第7章 数字量传感器与应用（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

第7章 数字传感器及应用 本章学习的主要内容： 1、光栅式传感器 2、光电编码器 1 数字传感器在数控机床中的应用 防护罩内为直线光栅 光栅扫描头 被加工工件 切削刀具 角编码器安装在夹具的端部 § 7－1 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： 光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。 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 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 指示光栅 标尺光栅 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。 3．光栅读数头 （1）反射式光栅 反射式光栅结构图  此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 1－光源 2－准直透镜 3－主光栅 4－指示光栅 5－光电元件 （2）透射式光栅 透射式光栅结构图 旋转式光栅示意图 光栅传感器实物图 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺 可移动电缆 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 横向莫尔条纹的斜率 莫尔条纹间距 莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定 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 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 （3）移动特性 －输出信号中直 流分量 （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”。 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。 两光电元件相对位置 1、2－光电元件 2．辨向原理 去加法计数器 去减法计数器 辨向电路及输出脉冲图 UZ1 UZ2 UZ3 去加法计数器 去减法计数器 UZ1 UZ2 UZ3 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。 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。 电桥细分法（矢量和法） 若电桥平衡，UZ=0，有 e1、e2相位差90度，光栅位置x 令 过零触发器 uo1 uo2 三自由度光栅数显表 四、光栅数显装置 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 结构示意图 光栅数显装置结构示意图及电路原理框图 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。 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。 1．位置测量 五、光栅式传感器的应用 优点：测量精度高，测量范围可达数十米，不需要接长，抗干扰能力强。常