傳感器原理及應用第三版

傳感器原理及應用第六章數字式傳感器第6章

數字式傳感器前面幾章介紹的傳感器大部分是將非電量轉換為電模擬量輸出，直接配用模擬式儀表顯示。這類模擬信號與電子計算機數字系統(tǒng)配接時，必須先經過一套模數（A/D）轉換裝置。這樣不但增加成本，也增加系統(tǒng)復雜性，降低了系統(tǒng)可靠性和精度。數字式傳感器能夠直接將非電量轉換為數字量輸出，因此具有下列優(yōu)點：①

精確度和分辨力高；②

抗干擾能力強，適宜遠距離傳輸；③

信號便于處理和存貯；④

可以減少讀數誤差；但是目前數字式傳感器的種類還不太多，本章重點介紹數字碼盤、光柵傳感器和振弦式傳感器幾種下一頁第6章數字式傳感器上一頁下一頁6－1

碼盤式傳感器6－2

光柵式傳感器6－3

振弦式傳感器6－1

碼盤式傳感器上一頁下一頁碼盤式傳感器的核心部件是編碼器，下圖為光電絕對編碼式碼盤

(用于測量角位移)工作原理示意圖。一、工作原理經光源1發(fā)出的光線，經柱面鏡2后變成一束平行光照射到碼盤上。碼盤3由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道。每條碼道上有按一定規(guī)律排列著的若干透光區(qū)和非透光區(qū)（或稱亮區(qū)和暗區(qū)）。通過暗亮區(qū)的光線經狹縫4后，形成一束很窄的光束照射在接收元件上（光電元件），光電元件的排列與每條碼道一一對應，當有光照射時，對應亮區(qū)和暗區(qū)的光電元件的輸出不同，前者為“1”后者為“0”，這種信號的不同組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數字量，代表碼盤轉角的大小。這就是碼盤將軸的轉角換成代碼輸出的工作過程。二、碼制與碼盤上一頁下一頁其容量為：最小分辨力：最外圈角節(jié)距：右圖是一個6位的二進制碼盤，C

6

碼道（二進制數的最高位），一半透光，一半不透光。最外圈稱碼道C

1（二進制數的最低位），共分成26?64

個黑白間隔。2n360

02n?1

?2n2?1碼盤的每一個角度間隔對應不同的編

碼（后面有與之對應的光電接收元件），測量時，只要根據碼盤的起始和終止位置就可確定轉動的角度，而與轉動的過程無關。二進制碼盤具有如下特點：①

n位（n個碼道）的二進制碼盤具有2

n

種不同編碼②

二進制碼為有權碼，編碼若是上一頁下一頁，則對應于零位轉過的轉角為

：)應同時變化。二進制碼存在的問題：①提高分辨力困難。例如：二進制碼盤，為了達到1〞左右的分辨力，需要采用20位以上的碼盤，若碼盤直徑是400mm時，其外圈分度間隔僅1um左右，這不僅要求刻劃精確，而且要彼此對準，這在加工上非常困難。②由于是有權碼，所以存在粗誤差。所謂粗誤差參見下圖所示，這是一個四位二進制碼盤展開圖（圖a)。當讀數狹縫處于AA位置時，正確讀數0111（十進制7）。若碼道暗區(qū)做的太短，就會誤讀成1111（十進制15，相當8個間隔）；反之若暗區(qū)做得太長，當狹縫處于A"A"位置時，就會將1000（十進制8）讀成

0000（十進制0，也相等8個間隔），這就是粗誤差。2

n（26

?

64）C

nC

n?1

?

?

C

11i?1n?

iC

2i?1?j③ 碼盤轉動中，C

K

若變化時，則所有

C

(

j?

K間隔：小于本碼道分度間隔的一半，即上一頁下一頁這種分布使得兩個對稱的讀數狹縫盡量遠離變化交界處，但又不應若消除粗誤差的方法：〈1〉采用雙讀數頭法（見下圖）C1碼道：仍只有一個讀數狹縫，設在00位置；C2碼道：有兩個讀數狹縫a2、b2

，對稱分布00兩側；C3碼道：有兩個讀數狹縫a3、b3

，對稱分布00兩側；C4碼道：有兩個讀數狹縫a4、b4，對稱分布00兩側；i

ia

b1?

2

?i?

2影響相鄰碼位，故兩狹縫也不要超過2i?2?范圍，等于最好。這種布局1是為了消除因加工誤差帶來的讀數時產生的粗誤差。測量時根據情況采用狹縫a

或b

的讀數。配合三個“與非”門組成的識別電路，即可實現下列的讀數判別：設第

i

碼道

aibi

兩狹縫讀出的信號為Ai、B

i

；i?

1

碼道讀數為C

i?

1；若C

i?1

?0Ci?1

?1

則C

i

?Ai則C

i

?Bi用低位值來判讀高位讀數若

Ci?1

?1

則

C

i

?

Ai；若

C

i?1

?0

則C

i

?Bi0×11001

01101

010

1110×iC不產生粗誤差；上一頁下一頁③

循環(huán)碼碼盤具有軸對稱性，最高位相反，其余各相同；④

循環(huán)碼碼盤中兩相鄰區(qū)域，編碼中只有一位生產變化，所以不產生粗誤差，因面獲得廣泛應用。因此就大大降低了粗誤產生的概率，只要由刻劃等因素造成的總誤差不超過相應碼道（本碼道）

ai

,bi

之間的間隔即可做到高位不出現誤差。由此可見，在不發(fā)生粗誤差的前提下，整個編碼器的精度由它最低位（即C

1位碼道）決定。雙讀數頭的缺點是讀數頭多了一倍，當位數很多時，光電元件位置安裝困難?！?〉采用循環(huán)碼碼盤右圖為一個六位的循環(huán)碼碼盤，對于2

nn位的循環(huán)碼碼盤有下列特點：① n位的循環(huán)碼有2n

種不同編碼：其容量為：3600?最小分辨力：?1

2n最外圈角節(jié)距：4?1（比二進制大一倍）②

循環(huán)碼為無權碼，Rn

Rn?1

??R1上下對稱三、二進制碼與循環(huán)碼的轉換：上一頁下一頁循環(huán)碼不直觀，不易處理，顯示等，所以要經常轉換成二進制碼，其方法一般分為代數計算，邏輯運算和用門電路進行計算。①

代數計算：（二進制→循環(huán)碼）二進制碼右移一位并舍去末位不進位加法循環(huán)碼R1Rn

Rn?1

Rn?

2

?

?C

n

C

n?1C

n?

2

?

?

C

1C

n

C

n?1

?

?

C

2?

——————十進制6舉例：0110011?0101

循環(huán)碼6②

邏輯運算：C

n

?

RnC

i

?

C

i?1

?

RiR

i

?

C

i?1

?

C

i③

用門電路實現：二進制→循環(huán)碼循環(huán)碼→二進制四、應用簡介上一頁下一頁下圖為光學碼盤測角儀的原理圖光源1通過大孔徑非球面聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上，根據碼盤所處的轉角位置，位于狹縫4后面對應碼道的一組光電元件5輸出相應的信號，該信號經放大，鑒幅，整形后，再經當量變換（使之成為直觀便于顯示的參數形式）最后進行譯碼顯示。6-2

光柵傳感器上一頁下一頁光柵作為一種光學器件，很早就有，但早期人們是利用光柵的衍射效應進行光譜分析和光波波長測量，直到了近代才開始利用光柵的莫爾條紋現象進行精密測量，它的突出特點是精度非常高，分辨力特別強（長度可達0.05μ，角度可達0.1″），所以廣泛應用于精密加工，光學加工，大規(guī)模集成電路的設計、檢測等方面,尤其是目前軍事領域。一、光柵傳感器的結構原理在玻璃尺或玻璃圓盤上，類似于刻標尺或分度那樣，進行長刻線的密集刻劃，如圖示的黑白相間的細小條紋，沒有刻劃的白處透光，刻劃的黑處不透光，這就是光柵。光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，而W=a+b稱柵距（也稱光柵常數或節(jié)距），是光柵的重要參數。光柵傳感器是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電元件組成，光柵式傳感器的基本工作原理是用光柵的莫爾條紋現象進行測量的，設：取兩塊柵距相同的光柵，3為主光柵，4為指示光柵，指示光柵比主光柵短，兩者刻面相時，中間留有很小間隙d

，便組成光柵副，將其置于光源1和透鏡2形成的平行光路中，若兩光柵柵線之間有很小夾角?，則在近似垂直柵線方向上就出現比柵距W寬的多的t明暗相間的條紋6（明暗分布方向與柵線平行），這就是橫向莫爾條紋。其信號光強分布如圖曲線7所示。中間為亮帶，上下為兩條暗帶，當主光柵沿垂直于柵線X每移動過一個柵距W時，莫爾條紋近似沿柵線Y方向移過一個條紋間隔，用光電器件接收莫爾條紋信號，經電路處理后計數器計數可得主光柵移動的距離。7

?6由圖可知莫爾條紋的寬度：（暗帶與亮帶間的距離，即周期）精度。同時莫爾條紋的運動方向與光柵的移動方也呈對應關系。因為光電元件接收的并不只是固定一點的條紋，而是在一定長度范圍內所有刻線產生的條紋，這樣對于光柵刻線的誤差起到了平均作用。即局部誤差和周期誤差對測量精度沒有直接影響。這就有可能得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度，這是與變通標尺測量的主要區(qū)別。莫爾條紋的光強沿柵線方向變化近似正弦變化，因此便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術”，將計數單位變成比一個周期W更小的單位。這樣可以提高精度和分辨力，或采用較粗的光柵。??HBC

W

?

W??B ?

AB

?2

sin2

2sin二、莫爾條紋重要特征1．雖然光柵常數W很小，但只要調整夾角?，就可得到很寬的莫爾條紋，起到了放大作用，這樣就把一個微小移動量的測量轉變成一個較大移動量的測量，提高了測量直線光柵的橫向莫爾條紋W2B

H四、辯向原理上一頁下一頁信號，如a圖示。然后送到辨向電路中去處理，電路圖參見b所示。H4在實際應用中，被測物體不僅只是單向移動，既有正向運動，也有反向運動，單個光電元件在固定點接收莫爾條紋信號，只能判別明暗變化而進行計數，而不能辨別方向，如前進十步后退后一步，則計數是十一（而不是九），不能正確反映實際位移。如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數累加，而物體反向移動時就從已累加的脈沖數中減去反向移動的脈沖數，這樣就能正確測量位移。能完成這樣任務的電路就是辨向電路。為了能夠辨向，應當在相1

B距 的位置上設置兩個光電元件1和2，以得到相位互差90

0的正弦ab在相距1/4的位置上設置兩個光電元件

1和2，以得到兩個相位互差

90°的正弦信號。正向移動時脈沖數累加，反向移動時，便從累加的脈沖數中減去反向移動所得到的脈沖數，這樣光柵傳感器就可辨向。輸出為零（0上一頁下一頁輸出為高（1①主光柵正向移動時,莫爾條紋向上移動，此時光電原件1、2輸出的波形如下圖a所示元件1輸出的波形u1

超前元件2輸出的波形u2見下圖a所示。1

1u?是uu2?是u2

形經整形放大后的脈沖方波（慮掉負半周，只取正半周）2波形經整形放大后的脈沖方波，仍超

u?前

900對于“與門y1

”：當u1?w）y2對于“與門 ”：當）1wu?高電平時u，2?u2?高電平時,總是處于低電平,所以y1y2總是處于高電平,所以此時觸發(fā)觸器發(fā)：器置“1”，狀→態(tài)（：控制）“可逆計數器”作加法計數輸入

①端＝0 輸出②端＝1Q

?

0Q ?

1u1?是u1?反相后得到的脈沖方波（負半周反相后的到，與u1?差180°）u1?w

是u1?經微分電路后得到的脈沖波（微分電路產生的脈沖）u1?w

是u1?經微分電路后得到的脈沖波（正→負，產生負脈沖反之正脈沖）2上一頁下一頁u1是元件1輸出的波形，超前uu290°當 高電平時,總是處于高電平，所以輸出為高（

1）此時觸發(fā)器：置“1”，→（控制）“可逆計數器”作加法計數u2

是元件2輸出的波形；u2?是u2

波經整形放大后的脈沖方波；u1?是u1

波形經整形放大后的脈沖方波，仍超前u2?90°；u1?是u1?反相后得到的脈沖方波；u1?w

是u1?經微分電路后得到的脈沖波；

u1?w

是u1?經微分電路后得到的脈沖波對于“與門

y1

”：1w2當u?高電平時，u?總是處于低電平，所以y1

輸出為零（

0）對于“與門

y2

”：1wu?2u?y2總是處于高電平,所上一頁下一頁總是處于低電平,所輸出為零（0）此時觸發(fā)器：置“0”，→（控制）“可逆計數器”作減法計數這就實現了正向移動時脈沖累加，反向運動時，便從累加脈沖數中減去反向移動所得到的脈沖數，光柵傳感器即可辨向，進行正確測量。②當主光柵反向移動時，莫爾條紋向下移動，此時光電元件2輸出波形超前元件1輸出波形,參見上圖b所示。定義

U

1

",U

2

",U

1

,U

"1W

,U

"1W

和①相同的。對于“與門

y1

”：當u1?w高電平時u，2?y1

以 輸出高（1）對于“與門y2

”：當u1?w高電平時,u2?y2

以五、細分技術上一頁下一頁直接細分又稱位置細分，如4細分可用4個依次相距 的光電元件，這樣可以得到依次有相位差90°的4個正弦交變信號，用鑒零器分別鑒取4個信號的零電平，即在每個信號由負到正過零時發(fā)出一個計數脈沖。這樣，在莫爾條紋的一個周期內將產生4個計數脈沖，實現四細分。四細分也可采用；在相距的位置上放置兩個光電元件來完成依次相差90°相角的四個正弦信號。與上述一樣經電路處理后，也可在莫爾條紋的一個周期內得到4個等間隔的計數脈沖。B

H4