数字式传感器.docx
《数字式传感器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字式传感器.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字式传感器
数字式传感器
随着科学技术的发展，目前在工业、农业、医学、宇航、商业等领域中已广泛使用各种数字显示的非电量检测装置。
在机械制造工业中应用得比较成熟的是光栅、磁栅、感应同步器等为传感元件的数字测量仪器。
这些数字式测量仪器具有检测精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用方便等忧点，这将在本章中予以叙述。
一、转角—数字式传感器
1．光电脉冲盘式转角—数字转换器
光电脉冲盘式转角—数字转换转是将转动物体的转角换成电脉冲的变换器。
它的结构形式如图1所示。
它由光源、转动圆盘、透镜、光敏元件及有关电路组成。
在转动圆盘边缘上开等角距的孔或采用光栅均可，视测量对象和要求而定。
开孔一般数量较少，精度较低。
对测量精度要求较高者，则采用光栅。
将圆盘安装在被测物体的转轴上，使其与被测物体一起转动。
光源发出的光经圆盘的孔或光栅透过，被光敏元件接收。
当圆盘转动时光源发出的光就经圆盘遮挡交替地照射到光敏元件上，经放大整形后，就有一个个脉冲输出。
转动角度越大，产生的脉冲个数越多。
经过计算脉冲个数，可测得转角的大小；经过电路的适当变换亦可测量转动物体的转速。
2．磁电式转角—数字转换器
磁电式转角—数字转换器的结构如图2（a）所示。
此种结构形式多用于转速测量。
转子和定子均用工业纯铁做成，在它们的圆形端面上均匀地铣出等角距的槽子，使其成为齿状，如图2（b）所示。
在测量时，将转轴1与被测物转轴相连接，因而被测物就带动转子2转动。
当转子与定子的齿凸凸相对时，气隙最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁通最小。
这样定子不动而转子转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈6中感应出近似正弦波的电压信号。
该信号经整形后可变为脉冲输出。
输出脉冲的频率为
式中N为定子和转子端面的齿数，n为被测物体的转速。
当测得输出电脉冲频率f后，根据已知的N，可以求得转速n，从而达到测量的目的。
3。
码盘式转角—数字转换器
（1）接触式码盘如图3所示为一个四位接触式码盘。
涂黑部分为导电区，输出为“1”；空白部分不导电，输出为“0”。
所有导电部分连在一起，接高电位。
共有四圈码道，在每圈码道上都有且个电刷，电刷经电阻接地。
当码盘与被测物转轴一起转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定的数码，如表1所示。
图3二进制码盘
表1
角度
电刷位置
输出数码
对应十进制数
0
α
2α
3α
4α
5α
6α
7α
8α
9α
10α
11α
12α
13α
14α
15α
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
o
p
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
若采用n位码盘，则能分辨的角度为
位数n越大，能分辨的角度越小，测量越精确。
二进制码盘很简单，但在实际应用中对码盘制作和电刷安装（或充电元件安装）要求十分严格，否则就会出现错误。
例如，当电刷由位置h（0111）向位置i（1000）过渡时，如电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8至15之间的任意一个十进制数，这种误差称为非单值性误差。
为了消除非单值性误差，可采用循环码盘，其结构如图4所示。
它的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，因此即使安装制作有误差，产生的误差最多也只是最低位的一位数。
图4四位循环码盘
表2是十进制、二进制及四位循环码对照表
表2
十进制数
二进制数（C）
循环码（R）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
由于循环码的各位没有固定的权，码盘的输出需要转换成二进制码。
用R表示循环码，用C表示进制码。
二进制码转换成循环码的法则是：
将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，所得的结果就是循环码。
由循环码变二进制码的关系式为
或
如上例，若循环码为1100，对应的二进制码为1000，演算过程如下：
循环码盘输出的循环码是通过电路转换为二进制码的。
图5是用与非门构成的四位并行循环码—二进制码转换器。
它的优点是转换速成度快，缺点是用元件较多。
图6是串行转换器，它是由四个与非门组成的不进位加法器和一个JK触发器组成。
它的优点是结构简单，但转换速度较慢。
图5并行循环码—二进制码转换电路
图6串行循环码—二进制码转换电路
（2）光电式码盘码盘是用透明及不透明区按一定编码构成。
码盘上的码道条数就是数码的位数。
对应每一条码道有一个光电转换元件。
当码盘处于不同角度时，光电转换器的输出呈现出不同的数码，如图7所示。
（3）电磁式码盘它是在导磁体（软铁）圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，使导磁性有的地方高有的地方低。
再用一个很小的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流激励。
由于副边感应电势与整个磁路磁导有关，因而可以区分出码盘随被测物体所转动的角度。
二、光栅式传感器
计量光栅广泛用于测量技术中，它可以测量直线位移和转角位移。
1。
光栅结构
计量光栅是在透明的玻璃上均匀地刻线条，或是在不透明但具有强反射能力的基体上均匀地刻划间距、宽度相等的条纹。
使用的透明材料一般是主光栅用普通工业用白玻璃，而指示光栅最好用光学玻璃；非透明材料基体一般用不锈钢。
根据用途不同，光栅做成长光栅和圆光栅两种。
光栅根据刻划的形式不同分为黑白光栅（或叫幅值光栅）和相位光栅（或叫镜型光栅）。
按光栅的光线走向又可分为透射光栅和反射光栅两种。
（1）长光栅如图8（a）所示为透射长光栅结构示意图。
将黑白光栅线纹放大，如图8（b）所示。
Age表示线纹宽，b表示刻线的间距，W为光栅节距（栅距）或称光栅常数，W=a+b。
计量光栅条纹密度一般为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜和250条/㎜四种。
（a（b）
图8透射长光栅
图9所示为反射式相位光栅的线纹结构。
光栅的沟槽截面做成这种形状，其目的是使0次和1次衍射光的强度大约相等并且特别强。
这样就会增强莫尔条纹的反差，使光电元件得到较大的信号。
其斜面的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长来确定的。
这种光栅的线纹是直接刻制的，条纹密度一般为每毫米100～200条，刻线宽一般为0.4～7μm。
图9反射式光栅线纹形状
（a）不对称型（b）对称型
（2）圆光栅图10为圆光栅的结构示意图。
圆光栅只有黑白透射光栅，整个圆周刻线数为2700～86400条，W=0.01～0.05㎜。
（a）
（b）（c）
图10圆光栅
（a）结构图（b）径向光栅（c）切向光栅
径向光栅可用于各种场合，切向光栅适用于精度要求较高的场合，因为采用整个光栅增均效应可减少光栅刻划安装误差的影响。
2．工作原理
光栅传感器由光栅、光路和光电元件以及转换电路等组成。
下面以黑白透射光栅为例说明光栅传感器的工作原理。
如图11所示，主光栅与指示光栅之间的距离为d。
d应根据光栅的栅距来选择，对于每毫米25～100线的黑白光栅，指示光栅应置于主光栅的“费涅耳第一焦面上”，即
式中W为光栅栅距，λ为有效光的波长，d为两光栅的距离。
图11黑白透射光栅光路
采用一般的硅光电池，λ可取0.8μm，对于每毫米25条线的光栅，d=2㎜；对于每毫米100条线的光栅，d=0.125㎜；对于每毫米250条线的光栅，因为d太小，结构上不易保证，故很少使用。
指示光栅的线纹与主光栅的线纹相交一个微小的夹角，由于挡光效应（对线纹密度≤50条/㎜的粗光栅，衍射现象是次要的）或光的衍射（对线纹密度≥100条/㎜的细光栅）在与光栅线纹大致垂直的方向上，即两刻线交角的二等分线处，产生明暗相间的条纹。
这些条纹称为莫尔条纹，如图12所示。
图12光栅和横向莫尔条纹
它有如下特征：
（1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对光栅刻线的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响。
（2）在两块光栅沿刻线垂直方向作相对移动。
莫尔条纹通过栅外固定点（装有光电元件的测量点）的数量则刚好与光栅移动的刻线数量相等。
光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向亦相反。
从固定点观察到的莫尔条纹光强的变化近似于正弦波变化，光栅移动一个栅距，光强变化一个周期，如图13所示。
图13光栅输出原理图
（a）几何干涉（挡光）原理（b）理想光栅亮度变化（C）光栅输出实际电压波形
（3）莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下：
式中BH条纹间距；W为光栅栅距；θ为两光栅线纹夹角。
从上式可以看出，θ越小，BH越大，相当于把栅距扩大了
倍。
应用两块刻线数相同，切线圆半径分别为r1、r2的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹，如图14所示。
图14环形莫尔条纹
其条纹间距BH为：
通常r1=r2。
当主光栅移动一个栅距W时，莫尔条纹就变化一个周期2π。
通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成近似于正弦波形的电信号。
电压小的相应于暗条纹，电压大的相应于明条纹。
它的波形可视为在一个直流分量上迭加一个交流量，即
式中W为栅距，U0为电压直流分量，Um为电压交流分量幅值，x为主光栅与指示光栅间的瞬时位移，U为输出电压。
从上式可见，输出电压反映了暧时位移大小。
当x从0变化到W时，相当于电角度变化了2π角度。
如采用50线/㎜的光栅，当光栅移动x㎜，也就是移动了50x条刻线，则指示了光栅上的莫尔条纹就移动了50x条。
将此条数用计数器记录下来，就可知道移动的相对距离。
上述光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。
为了便于计数和判断方向，需要加入整形和辨向电路。
升级会员 