传感器原理及应用(第六章).pptVIP

 普通高等教育“十一五” 国家级规划教材传感器原理及应用(第3版) 王化祥 张淑英 编著 第6章 数字式传感器 本书前几章所涉及的传感器属于模拟式传感器。这类传感器将诸如应变、压力、位移、加速度等被测参数转变为电模拟量(如电流、电压)显示出来。因此，若用数字显示或输入计算机，就需要经过一套模数转换装置(A/D转换)，将模拟量变成数字量。这不但增加了投资，而且增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度。若直接采用数字式传感器可将被测参数直接转换成数字信号输出，因此它有以下优点: ①精确度和分辨力高; ②抗干扰能力强，便于远距离传输; ③信号易于处理和存贮; ④可以减少读数误差。 传感器原理及应用 正因为如此，数字式传感器引起人们的普遍重视。然而到目前为止，数字式传感器种类还不多。根据工作原理不同可分为脉冲数字式传感器(如光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等)和频率输出式数字传感器(如振弦式、振筒式和振膜式传感器)。 本章将重点介绍光栅传感器和振弦式传感器两种。 传感器原理及应用 §6-1 码盘式传感器 这种传感器建立在编码器的基础上。只要编码器保证一定的制作精度，并配置合适的读出部件，这种传感器可以达到较高的精度。另外，它的结构简单，可靠性高。因此，在空间技术、数控机械系统等方面获得广泛应用。 编码器按原理分类有:电触式、电容式、感应式、光电式等等。这里只讨论光电式，称为光学编码器。 编码器包括码盘和码尺。前者用于测角度，后者用于测长度。因为测长度实际应用较少，故这里只讨论码盘。 编码器又可以分为增量编码器和绝对码编码器两大类，这里仅讨论绝对码编码器。 传感器原理及应用 一、工作原理 光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。 传感器原理及应用 图6-1是工作原理示意图。由光源1发出的光线，经柱面镜2变成一束平行光或会聚光，照射到码盘3上。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列着的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在元件5上。光电元件的排列与码道一一对应。当有光照射时，对应于亮区和暗区的光电元件的输出相反，如前者为“1”，后者为“0”。光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘转角的大小。由此可见，码盘在传感器中是将轴的转角转换成代码输出的主要元件。 传感器原理及应用 二、码制与码盘 图6-2所示是一个6位的二进制码盘。最内圈称为C6码道，一半透光、一半不透光。最外圈称为C1码道，一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000(全黑)，第23个方位对应于(010111)。测量时，只要根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。 传感器原理及应用 二进制码盘具有以下主要特点: ①n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n，其最小分辨力θ1=360°/2n，它的最外圈角节距为2θ1; ②二进制码为有权码，编码Cn，Cn-1，…，C1对应于由零位算起的转角为∑ni=1Ci2i-1θ1; ③码盘转动中，CK变化时，所有Cj(jK)应同时变化。 二进制码盘，为了达到1″左右的分辨力，需要采用20或21位码盘。一个刻划直径为400 mm的20位码盘，其外圈分别间隔为稍大于1 μm。不仅要求各个码道刻划精确，而且要求彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。 传感器原理及应用 二进制码盘，由于微小的制作误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗误差。究其原因，是因为当某一较高位的数码改变时，所有比它低的各位数码应同时改变，若由于刻划误差等原因，某一较高位未能同时改变，而是提前或延后改变所致。二进制码是有权码，就会引起粗误差。采用其他有权码编码器时也存在类似问题。图6-3(a)所示是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。若码道C4黑区做得太短，就误读为