检测与转换技术 第３版 教学课件 作者 常健生 石要武 吉林工业大学 主编 第07章.ppt

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1、第七章位移一数字传感器第一节　角度—数字编码器第二节光栅与电子细分第三节感应同步器近年来陆续出现了新的测量元件。如码盘、光栅、磁尺、感应同步器等位移—数字传感器，以适应当前生产和科学技术不断发展的需要。使用这些元件，有如下共同特点：（1）能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差。（2）易于实现系统的快速、自动和数字化。（3）测量系统量限大，长度可达数米甚至更长；角度可在360０范围内进行测量。（4)）测量系统安装方便，使用、维护简单，工作可靠性好。第一节　角度—数字编码器本章介绍角度数字编码器、光栅和感应同步器等，并给出实例说明它们

2、的具体应用。一、脉冲盘式—数字编码器辨向环节的逻辑电路框图波形图计数器进行减法计数。这样就可以区别旋转方向，自动进行加法或减法计数。它每次反映的都是相对于上次角度的增量，所以这种测量属于增量法。二、码盘式角度—数字编码器码盘式角度—数字编码器是按角度直接进行编码的传感器，通常把它装在检测轴上。按其结构可把它分为接触式，光电式和电磁式几种。四位循环码盘二进制码盘接触式四位二进制码盘，涂黑部分是导电区。所有导电部分连在一起接高电位。空白部分代表绝缘区。在每圈码道上都有—个电刷，电刷经电阻接地。当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定的数码

3、。若采用n位码盘，其能分辨的角度α为：二进制码盘很简单，但在实际应用中对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要求十分严格，否则就会出错。为了消除非单值性误差，可采用两种方法：第一种方法是采用双电刷，此法在工艺上和电路上都比较复杂，故很少采用。应用最广的第二种方法是采用循环码代替二进制码。循环码的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。十进制数、二进制数及四位循环码对照表由于循环码的各位没有固定的权，因此需要把它转换成二进制码。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

4、码作不进位加法，所得结果即循环码：接触式码盘的优点是简单、体积小、输出信号功率大。缺点是有磨损、寿命短、转速不能太高(每分钟几十转以内)。第二节光栅与电子细分一、光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（一）光栅测量的基本原理（１）光栅。（２）莫尔条纹。在与光栅刻线大致垂直的方向上，产生明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。莫尔条纹形成示意图（３）标尺光栅、指示光栅（二）莫尔条纹的转换特点（１）莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量，位移方向具有对应关系。（２）莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。（３）莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用。在光栅测量中，光

5、电元件接收的是一个区域内所含众多的栅线所形成的莫尔条纹。（三）光栅测量装置、光栅光学系统、光栅读数头1．光栅测量装置光栅测量装置（或称光栅测量系统）是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。2．光栅光学系统光栅光学系统是指形成莫尔条纹和拾取莫尔条纹信号的光学系统及其光电接收元件。光栅光学系统1—光源2—聚光镜3—标尺光栅4—指示光栅5—光电接收元件（1）照明系统。（2）光栅副。（3）光电接收系统。（4）光栏。（四）光栅测量的特点及应用现状1．光

6、栅测量的特点（1）高精度。（2）高分辨率、大量程。（3）抗干扰能力强。（4）价格较高，其成本比感应同步器、磁栅测量装置高。2．光栅测量的应用范围（1）长度与角度的精密测量．（2）应用于数控机床中。（3）其它方面。可用于测量振动、应力和应变等。二、光栅光学系统根据形成莫尔条纹时相互起作用的光栅尺的数目而将光栅系统划分为：单光栅光学系统、双光栅光学系统和三光栅光学系统三类。下面仅对直接接收式双光栅光学系统进行介绍。这种系统又称垂直入射式系统或直读式系统。该系统的特点是结构简单、紧凑、调整使用方便。对于栅距较大的光栅，多数采用这一光学系统。四相型光学系境

7、1～4—硅光电池在数控机床中，近来还发明一种适用于一般精度的小型直读式系统。小型直读式系统1—发光二极管2—标尺光栅3—指示光栅4—光电二极管三、电子细分莫尔条纹电子细分法从频率角度看，信号的重复频率提高了，因此又称倍频。由于细分是在信号一个周期内插进许多个计数脉冲，所以也把细分叫内插或插补。完成细分的电路装置又叫插补器，一般称细分电路。这里介绍常用的直接细分（位置细分）和电位器桥（电阻链细分）细分方法。1．四倍频直接细分在通常情况下，光栅移过一个栅距，莫尔条纹变化一个周期。由于光栅副是一个谐波发生器，因而用位置四细分法可获得四路信号。一种四细分逻

8、辑图它用运算放大器对由光电元件VL1、VL3、VL2、VL4获得的输入信号进行差接放大。输出的四路信号分别为sinθ、一s