光柵編碼器精品課件

1、光柵編碼器第1頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.1 概述一、定義及分類：1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機(jī)電一體化的第一基礎(chǔ)”2、分類 按能量變換的功能分： 按輸出的信號(hào)分：物理傳感器化學(xué)傳感器第2頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一 計(jì)數(shù)型（二次型+計(jì)數(shù)型） 電壓，電流型（熱電偶,Cds電池） 電感，電容型（可變電容）有接點(diǎn)型(微動(dòng)開關(guān)，接觸開關(guān)， 行程開關(guān)) 傳感器 電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無(wú)接點(diǎn)型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）第3頁(yè)，共41頁(yè)，202

2、2年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一二、傳感器的基本特性1. 傳感器的靜特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。(1).線性度 傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際輸出輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即第4頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一二、傳感器的基本特性(2).靈敏度 傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯 傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨校敵鲚斎胩匦郧€不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤

3、差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示 第5頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一二、傳感器的基本特性(4).重復(fù)性 傳感器在同一條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所得輸出輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即近似計(jì)算精確計(jì)算第6頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一二、傳感器的基本特性5.分辨力 傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。6.零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。第7頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期

4、一2. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。 二、傳感器的基本特性第8頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一1. 新型傳感器的開發(fā) 鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑?？傊瑐鞲衅髡?jīng)歷著從以

5、結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過(guò)程。三、傳感器的發(fā)展方向第9頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2. 傳感器的集成化和多功能化 隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個(gè)敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)測(cè)量的傳感器；或是傳感器與放大、運(yùn)算、溫度補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。三、傳感器的發(fā)展方向第10頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一3. 傳感器的智能化 “電五官”與“電腦”的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智

6、能化傳感器不僅具有信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還具有記憶、存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。如進(jìn)一步將傳感器與計(jì)算機(jī)的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。三、傳感器的發(fā)展方向第11頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.2 線位移檢測(cè)傳感器一、光柵位移傳感器二、感應(yīng)同步器三、磁柵位移傳感器第12頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一一、光柵位移傳感器1、光柵的構(gòu)造：第13頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2、工作原理一、光柵位移傳感器 把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若

7、干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。 第14頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B 2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 一、光柵位移傳感器第15頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一 通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。 一、光柵位移傳感器其電壓為：第16頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5

8、月20日，4點(diǎn)8分，星期一 將此電壓信號(hào)放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測(cè)量分辨率等于柵距。一、光柵位移傳感器第17頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)二、感應(yīng)同步器sincos節(jié)距2（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺第18頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一 包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別

9、稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距。滑尺和定尺相對(duì)平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。二、感應(yīng)同步器第19頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.感應(yīng)同步器的工作原理 在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為210kHz）的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。 設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為二、感應(yīng)同步器第20頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一余弦繞組單獨(dú)

10、供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 二、感應(yīng)同步器由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢(shì)為第21頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一式中 ： K定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)； 定尺與滑尺相對(duì)位移的角度表示量（電角度）T節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。 利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。二、感應(yīng)同步器第22頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一3. 測(cè)量方法 根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。二、感應(yīng)同步器第23頁(yè)，

11、共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一(1)鑒相式工作法 滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè)二、感應(yīng)同步器則 從上式可以看出，只要測(cè)得相角，就可以知道滑尺的相對(duì)位移x： 第24頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一二、感應(yīng)同步器2.鑒幅工作法 在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個(gè)交流電壓：則： 由上式知，感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨著滑尺的移動(dòng)作正弦變化。因此，可以通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值來(lái)測(cè)得定尺和滑尺之間的相對(duì)位移。第25頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

12、三、磁柵位移傳感器1磁性膜 2基體 3磁尺 4磁頭 5鐵芯 6勵(lì)磁繞組 7拾磁繞組第26頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.原理： 在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個(gè)繞組，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為拾磁繞組，將高頻勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組時(shí)，當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：三、磁柵位移傳感器U0輸出電壓系數(shù)； 磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距； 磁頭相對(duì)磁尺的位移； 勵(lì)磁電壓的角頻率。 式中： 在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來(lái)辨別移動(dòng)的方向第27頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一3.測(cè)量方式(1)鑒幅測(cè)量方式 如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到

13、相位差為/2的兩組信號(hào) 兩組磁頭相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測(cè)。這種方法的檢測(cè)線路比較簡(jiǎn)單，但分辨率受到錄磁節(jié)距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。 三、磁柵位移傳感器第28頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.鑒相測(cè)量方式將一組磁頭的勵(lì)磁信號(hào)移相90，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為三、磁柵位移傳感器則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對(duì)位置變化而變。讀出輸出信號(hào)的相位，就可確定磁頭的位置。 第29頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.3 角位

14、移檢測(cè)傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器二、光電編碼器第30頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一1. 結(jié)構(gòu)如圖所示 旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機(jī)的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90。在轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)輸出繞組正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個(gè)繞組的軸線也互成90，一般將其中一個(gè)繞組（如Z1、Z2）短接。一、旋轉(zhuǎn)變壓器第31頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2. 原理 旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與

15、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對(duì)測(cè)量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對(duì)測(cè)量。一、旋轉(zhuǎn)變壓器第32頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一3. 測(cè)量方式當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90的交變激磁電壓時(shí)，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢(shì)U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢(shì)之和，即一、旋轉(zhuǎn)變壓器式中: k =w1/w2旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比 w1、w2轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù)第33頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一 線性旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)

16、際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為60），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。此時(shí)輸出電壓為一、旋轉(zhuǎn)變壓器第34頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一1.增量式編碼器結(jié)構(gòu)二、光電編碼器第35頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一2.增量式編碼器工作原理 鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測(cè)窄縫，它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90。工作時(shí)，鑒向盤靜止不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好

17、與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最??；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線全部通過(guò)，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90。經(jīng)邏輯電路處理就可以測(cè)出被測(cè)軸的相對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 二、光電編碼器第36頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一3.絕對(duì)式編碼器原理 絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。 光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二

18、進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼 二、光電編碼器第37頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一 黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個(gè)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)。二、光電編碼器第38頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一 工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對(duì)應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。 二、光電編碼器第39頁(yè)，共41頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)8分，星期一4.絕對(duì)式編