《數(shù)字式傳感器隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《數(shù)字式傳感器隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛(17頁珍藏版)》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第 十 一 章 數(shù) 字 式 傳 感 器 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 迅 速 發(fā) 展 和 廣 泛 的 滲 透 , 對 信 號 的檢 測 、 控 制 和 處 理 , 必 然 進(jìn) 入 數(shù) 字 化 階 段 。比 較 常 用 方 法 :利 用 模 擬 式 傳 感 器 和 A/D轉(zhuǎn) 換 器 將 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信號 , 然 后 由 微 機(jī) 或 其 它 數(shù) 字 設(shè) 備 處 理 。優(yōu) 點(diǎn) : 簡 便 、 適 用 。缺 點(diǎn) : A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 轉(zhuǎn) 換 精 度 受 到 參 考 電 壓 精 度 的 限制 而 不 可 能 很 高 , 系 統(tǒng) 的 總 精 度 將 受 到 限 制 。一 、 定 義數(shù)
2、 字 式 傳 感 器 : 一 種 能 把 被 測 模 擬 量 直 接 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字量 的 輸 出 裝 置 。 數(shù) 字 式 傳 感 器 特 點(diǎn) : 測 量 的 精 度 和 分 辨 率 更 高 , 抗 干 擾 能 力 更 強(qiáng) , 穩(wěn) 定 性 更 好 , 易 于 與 微 機(jī) 接 口 , 便 于 信 號 處 理 和 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 化 測 量 。二 、 編 碼 器( 一 ) 定 義 將 機(jī) 械 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 模 擬 量 轉(zhuǎn) 換 為 旋 轉(zhuǎn) 角 切 割 的 數(shù) 字 信 號 以進(jìn) 行 角 位 移 檢 測 的 傳 感 器 。編 碼 器 主 要 分 為 : 脈 沖 盤 式 , 碼 盤 式 。脈 沖 盤 式
3、 編 碼 器 不 能 直 接 輸 出 數(shù) 字 編 碼 , 需 要 增 加 有 關(guān)數(shù) 字 電 路 才 可 能 得 到 數(shù) 字 編 碼 。碼 盤 式 編 碼 器 能 直 接 輸 出 某 種 碼 制 的 數(shù) 碼 。 編 碼 器 脈 沖 盤 式 編 碼 器碼 盤 式 編 碼 器 ( 絕 對 編 碼 器 ) 接 觸 式 編 碼 器電 磁 式 編 碼 器光 電 編 碼 器這 兩 種 形 式 的 數(shù) 字 傳 感 器 , 由 于 它 們 的 高 精 度 、 高 分辨 率 和 高 可 靠 性 , 已 被 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 種 位 移 量 的 測 量 。( 二 ) 碼 盤 式 編 碼 器 ( 絕 對 編 碼
4、 器 )將 角 度 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字 編 碼 , 能 方 便 地 與 數(shù) 字 系 統(tǒng) ( 如 微機(jī) ) 聯(lián) 接 。按 其 結(jié) 構(gòu) 可 分 為 接 觸 式 、 光 電 式 和 電 磁 式 三 種 。 后 兩種 為 非 接 觸 式 編 碼 器 。目 前 , 使 用 最 多 的 是 光 電 編 碼 器 。 1、 接 觸 式 編 碼 器 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理接 觸 式 編 碼 器 組 成 : 碼 盤 , 電 刷碼 盤 利 用 制 造 印 刷 電 路 板 的 工 藝 , 在 銅 泊 板 上 , 制 作某 種 碼 制 圖 形 ( 如 8-4-2-1碼 , 循 環(huán) 碼 等 ) 的 盤 式 印 刷電
5、路 板 。電 刷 是 一 種 活 動(dòng) 觸 頭 結(jié) 構(gòu) , 在 外 界 力 的 作 用 下 , 旋 轉(zhuǎn)碼 盤 時(shí) , 電 刷 與 碼 盤 接 觸 處 就 產(chǎn) 生 某 種 碼 制 的 某 一 數(shù)字 編 碼 輸 出 。下 面 以 四 位 二 進(jìn) 制 碼 盤 為 例 , 說 明 其 工 作 原 理 和 結(jié) 構(gòu) 一 個(gè) 四 位 8-4-2-1碼 制 的 編 碼 器 的 碼 盤 示 意 圖 。四 位 二 進(jìn) 制 碼 盤 上 有 四 圈 碼 道 , 每 個(gè) 碼 道 有 一 個(gè) 電 刷 ,電 刷 經(jīng) 電 阻 接 地 , 四 個(gè) 電 刷 沿 某 一 徑 向 安 裝 。涂 黑 處 為 導(dǎo) 電 區(qū) , 將 所 有
6、導(dǎo) 電 區(qū) 連 接 到 高 電 位( “ 1” ) 。空 白 處 為 絕 緣 區(qū) , 為 低 電 位 ( “ 0” ) 。當(dāng) 碼 盤 轉(zhuǎn) 動(dòng) 某 一 角 度 后 , 電 刷 就 輸 出 一 個(gè) 數(shù) 碼 。碼 盤 轉(zhuǎn) 動(dòng) 一 周 電 刷 就 輸 出 16種 不 同 的 四 位 二 進(jìn) 制 數(shù) 碼 。 二 進(jìn) 制 碼 盤 所 能 分 辨 的 旋 轉(zhuǎn) 角 度 為 =360 /2n;若 n=4, 則 =22.5 ;位 數(shù) 越 多 , 分 辨 的 角 度 越 小 。取 n=8, 則 =1.4 。分 辨 的 角 度 越 小 , 對 碼 盤 和 電 刷 的 制 作 和 安 裝 要 求 越嚴(yán) 格 。當(dāng) n多
7、到 一 定 位 數(shù) 后 , 一 般 為 n 8, 這 種 接 觸 式 碼 盤將 難 以 制 作 。8-4-2-1碼 制 的 碼 盤 , 由 于 正 、 反 向 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) , 因 為 電 刷安 裝 不 精 確 引 起 的 機(jī) 械 偏 差 , 會(huì) 產(chǎn) 生 非 單 值 誤 差 。 例 如 : 當(dāng) 電 刷 由 二 進(jìn) 制 碼 0111過 渡 到 1000時(shí) , 本 來 是 7變 為 8;如 果 電 刷 進(jìn) 入 導(dǎo) 電 區(qū) 或 絕 緣 區(qū) 先 后 不 一 致 , 可 能 會(huì) 出 現(xiàn) :8到 15之 間 的 任 一 十 進(jìn) 制 數(shù) , 產(chǎn) 生 “ 非 單 值 誤 差 ” 。采 用 8-4-2-1碼 制
8、的 碼 盤 , 雖 然 比 較 簡 單 ,對 碼 盤 的 制 作 和 安 裝 要 求 嚴(yán) 格 , 否 則 會(huì) 產(chǎn) 生 錯(cuò) 碼 。若 使 用 循 環(huán) 碼 制 即 可 避 免 此 問 題 。 循 環(huán) 碼 的 特 點(diǎn) : 相 鄰 兩 個(gè) 數(shù) 碼 間 只 有 一 位 變 化 , 避 免 了 制 造 或 安 裝 不 精確 而 帶 來 的 非 單 值 誤 差 。由 循 環(huán) 碼 的 特 點(diǎn) 可 知 , 即 使 制 作 和 安 裝 不 準(zhǔn) , 產(chǎn) 生 的 誤差 最 多 也 只 是 一 個(gè) bit。采 用 循 環(huán) 碼 盤 比 采 用 8-4-2-1碼 盤 的 精 度 高 。 ( 三 ) 光 電 式 編 碼 器接
9、 觸 式 編 碼 器 的 分 辨 率 受 電 刷 的 限 制 , 不 可 能 很 高 。光 電 式 編 碼 器 由 于 使 用 了 體 積 小 、 易 于 集 成 的 光 電 元件 代 替 機(jī) 械 的 接 觸 電 刷 , 其 測 量 精 度 和 分 辨 率 能 達(dá) 到很 高 水 平 , 所 以 它 在 自 動(dòng) 控 制 和 自 動(dòng) 測 量 技 術(shù) 中 得 到了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。1、 光 電 式 編 碼 器 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理光 電 編 碼 器 的 最 大 特 點(diǎn) : 非 接 觸 式 。使 用 壽 命 長 , 可 靠 性 高 。它 是 一 種 絕 對 編 碼 器 。 即 :幾 位
10、 編 碼 器 其 碼 盤 上 就 有 幾 位 碼 道 。編 碼 器 在 轉(zhuǎn) 軸 的 任 何 位 置 都 可 以 輸 出 :一 個(gè) 固 定 的 與 位 置 相 對 的 數(shù) 字 碼 。 光 電 編 碼 器 的 碼 盤 :在 一 塊 圓 形 光 學(xué) 玻 璃 上 刻 有 透 光 和 不 透 光 的 碼 形 , 幾位 編 碼 器 其 碼 盤 上 就 有 幾 位 碼 道 。在 幾 個(gè) 碼 道 旁 , 裝 有 相 同 個(gè) 數(shù) 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 代 替 接觸 式 編 碼 器 的 電 刷 。將 接 觸 式 碼 盤 上 的 高 、 低 電 位 用 光 源 代 替 。 當(dāng) 光 源 經(jīng) 光 學(xué) 系 統(tǒng) 形
11、成 一 束 平 行 光 投 射 在 碼 盤 上 時(shí) , 轉(zhuǎn)動(dòng) 碼 盤 , 光 通 過 碼 盤 的 透 光 和 不 透 光 區(qū) , 在 碼 盤 的 另 一側(cè) 就 形 成 了 光 脈 沖 , 脈 沖 照 射 在 光 電 元 件 上 就 產(chǎn) 生 了 與光 脈 沖 相 對 應(yīng) 的 電 脈 沖 。碼 盤 上 的 碼 道 數(shù) 就 是 該 碼 盤 的 數(shù) 碼 位 數(shù) 。由 于 每 一 個(gè) 碼 位 有 一 個(gè) 光 電 元 件 , 當(dāng) 碼 盤 旋 至 不 同 位 置時(shí) , 各 個(gè) 光 電 元 件 根 據(jù) 受 光 照 與 否 , 就 能 將 間 斷 光 轉(zhuǎn) 換成 電 脈 沖 信 號 。 光 電 編 碼 器 的 精
12、 度 和 分 辨 率 取 決 于 :光 碼 盤 的 精 度 和 分 辨 率 ( 取 決 于 刻 線 數(shù) ) 。光 電 編 碼 器 比 接 觸 式 的 碼 盤 編 碼 器 精 度 要 高 很 多 個(gè) 數(shù)量 級 。 如 果 再 進(jìn) 一 步 采 用 光 學(xué) 分 解 技 術(shù) , 可 獲 得 更 多位 的 光 電 編 碼 器 。光 電 編 碼 器 與 接 觸 式 碼 盤 編 碼 器 一 樣 , 通 常 采 用 :循 環(huán) 碼 作 為 最 佳 碼 形 , 解 決 非 單 值 誤 差 的 問 題 。光 電 碼 盤 的 優(yōu) 點(diǎn) : 沒 有 觸 點(diǎn) 磨 損 , 允 許 高 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。缺 點(diǎn) : 其 結(jié) 構(gòu) 較
13、 為 復(fù) 雜 , 光 源 壽 命 較 短 。 ( 二 ) 提 高 分 辨 率 的 方 法 插 值 法為 了 提 高 測 量 的 精 度 和 分 辨 率 , 常 規(guī) 的 方 法 :增 加 碼 盤 的 碼 道 數(shù) , 即 增 加 刻 線 數(shù) 。當(dāng) 刻 度 數(shù) 多 到 一 定 數(shù) 量 后 , 工 藝 就 難 以 實(shí) 現(xiàn) 。 插 值 法 設(shè) 計(jì) 思 想 :19位 光 電 編 碼 器 , 若 碼 盤 已 具 有 14條 ( 位 ) 碼 道 , 在14位 碼 道 上 增 加 一 條 專 用 附 加 碼 道 。附 加 碼 道 的 形 狀 和 光 學(xué) 的 幾 何 結(jié) 構(gòu) 與 前 14位 有 所 差 異 ,且
14、使 之 與 光 學(xué) 分 解 器 的 多 個(gè) 光 敏 元 件 相 配 合 , 產(chǎn) 生 較為 理 想 的 正 弦 波 輸 出 , 通 過 平 均 電 路 進(jìn) 一 步 處 理 , 獲得 更 理 想 的 正 弦 和 余 弦 信 號 。 附 加 碼 道 輸 出 的 正 弦 或 余 弦 信 號 , 在 插 值 器 中 按 不 同 的系 數(shù) 疊 加 在 一 起 , 形 成 32個(gè) 相 移 不 同 的 正 弦 信 號 , 每兩 個(gè) 正 弦 信 號 之 間 的 相 位 差 為 /16, 各 正 弦 波 信 號 再 經(jīng)過 零 比 較 器 轉(zhuǎn) 換 為 一 系 列 脈 沖 。通 過 插 值 器 細(xì) 分 了 附 加 碼
15、 道 的 光 電 元 件 輸 出 的 信 號 , 經(jīng)過 雙 穩(wěn) 觸 發(fā) 器 產(chǎn) 生 了 附 加 的 低 位 的 5位 有 效 數(shù) 位 , 使 編碼 器 分 辨 率 從 2-14提 高 到 2-19。 實(shí) 例 :1、 光 電 位 移 傳 感 器 的 應(yīng) 用要 求 : 對 物 體 位 移 的 起 始 和 終 止 點(diǎn) 的 位 置 進(jìn) 行 準(zhǔn) 確 測 量 。傳 感 器 選 型 : 光 電 斷 續(xù) 器2、 利 用 增 量 式 光 電 編 碼 盤 測 轉(zhuǎn) 速特 點(diǎn) : 數(shù) 據(jù) 處 理 電 路 簡 單 , 檢 測 精 度 高 , 抗 震 性 差 , 不 耐 沖 擊 及 振 動(dòng) 。 增 量 式 光 電 編 碼
16、 盤 組 成 : 與 電 機(jī) 同 軸 相 連 的 碼 盤 碼 盤 上 有 三 圈 透 光 細(xì) 縫 , A、 B道 細(xì) 縫 數(shù) 相 等 , 位 置相 錯(cuò) 90 電 角 度 , 輸 出 波 形 為 互 錯(cuò) 90 的 脈 沖 。 第 三圈 只 有 一 個(gè) 細(xì) 縫 , 碼 盤 轉(zhuǎn) 一 圈 才 有 一 個(gè) C脈 沖 。由 光 敏 元 件 構(gòu) 成 的 脈 沖 產(chǎn) 生 電 路 ( 產(chǎn) 生 測 速 脈 沖 )電 機(jī) 正 、 反 轉(zhuǎn) 的 檢 測 電 路 利 用 碼 盤 和 接 口 電 路 可 以 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速 。測 量 方 法 :脈 沖 積 分 法 , 脈 沖 間 隔 法( 1) 脈 沖 積 分 法 ( M法
17、 )在 一 定 的 采 樣 間 隔 時(shí) 間 Ts內(nèi) , 將 來 自 編 碼 器 的 脈 沖 串用 計(jì) 數(shù) 器 累 計(jì) , 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速 。 n=6000m/MTsm:在 Ts時(shí) 間 內(nèi) 的 脈 沖 數(shù) ,M: 碼 盤 每 圈 的 脈 沖 數(shù)脈 沖 積 分 法 缺 點(diǎn) :低 速 時(shí) 測 速 受 到 限 制 。采 用 該 方 法 可 測 平 均 轉(zhuǎn) 速 。 ( 2) 脈 沖 間 隔 法 ( T法 )在 碼 盤 2個(gè) 脈 沖 的 間 隔 Tw內(nèi) 插 入 已 知 頻 率 的 高 頻 脈 沖 ,計(jì) 數(shù) 脈 沖 個(gè) 數(shù) , 從 而 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速 。 n=6000fc/MNfc : 插 入 高 頻 脈 沖 的 頻 率M: 碼 盤 每 圈 的 脈 沖 數(shù)N: 在 Tw時(shí) 間 內(nèi) 的 高 頻 脈 沖 個(gè) 數(shù)采 用 該 方 法 可 測 瞬 時(shí) 轉(zhuǎn) 速 。脈 沖 間 隔 法 缺 點(diǎn) :高 速 時(shí) 上 限 測 速 受 到 限 制 。解 決 方 法 :若 在 大 范 圍 內(nèi) 測 速 , 可 采 用 分 段 方 式 , 在 高 速 使 采 用 脈沖 積 分 法 , 低 速 時(shí) 采 用 脈 沖 間 隔 法 。