数字式传感器.

第3章数字式传感器数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比的特点是:抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。本章讲述常用的数字式传感器•光栅传感器•磁栅传感器•旋转式光电编码器•直线感应同步器•旋转变压器3.1光栅传感器一.光栅及其测量系统1.光栅的结构类型1）长光栅尺2）圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。2.光栅测量系统（光栅读数头）二.光栅传感器的工作原理1.莫尔条纹的形成及其特征当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。•莫尔条纹的特征1)放大作用WWBCABBH2422sin22放大倍数为1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°时θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。2)对应关系)cos)2cos(0xUUxWUUUmavmavW2(,3）误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。例W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。2.辨向原理及辨向电路1）为什么要辨向当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。2）辨向原理与辨向电路辨向电路设计数器记得脉冲数为N，位移x=NW光栅测量位移属于增量式测量。三.细分技术•目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。•细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频。•细分类型：电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。1.四倍频细分在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差π/2电压信号（S和C），将这两个信号整形、反相得到四个依次相差π/2的电压信号。0°（S），90°（C）180°（S）270°（C）。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。2.电位器桥（电阻链）细分•实现方法及原理四细分后得到的四个相位差为90度的交流信号Umsinθ,Umcosθ和-Umsinθ,-Umcosθ。以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把θ=0-360度,（x=0-W）分成四个象限。每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。四.光栅数显装置•主要芯片简介1.光栅信号处理芯片(HKF710502)主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。2.逻辑控制芯片（HKE701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验及超速报警。3.可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201)主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。五.光栅传感器的应用3.2旋转式光电编码器一.增量式旋转光电编码器1.工作原理2.增量式光电盘4.旋转方向的判别二.绝对式光电编码器1.测量原理2.绝对式光电码盘n2360min3.循环码盘1）编码规则将二进制码右移一位并舍去最末位与原二进制做不进位加法。2）特点相邻两个数码之间只有一位变化。4.提高分辨率的方法－插值法三.光电编码器的应用1.在数控机床中的应用2.角度及转速的测量脉冲频率法脉冲周期法3.3直线式感应同步器一.直线式感应同步器的结构二.工作原理三.数显装置1.鉴幅式2.主要性能指标1）精度在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的最大可能偏离量，用正负偏差表示2）分辨力系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量q是指一个脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测量，可用下式计算：m)(nWq/103式中：W－节距n－系统的细分数3）跟踪速度当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度ui为qfuii式中：fi-增量脉冲频率q-脉冲当量四.安装使用注意事项安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、滑尺组件和防护罩三部分。感应同步器的安装要求如下：五.感应同步器的应用1.机床闭环控制2.定位控制3.随动控制3.4旋转变压器一.旋转变压器的结构二.旋转变压器的工作原理1.两级绕组式的工作原理2.四级绕组式的工作方式1）鉴相工作方式定子绕组分别通以同幅值、同频率、相位相差90度的交流电压。tUutUumcmscossin11根据叠加原理，转子绕组中的感应电压为这两个电压的代数和，即)cos(2tKUum2）鉴幅式工作方式当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的交流电压tUutUucmcsmscossin11其幅值分别为cossinmcmmsmUUUUα－定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为tKUumsin)cos(2由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位移的变化。三.旋转变压器的应用在数控机床中的应用