工程测试7-数字量传感器

西安工业大学机电学院机电工程学院测量与控制技术研究所卢春霞QQ：467033116Tel：[phone]工程测试技术西安工业大学机电学院第七章、数字量传感器本章学习要求：•了解数字量传感器的基本原理、特点和应用•掌握光栅传感器的工作原理和测量电路西安工业大学机电学院数字传感器的特点•具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。•测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。•易于实现高速动态测量、处理和自动化。•采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。•安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。7数字量传感器西安工业大学机电学院栅式(光栅、磁栅)传感器编码式(接触式、光电式、电磁式)传感器频率输出式传感器感应同步器式传感器数字传感器的分类7数字量传感器西安工业大学机电学院7.1光电盘式角位移传感器7.2光栅传感器7.3感应同步器本章内容：7数字量传感器西安工业大学机电学院7数字量传感器7.1光电盘式角位移传感器7.2光栅传感器7.3感应同步器机电工程测试技术西安工业大学机电学院第一节光电盘式角位移传感器7数字量传感器西安工业大学机电学院7.1光电盘式角位移传感器7.1.1光电盘光电盘是一种最简单的光电式转角测量元件。它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整形放大电路和数字显示装置组成。7.1光电编码器西安工业大学机电学院7.1光电编码器西安工业大学机电学院光电盘输出电脉冲信号，经整形、放大、分频、计数和译码后输出或显示。根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序，可以判别光电盘的旋转方向。由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受环境干扰，所以多用在简易型和经济型数控机床上。7.1光电编码器西安工业大学机电学院7.1.2光电编码器编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的检测器件（增量编码器、绝对编码器）。分类：分为光电式、接触式和电磁式三种。7.1光电编码器西安工业大学机电学院1、绝对编码器四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数为24=16个。每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数字信号。标准二进制编码器(8421码盘)7.1光电编码器西安工业大学机电学院由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生读数误差。当码盘多位数要同时变化，可能将数码误读成1111、1011、1101、……、0001等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值性误差。标准二进制编码器实际应用少，而采用二进制循环码盘（格雷码盘）或带判位的码盘。7.1光电编码器西安工业大学机电学院任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数——有效消除非单值性误差。7.1光电编码器西安工业大学机电学院0000000001000100012001000113001100104010001105010101116011001017011101008100011009100111011010101111111011111012110010101311011011141110100115111110008421码格雷码西安工业大学机电学院码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光电元件有信号才能读数，这样就不会产生非单值性误差。7.1光电编码器西安工业大学机电学院a、接触式编码器b、光学式编码器用电刷与码盘接触，电刷数量等于码道数量；由光源、码盘、光电敏感元件组成；c、磁性编码器7.1光电编码器西安工业大学机电学院特点：小范围绝对位置测量---角度、直线位置小范围位移、速度检测应用：绝对码---绝对角位置传感器测量范围有限（360º）速度不高（最高几千转/分），怕振动丢数连接---弹性连轴结绝对编码器7.1光电编码器西安工业大学机电学院2、增量编码器7.1光电编码器西安工业大学机电学院输出光电脉冲，通过整形、放大、辨向后输出脉冲信号零位7.1光电编码器西安工业大学机电学院7.1光电编码器西安工业大学机电学院7.1光电编码器西安工业大学机电学院7.1光电编码器西安工业大学机电学院应用：相对位置测量---角度、直线位置，位移、速度测量特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限速度不高（最高几千转/分）怕振动---丢数增量编码器7.1光电编码器西安工业大学机电学院3、光电编码器的应用——数字测速7.1光电编码器西安工业大学机电学院7.1光电编码器西安工业大学机电学院第二节光栅传感器7数字量传感器西安工业大学机电学院1、光栅与光栅传感器1)光栅：基体（光学玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的光学元件。分透射光栅和反射光栅。2）栅距：W＝a+b。通常a=b或a:b=1.1:0.9。光栅常数通常用刻线密度来表示25，50，100，250条/mm。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院3）光栅传感器：由两个光栅组成。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院2、光栅传感器结构与测量原理光源标尺光栅指示光栅光电元件测量范围－－标尺光栅的有效长度1）结构7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院两个光栅栅线呈一定夹角。利用莫尔条纹进行测量。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院播放动画长光栅莫尔条纹——演示7.2光栅传感器西安工业大学机电学院2）莫尔条纹的形成均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动7.2光栅传感器西安工业大学机电学院WWB)2/sin(2特例：当=0,w1=w2→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2→纵向莫尔条纹Babcd22w3）莫尔条纹的宽度7.2光栅传感器西安工业大学机电学院播放动画长光栅光闸莫尔条纹——演示7.2光栅传感器西安工业大学机电学院圆光栅莫尔条纹7.2光栅传感器西安工业大学机电学院播放中……单击准备演示播放动画特点是：θ=0两光栅的圆心存在偏心圆弧莫尔条纹——演示7.2光栅传感器西安工业大学机电学院光闸莫尔条纹——演示播放动画播放中……特点是：θ=0两光栅没有偏心7.2光栅传感器西安工业大学机电学院播放动画播放中……单击准备演示θ0环形莫尔条纹——演示7.2光栅传感器西安工业大学机电学院单击准备演示播放动画辐射莫尔条纹——演示7.2光栅传感器西安工业大学机电学院播放动画长光栅莫尔条纹——演示7.2光栅传感器西安工业大学机电学院4)莫尔条纹的特点②对应关系莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ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。③放大作用由公式B=W/θ可知，当W一定，θ越小时，莫尔条纹间距B越大。①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。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院莫尔条纹的放大作用假设光栅每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20mB≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院5）光栅位移与输出关系①光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。②莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。注意事项：7.2光栅传感器西安工业大学机电学院3、辨向原理两个感光元件相差1/4周期7.2光栅传感器西安工业大学机电学院辨向电路条纹下移：7.2光栅传感器西安工业大学机电学院条纹下移：7.2光栅传感器西安工业大学机电学院条纹上移：7.2光栅传感器西安工业大学机电学院被测物体位移莫尔条纹移动正弦波电压方波脉冲输出通过光栅转换通过光电元件转换整形转换辨向识别脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。得出：被测物体位移＝栅距×脉冲数【例】先正向移动11个脉冲，而后反向移动5个脉冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移8个栅距。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院4、细分技术细分方法：①机械细分：增加刻线密度。②电子细分：在一个莫尔条纹的间隔内，增加计数脉冲数。问题的提出：如何提高分辨力？7.2光栅传感器西安工业大学机电学院辨向原理：􀂾在相差B/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院四倍频细分法􀂾2)仍为2个光敏元件，若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。􀂾1)采用4个光敏元件就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院HeiDenHain的细分设备对正弦输出信号进行细分，细分倍数可达100倍，并转换为TTL方波脉冲信号；IBV60007.2光栅传感器西安工业大学机电学院敞开式直线光栅尺7.2光栅传感器西安工业大学机电学院直线光栅尺西安工业大学机电学院5、光栅传感器的特点优点：•分辨力高(可达1μm或更小）•测量范围大（几乎不受限制）•动态范围宽•易于实现数字化测量和自动控制缺点：•对使用环境要求较高，在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院6、光栅传感器的应用1．位置测量西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院2．测长仪7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7、其它栅类传感器1）容栅：由两个电容标尺和检测电路组成全重叠时，C=Cmax不重叠时，C=0数显游标卡尺误差平均效应7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7、其它栅类传感器2）磁栅：由磁性标尺、磁头和检测电路组成7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7.2光栅传感器西安工业大学机电学院7、其它栅类传感器3）球栅：由线圈、钢球、不导磁管和检测电路组成绕组：自感式传感器铝、陶瓷、不锈钢…7.2光栅传感器西安工业大学机电学院光栅：•光刻um级，莫尔条纹，灵敏度高；•抗污、抗震性能差。磁栅：•磁带便宜，但使用寿命不如光栅，容易退磁；•精度差一般为1～5um。特点对比：容栅：•间距大，精度不高；•但电容为储能元件，电荷工作方式，电流小，消耗能量小，体积也可以很小。球栅：•钢球mm级别，但是外有不导磁管，封闭性好，抗污性强。7.2光栅传感器西安工业大学机电学院第三节感应同步器7数字量传感器西安工业大学机电学院感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两大类。感应同步器的优点是：①具有较高的精度与分辨力；②抗干扰能力强；③使用寿命长，维护简单；④可以作长距离位移测量；⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。7.3感应同步器西安工业大学机电学院1、感应同步器的基本结构由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同——定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。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。7.3感应同步器西安工业大学机电学院感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二次线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。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。7.3感应同步器西安工业大学机电学院2、感应同步器的工作原理当定尺和滑尺产生相对线位移时，或定子与转子产生相对角位移时，两绕组间的耦合状态发生变化，这时，在定