传感器原理及应用(第三版)第6章

传感器原理及应用第六章数字式传感器第6章数字式传感器前面几章介绍的传感器大部分是将非电量转换为电模拟量输出，直接配用模拟式仪表显示。这类模拟信号与电子计算机数字系统配接时，必须先经过一套模数（A/D）转换装置。这样不但增加成本，也增加系统复杂性，降低了系统可靠性和精度。数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量输出，因此具有下列优点：①精确度和分辨力高；②抗干扰能力强，适宜远距离传输；③信号便于处理和存贮；④可以减少读数误差；但是目前数字式传感器的种类还不太多，本章重点介绍数字码盘、光栅传感器和振弦式传感器几种下一页第6章数字式传感器6－1码盘式传感器6－2光栅式传感器6－3振弦式传感器上一页下一页6－1码盘式传感器码盘式传感器的核心部件是编码器，下图为光电绝对编码式码盘(用于测量角位移)工作原理示意图。一、工作原理经光源1发出的光线，经柱面镜2后变成一束平行光照射到码盘上。码盘3由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道。每条码道上有按一定规律排列着的若干透光区和非透光区（或称亮区和暗区）。通过暗亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在接收元件上（光电元件），光电元件的排列与每条码道一一对应，当有光照射时，对应亮区和暗区的光电元件的输出不同，前者为“1”后者为“0”，这种信号的不同组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表码盘转角的大小。这就是码盘将轴的转角换成代码输出的工作过程。上一页下一页二、码制与码盘右图是一个6位的二进制码盘，码道（二进制数的最高位），一半透光，一半不透光。最外圈称码道（二进制数的最低位），共分成个黑白间隔。码盘的每一个角度间隔对应不同的编码（后面有与之对应的光电接收元件），测量时，只要根据码盘的起始和终止位置就可确定转动的角度，而与转动的过程无关。二进制码盘具有如下特点：①n位（n个码道）的二进制码盘具有种不同编码其容量为：最小分辨力：最外圈角节距：上一页下一页6C1C6426n2n236001n212n2②二进制码为有权码，编码若是，则对应于零位转过的转角为：③码盘转动中，若变化时，则所有()应同时变化。二进制码存在的问题：①提高分辨力困难。例如：二进制码盘，为了达到1〞左右的分辨力，需要采用20位以上的码盘，若码盘直径是400mm时，其外圈分度间隔仅1um左右，这不仅要求刻划精确，而且要彼此对准，这在加工上非常困难。②由于是有权码，所以存在粗误差。所谓粗误差参见下图所示，这是一个四位二进制码盘展开图（图a)。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数0111（十进制7）。若码道暗区做的太短，就会误读成1111（十进制15，相当8个间隔）；反之若暗区做得太长，当狭缝处于A’A’位置时，就会将1000（十进制8）读成0000（十进制0，也相等8个间隔），这就是粗误差。n26426（）11CCCnn1112niiiCKCjC上一页下一页Kj消除粗误差的方法：〈1〉采用双读数头法（见下图）C1码道：仍只有一个读数狭缝，设在00位置；C2码道：有两个读数狭缝，对称分布00两侧；C3码道：有两个读数狭缝，对称分布00两侧；C4码道：有两个读数狭缝，对称分布00两侧；间隔：小于本码道分度间隔的一半，即这种分布使得两个对称的读数狭缝尽量远离变化交界处，但又不应影响相邻码位，故两狭缝也不要超过范围，等于最好。这种布局是为了消除因加工误差带来的读数时产生的粗误差。测量时根据情况采用狭缝或的读数。配合三个“与非”门组成的识别电路，即可实现下列的读数判别：设第码道两狭缝读出的信号为；码道读数为若则；若则上一页下一页22ba、33ba、44ba、iiba122i122iabiibaiiiBA、1i1iC11iC01iCiiACiiBC用低位值来判读高位读数若则；若则11iCiiAC01iCiiBC1010×11010000011111×iC因此就大大降低了粗误产生的概率，只要由刻划等因素造成的总误差不超过相应码道（本码道）之间的间隔即可做到高位不出现误差。由此可见，在不发生粗误差的前提下，整个编码器的精度由它最低位（即位码道）决定。双读数头的缺点是读数头多了一倍，当位数很多时，光电元件位置安装困难。〈2〉采用循环码码盘右图为一个六位的循环码码盘，对于n位的循环码码盘有下列特点：①n位的循环码有种不同编码：其容量为：最小分辨力：最外圈角节距：（比二进制大一倍）②循环码为无权码，不产生粗误差；③循环码码盘具有轴对称性，最高位相反，其余各相同；④循环码码盘中两相邻区域，编码中只有一位生产变化，所以不产生粗误差，因面获得广泛应用。iiba,1Cn2n2n23600114上一页下一页11RRRnn上下对称三、二进制码与循环码的转换：循环码不直观，不易处理，显示等，所以要经常转换成二进制码，其方法一般分为代数计算，逻辑运算和用门电路进行计算。①代数计算：（二进制→循环码）二进制码右移一位并舍去末位——————不进位加法循环码②逻辑运算：③用门电路实现：上一页下一页121CCCCnnn21CCCnn121RRRRnnn举例：十进制6循环码601100110101nnRCiiiRCC1iiiCCR1二进制→循环码循环码→二进制四、应用简介下图为光学码盘测角仪的原理图光源1通过大孔径非球面聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上，根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面对应码道的一组光电元件5输出相应的信号，该信号经放大，鉴幅，整形后，再经当量变换（使之成为直观便于显示的参数形式）最后进行译码显示。上一页下一页6-2光栅传感器光栅作为一种光学器件，很早就有，但早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长测量，直到了近代才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，它的突出特点是精度非常高，分辨力特别强（长度可达0.05µ，角度可达0.1″），所以广泛应用于精密加工，光学加工，大规模集成电路的设计、检测等方面,尤其是目前军事领域。一、光栅传感器的结构原理在玻璃尺或玻璃圆盘上，类似于刻标尺或分度那样，进行长刻线的密集刻划，如图示的黑白相间的细小条纹，没有刻划的白处透光，刻划的黑处不透光，这就是光栅。光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，而W=a+b称栅距（也称光栅常数或节距），是光栅的重要参数。上一页下一页光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件组成，光栅式传感器的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量的，设：取两块栅距相同的光栅，3为主光栅，4为指示光栅，指示光栅比主光栅短，两者刻面相时，中间留有很小间隙，便组成光栅副，将其置于光源1和透镜2形成的平行光路中，若两光栅栅线之间有很小夹角，则在近似垂直栅线方向上就出现比栅距W宽的多的明暗相间的条纹6（明暗分布方向与栅线平行），这就是横向莫尔条纹。其信号光强分布如图曲线7所示。中间为亮带，上下为两条暗带，当主光栅沿垂直于栅线X每移动过一个栅距W时，莫尔条纹近似沿栅线Y方向移过一个条纹间隔，用光电器件接收莫尔条纹信号，经电路处理后计数器计数可得主光栅移动的距离。dt67由图可知莫尔条纹的宽度：（暗带与亮带间的距离，即周期）二、莫尔条纹重要特征1．虽然光栅常数W很小，但只要调整夹角，就可得到很宽的莫尔条纹，起到了放大作用，这样就把一个微小移动量的测量转变成一个较大移动量的测量，提高了测量精度。同时莫尔条纹的运动方向与光栅的移动方也呈对应关系。2．因为光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹，这样对于光栅刻线的误差起到了平均作用。即局部误差和周期误差对测量精度没有直接影响。这就有可能得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度，这是与变通标尺测量的主要区别。3．莫尔条纹的光强沿栅线方向变化近似正弦变化，因此便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”，将计数单位变成比一个周期W更小的单位。这样可以提高精度和分辨力，或采用较粗的光栅。WWBCABBH2sin22sin直线光栅的横向莫尔条纹2WHB三、光栅常用光路①垂直透射式光路适用于粗栅距的黑白透射光栅，结构简单，位置紧凑，调整方便。光源1发出光线→准直透镜2→平行光束→光栅副3、4→光电元件5接收②反射光路适用于黑白反射光栅。光源6→聚集透镜5→场镜3→平行光呈某角度照射反射光栅副1、2上→反射镜4→物镜7→光电池8。上一页下一页垂直透射式光路反射光路四、辩向原理在实际应用中，被测物体不仅只是单向移动，既有正向运动，也有反向运动，单个光电元件在固定点接收莫尔条纹信号，只能判别明暗变化而进行计数，而不能辨别方向，如前进十步后退后一步，则计数是十一（而不是九），不能正确反映实际位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能正确测量位移。能完成这样任务的电路就是辨向电路。为了能够辨向，应当在相距的位置上设置两个光电元件1和2，以得到相位互差的正弦信号，如a图示。然后送到辨向电路中去处理，电路图参见b所示。HB41090上一页下一页ab在相距1/4的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90°的正弦信号。正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。①主光栅正向移动时,莫尔条纹向上移动，此时光电原件1、2输出的波形如下图a所示元件1输出的波形超前元件2输出的波形见下图a所示。是形经整形放大后的脉冲方波（虑掉负半周，只取正半周）是波形经整形放大后的脉冲方波，仍超前是反相后得到的脉冲方波（负半周反相后的到，与差180°）是经微分电路后得到的脉冲波（微分电路产生的脉冲）是经微分电路后得到的脉冲波（正→负，产生负脉冲反之正脉冲）对于“与门”：当高电平时，总是处于低电平,所以输出为零（0）对于“与门”：当高电平时,总是处于高电平,所以输出为高（1）此时触发器：置“1”，→（控制）“可逆计数器”作加法计数1u2u1u1u2u2u2u0901u1u1uwu11uwu11ywu12u1y2ywu12u2y上一页下一页触发器置“1”状态：输入①端＝0输出②端＝110QQ1u上一页下一页2u是元件1输出的波形，超前90°是元件2输出的波形；是波经整形放大后的脉冲方波；是波形经整形放大后的脉冲方波，仍超前90°；是反相后得到的脉冲方波；是经微分电路后得到的脉冲波；是经微分电路后得到的脉冲波1u2u2u2u2u1u1u2u1u1u1u1uwu1wu1对于“与门”：当高电平时，总是处于低电平，所以输出为零（0）对于“与门”：当高电平时,总是处于高电平，所以输出为高（1）此时触发器：置“1”，→（控制）“可逆计数器”作加法计数1y2ywu12u1ywu12u2y②当主光栅反向移动时，莫尔条纹向下移动，此时光电元件2输出波形超前元件1输出波形,参见上图b所示。定义和①相同的。对于“与门”：当高电平时，总是处于高电平,所以输出高（1）对于“与门”：当高电平时,总是处于低电平,所以输出为零（0）此时触发器：置“0”，→（控制）“可逆计数器”作减法计数这就实现了正向移动时脉冲累加，反向运动时，便从累加脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，光栅传感器即可辨向，进行正确测量。WWUUUUU11121'',',,','1ywu12u1y2ywu12u2y上一页下一页五、细分技术上述辨向逻辑电路的分辨率为一个光栅常数W，即被测件移动一个栅距，输出一个周期的交变信号，也即产生一个脉冲间隔。每个脉冲间隔代表一个栅距。我们采用一种技术，使光栅每移动一个栅距W，产生n个均匀的脉冲，而使分辨率提高到W/n，这即是细分技术。下面介绍直接细分方法：直接细分又称位置细分，如4细分可用4个依次相距的光电元件，这样可以得到依次有相位差90°的4个正弦交变信号，用鉴零器分别鉴取4个信号的零电平，即在每个信号由