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第五章 数字传感器

第五章 数字传感器. 本章学习的主要内容：. 1 、 光栅式传感器. 2 、 光电编码器. 3 、 磁栅式传感器. 4 、 感应同步器. 数字传感器在数控机床中的应用. 角编码器安装在夹具的端部. 切削刀具. 被加工工件. 光栅扫描头. 防护罩内为直线光栅. § 5 － 1 光栅式传感器. 光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。其优点为： 结构简单 测量精度高 易于实现自动化和数字化等. 一、光栅的结构和类型. 光栅主要由 标尺光栅 和 光栅读数头 两部分构成。 光栅读数头包括：

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第五章 数字传感器

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Presentation Transcript

  1. 第五章 数字传感器 本章学习的主要内容： 1、光栅式传感器 2、光电编码器 3、磁栅式传感器 4、感应同步器

  2. 数字传感器在数控机床中的应用 角编码器安装在夹具的端部 切削刀具 被加工工件 光栅扫描头 防护罩内为直线光栅

  3. § 5－1 光栅式传感器 • 光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。其优点为： • 结构简单 • 测量精度高 • 易于实现自动化和数字化等

  4. 一、光栅的结构和类型 • 光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分构成。 • 光栅读数头包括： 光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。

  5. 1．分类 • 按运动形式分： 直线型：主光栅为直尺形→直线移动 旋转型：主光栅为圆盘形→旋转运动 • 按光学形式分： 透射式：光源与光电元件在两侧→透射光 反射式：光源与光电元件同一侧→反射光

  6. 标尺光栅 指示光栅 2．光栅尺（标尺光栅和指示光栅） a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数） 通常情况下，a=b=W/2

  7. 3．光栅读数头 （1）反射式光栅 1－反射主光栅 2－指示光栅 3－场镜 4－反射镜 5－聚光镜 6－光源 7－物镜 8－光电电池。 该光路适用于黑白反射光栅。

  8. 反射式光栅结构图

  9. （2）透射式光栅 1－光源 2－准直透镜 3－主光栅 4－指示光栅 5－光电元件  此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。

  10. 透射式光栅结构图

  11. 旋转式光栅示意图

  12. 光栅传感器实物图 可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺

  13. 二、光栅的基本工作原理 1．莫尔条纹 直线型莫尔 条纹动画演示 旋转型莫尔 条纹动画演示

  14. 莫尔条纹间距 横向莫尔条纹的斜率 莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定

  15. 莫尔条纹的主要特性： （1）消除光栅刻线不均匀误差 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。 • 即准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度 （2）位移的放大特性 • 放大性：夹角θ很小 → B＝ W/ θ >>W → 光学放大 → 提高灵敏度 • 可调性：夹角θ↓→ 条纹间距B↑ → 灵活

  16. （3）移动特性 • 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 • 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移动方向垂直 （4）光强与位置关系 • 对应性：莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化， 便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。 －输出信号中直 流分量

  17. 注意事项： • 光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光 栅的安装间隙无关。 • 莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则 光敏元件无法分辨光强的变化。

  18. 2．辨向原理 两光电元件相对位置 1、2－光电元件

  19. 去加法计数器 去减法计数器 辨向电路及输出脉冲图

  20. 去加法计数器 UZ1 UZ2 UZ3

  21. UZ1 去减法计数器 UZ2 UZ3

  22. 脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。 得出： 被测物体位移＝栅距×脉冲数 【例】先正向移动11个脉冲，而后反向移动5个脉冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移8个栅距。

  23. 三、细分技术 问题的提出： • 如何在现有仪器条件下提高分辨力？ 在选择合适的光栅栅距的前提下，对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需最小读数值。 • 细分：在莫尔条纹变化一周期时，等间距输出若干个脉冲，提高了分辨力。

  24. 电桥细分法（矢量和法） 若电桥平衡，UZ=0，有 过零触发器 e1、e2相位差90度，光栅位置x 令

  25. uo1 uo2

  26. 四、光栅数显装置 三自由度光栅数显表

  27. 结构示意图 1－读数头 ；2－壳体；3－发光接受线路板；4－指示光栅座；5－指示光栅；6－光栅刻线；7－光栅尺；8－主光栅 光栅数显装置结构示意图及电路原理框图

  28. 国产光栅数显装置的LSI芯片组成： 1、光栅信号处理芯片（HKF 710502） 主要功能：完成输入信号的同步；整形；四细分； 辨向；加减控制；参考零位信号的处 理；记忆功能的实现和分辨力的选择等。 2．逻辑控制芯片（HKE 701314） 主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD 译码；XJ校验以及超速报警。

  29. 3．可逆计数与零位记忆芯片（HKE 701201） 主要功能：接受计数脉冲，完成可逆计数；接受参 考零位脉冲，使计数器确定参考零位的 数值，同时也完成清零、置数、记忆等 功能。

  30. 五、光栅式传感器的应用 1．位置测量

  31. 机床导轨位置检测动画演示

  32. 2．测长仪 光栅式万能测长仪工作原理图

  33. § 5 － 2 光电编码器 编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。

  34. 光电编码器的分类 直线 — 线性编码器 转动方式 转动 — 转轴编码器 1．构造类型 透射式 光束形式 反射式

  35. 可辨向的增量式编码器 辨别方向 不可辨向的脉冲发生器 增量式 有零位信号 2．信号性质 零位信号 无零位信号 绝对式 — 绝对式编码器

  36. 信号航空插头 光电编码器外形图

  37. 拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。

  38. （参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）

  39. 其他光电编码器外形图

  40. 一、增量式光电编码器 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝 转轴 A B 光敏元件 A C B C 盘码及狭缝 零位标志

  41. 结构示意图 l－均匀分布透光槽的编 码盘 2－LED光源 3－光栏板上狭缝 4－sin信号接收器 5－cos信号接收器 6－零位读出光电元件 7－转轴 8－零位标记槽

  42. 增量式编码器原理动画演示

  43. 1．辨向信号和零标志 光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，又称为sin、cos元件。 在前图的码盘里圈，还有一个狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。

  44. 2．增量式光电编码器的分辨力及分辨率 测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数 n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： 分辨力为 分辨率为

  45. 二、绝对式光电编码器 • 绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。 • 根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。 • 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。

  46. 绝对式光电编码器原理动画演示

  47. 绝对式光电编码器的结构示意图 1－光源；2－透镜；3－编码盘；4－狭缝；5－光电元件

  48. a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）

  49. 绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘上的码道数 n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： 分辨力 分辨率 • 为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用格雷码（Groy code）图案的编码盘。

  50. 格雷码和自然二进制码的比较表

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