傳感器技術(shù)-第十章-數(shù)字式傳感器.ppt

第十章數(shù)字式傳感器 數(shù)字式傳感器 把被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出 優(yōu)點(diǎn) 測(cè)量精度和分辨力高 測(cè)量范圍大 信號(hào)易于處理傳輸 抗干擾能力強(qiáng) 穩(wěn)定性好 便于動(dòng)態(tài)及多路測(cè)量 讀數(shù)直觀(guān) 安裝方便 維護(hù)簡(jiǎn)單 工作可靠性高 10 1感應(yīng)同步器 自學(xué) 10 2光柵10 3編碼器10 4頻率式傳感器 自學(xué) 10 5集成數(shù)字式傳感器 自學(xué) 光柵傳感器由光源 透鏡 光柵副 主光柵和指示光柵 和光電接收元件組成 計(jì)量光柵按光路可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類(lèi) 光柵按形狀及用途又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵 10 2光柵 10 2 1光柵的結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理 光柵副 指示光柵 主光柵 a b W稱(chēng)為光柵的柵距 或光柵常數(shù) 通常情況下 a b W 2 主副光柵刻線(xiàn)完全相同 透射光柵 在透明基板上刻明暗相間的條紋 反射光柵 在金屬表面刻平行溝槽 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 常用的光柵每毫米10 25 50 100條線(xiàn) 莫爾條紋演示 1 莫爾條紋 B 橫向莫爾條紋的斜率 莫爾條紋寬度 莫爾條紋的寬度B由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 莫爾條紋原理 莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例 有一直線(xiàn)光柵 每毫米刻線(xiàn)數(shù)為50 主光柵與指示光柵的夾角 1 8 則 光柵分辨力 柵距W 1mm 50 0 02mm 20 m 由于柵距很小 因此無(wú)法觀(guān)察光強(qiáng)的變化 莫爾條紋的寬度是 B W 0 02mm 1 8 3 14 180 0 02mm 0 0314 0 637mm由于B較大 是柵距的32倍 因此可以用小面積的光電池 觀(guān)察 莫爾條紋光強(qiáng)的變化 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn) 方向性 垂直于角平分線(xiàn) 同步性 光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距 方向?qū)?yīng)放大性 夾角 很小 B W 光學(xué)放大 提高靈敏度可調(diào)性 夾角 條紋間距B 靈活準(zhǔn)確性 大量刻線(xiàn) 誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別 局部誤差 提高精度理想狀態(tài)下莫爾條紋的光強(qiáng)的變化與光柵的位移成線(xiàn)性關(guān)系 但由于光線(xiàn)的發(fā)散 光柵的幾何形狀誤差 刻線(xiàn)的圖形誤差及光電元件的參數(shù)影響 實(shí)際輸出波形是一近似的正弦曲線(xiàn) 書(shū)P230圖10 14 光電元件有光電池和光敏三極管等部分 需要選用敏感波長(zhǎng)與光源相接近的光敏元件 以獲得高的轉(zhuǎn)換效率 在光敏元件的輸出端 常接有放大器 通過(guò)放大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響 2 光電轉(zhuǎn)換 光敏元件輸出電壓u與光柵相對(duì)位移x之間的關(guān)系 當(dāng)只在中心位置安裝一個(gè)光電器件時(shí) 徑向光柵進(jìn)行角度測(cè)量 當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 條紋即沿徑向移動(dòng) 測(cè)出條紋移動(dòng)數(shù)目 即可得到標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 單個(gè)光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào) 只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向 因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向 以致不能正確測(cè)量位移 如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí) 將得到的脈沖數(shù)累加 而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù) 這樣就能得到正確的測(cè)量結(jié)果 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 10 2 2數(shù)字轉(zhuǎn)換原理1 辨向原理 在相距四分之一B的位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2 以得到兩個(gè)相位互差90 的正弦信號(hào) 辨向光路設(shè)置 B 辨向電路 正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加 反向移動(dòng)時(shí) 便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù) 這樣光柵傳感器就可辨向 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 辨向電路各點(diǎn)波形圖 2 電子細(xì)分 提高分辨力方法 在選擇合適的光柵柵距的前提下 以對(duì)柵距進(jìn)行測(cè)微 電子學(xué)中稱(chēng) 細(xì)分 來(lái)得到所需的最小讀數(shù)值 細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期 即運(yùn)動(dòng)零件移動(dòng)一個(gè)柵距 時(shí) 不只輸出一個(gè)脈沖 而是輸出若干個(gè)脈沖 以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 1 直接細(xì)分 直接細(xì)分又稱(chēng)位置細(xì)分 常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4 四細(xì)分可安裝4個(gè)依次相距四分之一柵距的光電元件 在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將依次產(chǎn)生相位差為90度的4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖 實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分 優(yōu)點(diǎn) 對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形要求不嚴(yán)格 電路簡(jiǎn)單 可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 缺點(diǎn) 光電元件安放困難 細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 未細(xì)分 a 與細(xì)分 b 的波形比較 2 電阻電橋細(xì)分法 矢量和法 用信號(hào)Usc去觸發(fā)施密特電路 是和位移x成比例的 為細(xì)分角 其值與R1和R2的選擇有關(guān) 當(dāng) 或 360 時(shí) Usc等于零 施密特電路過(guò)零觸發(fā) 則 電阻電橋細(xì)分法用于10細(xì)分 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 為光柵設(shè)計(jì)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器 光柵計(jì)數(shù)卡 內(nèi)部包含以下電路 放大 整形 細(xì)分 辨向 報(bào)警 阻抗變換等 為光柵設(shè)計(jì)的專(zhuān)用信號(hào)處理單元 光柵插補(bǔ)器 功能同上頁(yè) 光柵在機(jī)床上的安裝位置 2個(gè)自由度 光柵在機(jī)床上的安裝位置 3個(gè)自由度 數(shù)顯表 光柵在機(jī)床上的安裝位置 3個(gè)自由度 續(xù) 2自由度光柵數(shù)顯表 X位移顯示 Z Y 位移顯示 3自由度光柵數(shù)顯表 光柵數(shù)顯表 續(xù) 三座標(biāo)數(shù)顯表 光柵數(shù)顯表 設(shè)定按鍵 安裝有直線(xiàn)光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況 防護(hù)罩內(nèi)為直線(xiàn)光柵 光柵掃描頭 被加工工件 切削刀具 角編碼器安裝在夾具的端部 10 3 1基本結(jié)構(gòu)與原理最簡(jiǎn)單的數(shù)字式傳感器是編碼器 ADE 包括旋轉(zhuǎn)式編碼器 碼盤(pán) 或直線(xiàn)位移編碼器 碼尺 按原理分類(lèi) 電觸式 電容式 感應(yīng)式和光電式等旋轉(zhuǎn)式編碼器有絕對(duì)編碼器和增量編碼器兩種 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 10 3編碼器 絕對(duì)式編碼器演示 4個(gè)電刷 4位二進(jìn)制碼盤(pán) 5V輸入公共碼道 最小分辨角度為 360 2n 每個(gè)碼道上的數(shù)字Ci只能是0或1 C4C3C2C1 二進(jìn)制碼盤(pán)主要特點(diǎn) 1 n位 n個(gè)碼道 的二進(jìn)制碼盤(pán)具有2n種不同編碼 稱(chēng)其容量為2n 其最小分辨力 1 3600 2n 2 二進(jìn)制碼為有權(quán)碼 編碼CnCn 1 C1對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為 3 碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中 若第K位CK變化 則所有低于第K位的位Cj j K 全部同時(shí)改變 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 二進(jìn)制碼盤(pán)的粗大誤差及消除 要求各個(gè)碼道刻劃精確 彼此對(duì)準(zhǔn) 這給碼盤(pán)制作造成很大困難 由于微小的制作誤差 只要有 個(gè)碼道提前或延后改變 就可能造成輸出的粗大誤差 消除粗大誤差方法 雙讀數(shù)頭法 格雷碼 循環(huán)碼 代替二進(jìn)制碼 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 直觀(guān) 易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理 多位碼同時(shí)動(dòng)作 同步誤差 錯(cuò)碼 格雷碼 循環(huán)碼 有權(quán)碼 對(duì)稱(chēng)性 無(wú)權(quán)碼 二進(jìn)制碼 相鄰兩數(shù)只有一位不同 每次只有一位變化 轉(zhuǎn)換 1 n位格雷碼碼盤(pán)具有2n種不同編碼 2 格雷碼碼盤(pán)具有軸對(duì)稱(chēng)性 其最高位相反 其余各位相同 3 格雷碼為無(wú)權(quán)碼 4 格雷碼碼盤(pán)轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí) 編碼中只有一位發(fā)生變化 不會(huì)產(chǎn)生粗大誤差 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 4位編碼器碼制對(duì)照 格雷碼和二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系 根據(jù)以上關(guān)系 兩種碼制之間的轉(zhuǎn)換可用硬件或軟件實(shí)現(xiàn) 1 絕對(duì)編碼器 10 3 2旋轉(zhuǎn)式光電編碼器 1 光源2 柱面鏡3 碼盤(pán)4 狹縫5 元件 大多采用格雷碼盤(pán) 單盤(pán)與多盤(pán)編碼器 單盤(pán)編碼器 全部碼道在一個(gè)圓盤(pán)上 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 使用方便 但當(dāng)位數(shù)要求增多的情況下 若要求具有很高的分辨力 則制造困難 圓盤(pán)直徑也要大 多盤(pán)編碼器 采用幾個(gè)碼盤(pán)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置連成一起的碼盤(pán)組 則可大大提高分辨率 上一頁(yè) 下一頁(yè) 返回 正向旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出波形 反向旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出波形 2 增量編碼器 另一種設(shè)計(jì)形式的增量編碼器 辨向信號(hào)和零標(biāo)志 光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫 彼此錯(cuò)開(kāi)1 4節(jié)距 兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A B彼此相差90 相位 用于辯向 當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí) A信號(hào)超前B信號(hào)90 當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí) B信號(hào)超前A信號(hào)90 狹縫C 每轉(zhuǎn)一圈能產(chǎn)生一個(gè)脈沖 該脈沖信號(hào)又稱(chēng) 一轉(zhuǎn)信號(hào) 或零標(biāo)志脈沖 作為測(cè)量的起始基準(zhǔn) 光電增量編碼器的應(yīng)用測(cè)轉(zhuǎn)速和線(xiàn)位移 10 3 3測(cè)量電路目前都將光敏元件輸出信號(hào)的放大整形等電路與傳感器檢測(cè)元件封裝在一起 故測(cè)量電路部分只需計(jì)數(shù)和細(xì)分電路 計(jì)數(shù)電路波形圖如下 正轉(zhuǎn)時(shí) 反轉(zhuǎn)時(shí) 1 計(jì)數(shù)電路 細(xì)分電路和光柵細(xì)分電路原理相同 角編碼器外形 角編碼器外形 續(xù) 拉線(xiàn)式角編碼器利用線(xiàn)輪 能將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 角編碼器外形 參考德國(guó)圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專(zhuān)業(yè)公司 絕對(duì)式編碼器和增量式碼盤(pán) 增量式碼盤(pán) 10碼道光電絕對(duì)式碼盤(pán) 絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼 可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái) 根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接觸式 光電式等形式 透光區(qū) 不透光區(qū) 零位標(biāo)志 安裝套 編碼器的安裝方式 1 編碼器的套式安裝 安裝軸 2 編碼器的軸式安裝 編碼器在定位加工中的應(yīng)用 1 絕對(duì)式編碼器2 電動(dòng)機(jī)3 轉(zhuǎn)軸4 轉(zhuǎn)盤(pán)5 工件6 刀具 設(shè)該增量式光電編碼器的參數(shù)為1024p r 大 小皮帶輪的傳動(dòng)比為5 若希望當(dāng)加工好元件1后緊接著加工