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1、2/22/2023,第六章 数字式传感器,光栅传感器,感应同步器,数字式传感器：能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器。,光电编码器,2/22/2023,数字传感器的特点：,数字式传感器,具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。,测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。,易于实现高速动态测量、处理和自动化。,采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。,安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。,2/22/2023,6.1 光 栅,数字式传感器,2/22/2023,一.光栅传感器的构成及原理1.光栅的构成：光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透
2、射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。【演示】,数字式传感器,2/22/2023,数字式传感器,2/22/2023,光栅尺在机床导轨上的安装,光栅尺及数显表,2/22/2023,2.栅距：光栅的栅距，a、b分别为透光和不透光条纹的宽度，通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。,数字式传感器,2/22/2023,3.莫尔条纹现象当两块光栅互
3、相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹，如图所示。,莫尔条纹的形成,数字式传感器,2/22/2023,当很小时，sin(/2)=/2,莫尔条纹的宽度（又称为节距）：,：两尺间相对倾斜角,2/22/2023,4.莫尔条纹的特点平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。,数字式传感器,对应关系：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫
4、尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。,放大作用：由公式B=W/可知，当W一定，而较小时，可使W。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，0.50.009 rad，则：B=0.01/0.0091mm，放大100倍。若=0，则不产生莫尔条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。对于圆光栅，同样有这些特点。,2/22/2023,5.光栅传感器的结构 对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。光栅传感器结构为：光源标尺光栅指示光栅光电元件，如图所示。,数字式传感器,2/22/2023,
5、1.光电转换,若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，光信号被转换为电信号(电压或电流)输出。其输出波形如图。,二.光栅位移数字转换的基本原理,2/22/2023,对应关系,2/22/2023,输出表达式：0mCOS(2/w)X 式中，2/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。,将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。,X=NW,位移量为脉冲数与栅距的乘积。,2/22/2023,但
6、是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向，只能用于计数；精度低；分辨力只为一个栅距W。,怎么解决这两个问题呢？,计量光栅测量位移的基本原理：,2/22/2023,2.辨向原理,当条纹上移时，V2落后于V1 90。当条纹下移时，V2超前于V1 90。因此，由V1、V2之间的相位关系可以 判别运动方向。,数字式传感器,在相隔1/4B莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90的两个信号辨向。,2/22/2023,若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术：它是在莫尔条纹信
7、号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。细分方法有机械细分和电子细分两类。机械细分：增加刻线密度，例如最小读数值为0.lm，则要求每毫米刻一万条线。制造、安装及调试困难；电子细分：在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，可得到多个不同相位的信号，提高计数脉冲数。,3.细分技术（解决精度问题）,2/22/2023,如果将辨向原理中相隔B4的两个光电元件的输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为/2的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲信号，实现所谓四倍频细分。在上述两个光电元件的基础上再增加两个光电元件，每两个光电元件间隔14条纹间距，同样可实现四倍频细分。这种细分法的缺
8、点是由于光电元件安放困难，细分数不可能高，但它对莫尔条纹信号的波形没有严格要求，电路简单，是一种常用的细分技术。,四倍频细分,在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。,2/22/2023,2/22/2023,三.光栅数字传感器的应用,2/22/2023,编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。由于旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，并已有各种系列产品可供选用，故本节着重讨论旋转式光电编码器。,6.2 光电编码器,
9、2/22/2023,旋转式编码器有两种增量编码器和绝对编码器增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。绝对编码器二进制输出的,每一位都必须有一个独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。,分辨角360o/2n,2/22/2023,一.增量编码器,数字式传感器,增量编码器通常称为光电码盘，是一种最简单的光电式转角测量元件。光电盘测量系统的结构和工作原理如下页图“光电盘的工作原理”所示，它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整形放大电路和数字显示装置组成。,2/22/2023,数字式传感器,信号处理装置,a,b,z,码盘基片,透镜,光源,光敏元件,透光狭缝
10、,光欄板,光源,光电盘结构和工作原理,2/22/2023,光电盘和光栏板可用玻璃研磨抛光制成，经真空镀铬后用照相腐蚀法在镀铬层上制成透光的狭缝，狭缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘在其圆周上开出一定数量的等分槽缝，或在一定半径的圆周上钻出一定数量的小孔，使圆盘形成相等数量的透明和不透明区域。光栏板上有两条透光的狭缝，缝距等于光电盘槽距或孔距的1/4，每条缝后面放一只光电管。,数字式传感器,2/22/2023,光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，由后续电路转换为一串脉冲，它将转速信号直接转换为脉冲输出。
11、因此它是一种数字式传感器。两组光敏元件A、B相位差90度。,A,B,90,Z,码盘转一圈,2/22/2023,输出信号的作用及其处理,A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前、滞后关系可判断被测轴旋转方向辨向后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。,A,B,CP,90O,2/22/2023,Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号（也称零标志位）；被测轴的旋转圈数记数信号。的作用后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。,2/22/2023,增量式码盘的规格及分辨率,规格增量式码盘
12、的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从 36线/转 到 10万线/转 都有；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为 n 线/转：,2/22/2023,有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干扰）若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置。因此掉电后丢失位置信号，需要重新复位。由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受环境干扰，所以多用在简易型和经济型数控机床上。,增量式编码器的缺点,2/22/2023,数字式传感器,1.原理 编码盘是把被测转角直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电
13、磁式三种。,二.绝对编码器,2/22/2023,光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。前页图所示为四位二进制码盘，码盘上各圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑（图中表示为红色）白等间隔图案，形成一套编码。黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内可编数码数为24=16个。,数字式传感器,分辨角360o/2n,2/22/2023,2/22/2023,2/22/2023,工作时，码盘的一侧放置光源，另一侧放置光电接受装置，每个数位都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同
14、位置，光电元件接受光信号，并转换成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。但由于光电管安装误差的影响，当码盘回转在两码段交替过程中，就会有一些光电管越过分界线，而另一些尚未越过，于是产生读数误差。例如，当码盘顺时针方向旋转，由位置“0111”变为“1000”时，这四位数要同时都变化，可能将数码误读成16种代码中的任意一种（这取决于光电管位置的偏离情况），如读成1111、1011、1101、0001等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值性误差。,数字式传感器,2/22/2023,为消除非单值性误差，可采用以下的方法。,数字式传感器,1)循环码盘,循环码又称为格雷码，它也是一种二进
15、制编码，只有“0”和“l”两个数。图8.1-5所示为四位二进制循环码盘。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，因光电管安装不准等产生的阅读数误差，最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。所以，它是消除非单值性误差的一种有效方法。,2/22/2023,格雷码的绝对编码器的分度盘,2/22/2023,2)带判位光电装置的二进制循环码盘,数字式传感器,这种码盘是在二进制循环码盘的最外圈增加一圈信号位构成的。如上图所示，该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光电元件有信号才能读数，这样就
16、不会产生非单值性误差。,2/22/2023,将光电编码器安装在机床的主轴上，用来检测主轴的转速。当主轴旋转时，光电编码器随主轴一起旋转，输出脉冲经脉冲分配器和数控逻辑运算，输出进给速度指令控制丝杆进给电机，达到控制机床的纵向进给速度的目的。,2/22/2023,加工中心,3.绝对编码器的应用,2/22/2023,闭环伺服系统,用在精度要求较高的大型数控机床上,2/22/2023,6.3 感应同步器,感应同步器也是一种用来测量位移量的数字式传感器，它的工作原理与变压器的工作原理类似。,数字式传感器,2/22/2023,感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。分为直线型感
17、应同步器和圆盘型感应同步器两大类。感应同步器的优点是：具有较高的精度与分辨力；抗干扰能力强；使用寿命长，维护简单；可以作长距离位移测量；工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。,2/22/2023,由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90相角，又称为正、余弦绕组。,一.感应同步器的结构,2/22/2023,感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二次线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应
18、同步器的滑尺，转子相当于定尺。,2/22/2023,定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量。,二.感应同步器的工作原理,2/22/2023,以直线感应同步器为例，当两绕组位置相对固定时，滑尺绕组中的激磁电流使定尺绕组中产生一个感应电势，其大小为：,M为互感系数,如果假设绕组的自感系数很小，且激磁频率较低，则滑尺激磁绕组可视为纯电阻，则激磁电流为：,所以有,K称为电磁耦合系数,数字式传感器,2/22/2023,数字式传感器,随着两绕组间的位置关系不同
19、，定尺中的感应电势大小发生变化：,以正弦绕组为例：在滑尺上施加的正弦激磁电压为 1.滑尺位于A点：这时两绕组完全重合，通过定尺的耦合磁通最大，这时定尺绕组中产生的感应电势最大。2.滑尺移至B点：滑尺跨在定尺的两侧，定尺中的感应电势相互抵消为零。3.滑尺位于C点：滑尺与定尺重合，但感应电势方向与A点相反，达到反方向最大。4.D点：定尺中感应电势为零。5.E点：感应电势又变为最大，输出变化一周期。,W定尺节距,2/22/2023,数字式传感器,2/22/2023,三.感应同步器的工作方式,感应同步器工作方式通常分为：,鉴相型,鉴幅型,数字式传感器,2/22/2023,鉴相型-根据感应电势的相位来鉴
20、别位移量。,这时,总电势为：,数字式传感器,通过鉴别感应电动势的相位，例如同励磁电压比相，即可测出定尺和滑尺之间的相对位移。,激磁方式：对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同，但相位相差90的交流方波。,2/22/2023,鉴幅型通过输出电压幅值变化来测量位移。,激磁方式：滑尺的正、余弦绕组分别加以频率相同、相位相同、但幅值不等（按正、余弦规律变化）的交流电压。,数字式传感器,感应同步器相当于调幅器，可由幅值变化测量位移量.,幅值,2/22/2023,感应同步器的安装总图,万能数显工具磨床,四、感应同步器应用,2/22/2023,2/22/2023,前述的传感器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置
21、将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。脉冲数字（P/D）转换方法：（1）M法脉冲直接计数方法；（2）T 法脉冲时间计数方法；（3）M/T法脉冲时间混合计数方法。,6.4 数字测速方法,2/22/2023,一.M法测速,工作原理：由计数器记录PLG发出的脉冲信号；定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt；CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数；根据计数值 M1计算出对应的转速值 n。,测速原理与波形图,2/22/2023,计算公式式中 Z为PLG每转输出的脉冲个数；M法测速的分辨率,把M1除以Tc就得到传感器输出的脉冲频率f1=M1/T1，所以又称频率法。假设电机每转
22、一圈发出Z个脉冲，把f1除以Z就得到电动机的转速。,2/22/2023,M法测速误差率 在上式中，Z 和 Tc 均为常值，因此转速 n 正比于脉冲个数。高速时Z大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时将小于1，测速装置便不能正常工作。所以，M法测速只适用于高速段。,2/22/2023,二.T法测速,工作原理：计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0；PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求；CPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。,电路与波形,2/22/2023,计算公式T法测速的分辨率,在这里，测速时间源于传感器输出脉冲的周期，所以
23、又称周期法。在T法测速中，准确的测速时间Tt是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即Tt=M2/f0。,2/22/2023,法测速误差率 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。,2/22/2023,M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强；因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。,两种测速方法的比较,2/22/2023,三.M/T法测速,电路结构：,2/22/2023,工作原理：T0定时器控制采样时间；M1计数器记录PLG脉冲；M2计数器记录时钟脉冲。,波形图：,2/22/2023,计算公式分辨率检测精度：低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法相当于T法的 M1次平均，而在这 M1 次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。,
