机的速度经常需要进行度经常需要进行闭环控制闭环控制,编码器,编码器结合电子线路可以对电动机在正结合电子线路可以对电动机在正反转时的不同转速进行精确控制,反转时的不同转速进行精确控制,其工作原理如图其工作原理如图10-7所示。
14、将增所示。将增量式编码器输出的量式编码器输出的A、B信号引入信号引入信号处理回路,经辨向和累加后,信号处理回路,经辨向和累加后,变成位移和方向测量脉冲。经频变成位移和方向测量脉冲。经频率率-电压变换器变成正比于频率的电压变换器变成正比于频率的电压,作为电压,作为速度反馈信号速度反馈信号,供给速,供给速度控制电路,进行度控制电路,进行速度调节速度调节。第11页,本讲稿共28页10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.2.1 光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类 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
15、线)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,这就是光光栅,图栅,图10-8为透射光栅的示意图。为透射光栅的示意图。图中图中a为栅线的宽度(不透光),为栅线的宽度(不透光),b为栅线间宽(透光),为栅线间宽(透光),a+b=W称为称为光栅的光栅的栅距栅距(也称光栅常数)。通常(也称光栅常数)。通常a=b=W/2,也可刻成,也可刻成a:b=1.1:0.9。目前。目前常用的光栅每毫米刻成常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。条线条。第12页,本讲稿共28页10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.
16、2.1 光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类 光栅种类很多,按光栅种类很多,按原理和用途原理和用途分为:计量光栅、物理光栅(衍射光栅)分为:计量光栅、物理光栅(衍射光栅);按;按工作原理工作原理分为:透射光栅、反射光栅;按分为:透射光栅、反射光栅;按光栅表面的结构和作用原理光栅表面的结构和作用原理为:黑白光栅、闪耀光栅(相位光栅);按形状和用途分为:长光栅、圆为:黑白光栅、闪耀光栅(相位光栅);按形状和用途分为:长光栅、圆光栅(径向光栅、切向光栅),长光栅用于长度测量,又称直线光栅,圆光栅(径向光栅、切向光栅),长光栅用于长度测量,又称直线光栅,圆光栅用于角度测量;
17、光栅用于角度测量;新型光栅新型光栅则为:激光全息光栅、偏振光栅。则为:激光全息光栅、偏振光栅。其中,物理光栅主要利用光的衍射现象,常用于光谱分析和光波测定,其中,物理光栅主要利用光的衍射现象,常用于光谱分析和光波测定,而计量光栅常用于检测中,利用光的透射和反射现象,实现而计量光栅常用于检测中,利用光的透射和反射现象,实现位移测量位移测量,其,其次,计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次之高,有很高的分辨次,计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次之高,有很高的分辨力,非常适用于力,非常适用于动态测量动态测量。第13页,本讲稿共28页10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.2 10.2.2
18、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传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头光栅读数头、光栅数显表光栅数显表两大两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量(位移量)转换成相应的电信号;光部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量(位移量)转换成相应的电信号;光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。v1 1光栅读数头光栅读数头光栅读数头光栅读数头 光光栅读数头主要由光光栅读数头主要由标尺光栅标尺光栅、指示光栅指示光栅、光源光源、光路系统光路系统和和光电元件光电元件等等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光
19、栅比标尺光栅短得多,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,但两者刻有同样密度的线纹。使用时,指示光栅相对于光电元件固定,标但两者刻有同样密度的线纹。使用时,指示光栅相对于光电元件固定,标尺光栅则固定在被测物体上,且随被测物体一起移动,其长度取决于测量尺光栅则固定在被测物体上,且随被测物体一起移动,其长度取决于测量范围,两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙。当标尺光栅相对于指示范围,两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙。当标尺光栅相对于指示光栅移动时,形成的莫尔条纹产生明暗交替变化,利用光电元件将其转换光栅移动时,形成的莫尔条纹产生明暗交替变化,利用光电元件将其转换为电
20、脉冲信号。为电脉冲信号。第14页,本讲稿共28页10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.2 10.2.2 10.2.2 10.2.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器的组成 v2 2光栅数显表光栅数显表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,但位移是向量,因而对位移量光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量,但位移是向量,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
21、数显表作量的精度,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。光栅数显表由进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路整形放大电路、细分电路细分电路、辨向电路辨向电路及及数字显示数字显示电路电路等组成。等组成。第15页,本讲稿共28页10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.310.2.310.2.310.2.3光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理 把两块栅距相等的光栅(光栅把两块栅距相等的光栅(光栅1、光栅光栅2)相对叠合在一起,中间留有很)相对叠合在一起,中间留有很小间隙,并使两者的栅线之间形成一个小间隙,并使两者的栅线之间形成一个很小的很
22、小的夹角夹角,如图,如图10-9所示,这样就可所示,这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现了明以看到在近于垂直栅线方向上出现了明暗相间的条纹,这些条纹叫暗相间的条纹,这些条纹叫莫尔条纹莫尔条纹。也即莫尔条纹是由两块光栅的遮光和透光也即莫尔条纹是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。由图效应形成的。由图10-9的的d-d线上,两块光线上,两块光栅的栅线重合,透光面积最大,形成条纹栅的栅线重合,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;的亮带,它是由一系列四棱形图案构成的;在在f-f线上,两块光栅的栅线错开,形成条线上,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纹
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