chapter6 數(shù)字傳感器-編碼器090802課件

Chapter6

數(shù)字式傳感器6.1轉(zhuǎn)角-數(shù)字編碼器(AngleDigitalEncoder)檢測技術(shù)數(shù)字傳感器的特點精確度和分辨力高；抗干擾能力強，便于遠距離傳輸；信號易于計算機處理和存貯；可以減少讀數(shù)誤差。數(shù)字傳感器的分類根據(jù)工作原理分為：脈沖數(shù)字式傳感器如光柵傳感器、感應同步器、磁柵傳感器等頻率輸出式數(shù)字傳感器如振弦式、振筒式和振膜式傳感器

編碼器(Encoder)

機械轉(zhuǎn)動的模擬量(位移)數(shù)字信號(代碼)

編碼器：碼盤（測角度）和碼尺（測長度）

6.1碼盤式傳感器6.1碼盤式傳感器編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對編碼器)接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器6.1碼盤式傳感器增量編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，一般還需要一個基準數(shù)據(jù)即零位基準，才能完成角位移測量。絕對編碼器不需要基準數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對應的固定數(shù)字碼輸出，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)（如微機）連接。

6.1碼盤式傳感器圖6-1

a）接觸式b）光電式1光源2透鏡3碼盤4狹縫5光電元件6電刷7激勵軌道6.1碼盤式傳感器接觸式二進制碼盤很簡單，但在實際應用中對碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴格，否則就會出現(xiàn)錯誤。例如，當電刷由位置(0111)向位置(1000)過渡時，若電刷安裝位置不準或接觸不良，就可能會出現(xiàn)815之間的任意一個十進制數(shù)，這種誤差稱為非單值性誤差。為了消除這種誤差,可采用雙電刷掃描或循環(huán)碼。6.1.1工作原理光學碼盤

光學碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。圖6-2光學碼盤式傳感器基本結(jié)構(gòu)圖6.1.1工作原理碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盤構(gòu)造如圖6-3所示，它是一個6位二進制碼盤。圖6-3碼盤構(gòu)造6.1.1工作原理當光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。6.1.2碼制與碼盤編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等。對于圖6-3所示的6位二進制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應于不同的編碼。例如零位對應于000000(全黑)；第23個方位對應于010111。這樣在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關。6.1.2碼制與碼盤二進制碼盤的缺點高分辨率的碼盤加工困難易產(chǎn)生衍射；刻劃誤差（粗大誤差）。

6.1.2碼制與碼盤采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因為二進制碼當某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。6.1.2碼制與碼盤消除粗大誤差的方法第一種方法是采用雙電刷，此法在工藝上和電路上都比較復雜，故很少采用。第二種方法是采用循環(huán)碼代替二進制碼。6.1.2碼制與碼盤從表中看出，循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應用。6.1.2碼制與碼盤圖6-4所示的是一個6位的循環(huán)碼碼盤。對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。圖6-4六位循環(huán)碼碼盤6.1.2碼制與碼盤循環(huán)碼碼盤的特點n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n最小分辨力1=3600／2n最外圈角節(jié)距為41

；循環(huán)碼為無權(quán)碼；碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會產(chǎn)生粗誤差。6.1.3二進制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換根據(jù)上式用與非門構(gòu)成循環(huán)碼-二進制碼轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器所用元件比較多。如采用存貯器芯片可直接把循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進制碼或任意進制碼。6.1.3二進制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換二進制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼

圖6-5(a)并行變換電路(b)串行變換電路6.1.3二進制碼與循環(huán)碼轉(zhuǎn)換循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進制碼的電路圖6-6(a)并行變換電路(b)串行變換電路6.1.4應用圖6-7光學碼盤測角儀原理圖6.1.4應用光源1通過大孔徑非球面聚光鏡2形成均狹長的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件出相應的電信號。該信號經(jīng)放大、鑒幅、整形后,再經(jīng)當量變換,最后進行譯碼顯示。糾錯和寄存電路在需要時采用。6.1.4應用編碼器的分辨力所代表的角度不是整齊的數(shù)，例如一個14位的碼盤,其分辨力為360o/2n=1′l9″。顯示器總是希望以度、分、秒來表示，為此需要使用脈沖當量變換電路。當量變換電路圖6-8當量變換實例當量變換電路工作之前，先把二進制計數(shù)器與脈沖當量變換計數(shù)器同時復零，將碼盤來的二進制編碼信號(若為循環(huán)碼盤，先變?yōu)槎M制碼信號)輸入。這時振蕩器D1發(fā)出的計數(shù)脈沖通過與門D2同時進入這兩個計數(shù)器。每進一個脈沖，當量變換計數(shù)器所計之數(shù)增大θ1，圖中按14位碼盤安排，分值計數(shù)板進1個脈沖，秒值的十位與個位分別進1個和9個脈沖，128進制計數(shù)單元進13個脈沖。各計數(shù)單元之間具有進位關系。當量變換電路6.1.4應用當二進制計數(shù)器所計之數(shù)與二進制編碼輸入相符時，