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

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(duì) 信 號(hào) 的檢 測(cè) 、 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(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信號(hào) ， 然 后 由 微 機(jī) 或 其 它 數(shù) 字 設(shè) 備 處 理 。優(yōu) 點(diǎn) ： 簡(jiǎn) 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) 字 式 傳 感 器 ： 一 種 能 把 被 測(cè) 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(cè) 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(hào) 處 理 和 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 化 測(cè) 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(hào) 以進(jìn) 行 角 位 移 檢 測(cè) 的 傳 感 器 。編 碼 器 主 要 分 為 ： 脈 沖 盤 式 ， 碼 盤 式 。脈 沖 盤 式 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(duì) 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(cè) 量 。（ 二 ） 碼 盤 式 編 碼 器 （ 絕 對(duì) 編 碼 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 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(shuō) 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 導(dǎo) 電 區(qū) 連 接 到 高 電 位（ “ 1” ） ?？?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(duì) 碼 盤 和 電 刷 的 制 作 和 安 裝 要 求 越嚴(yán) 格 。當(dāng) n多 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(guò) 渡 到 1000時(shí) ， 本 來(lái) 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 的 碼 盤 ， 雖 然 比 較 簡(jiǎn) 單 ，對(duì) 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(wèn) 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(lái) 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 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(cè) 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(cè) 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(zhǎng) ， 可 靠 性 高 。它 是 一 種 絕 對(duì) 編 碼 器 。 即 ：幾 位 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(duì) 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 成 一 束 平 行 光 投 射 在 碼 盤 上 時(shí) ， 轉(zhuǎn)動(dòng) 碼 盤 ， 光 通 過(guò) 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(duì) 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(hào) 。 光 電 編 碼 器 的 精 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(jí) 。 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(wèn) 題 。光 電 碼 盤 的 優(yōu) 點(diǎn) ： 沒(méi) 有 觸 點(diǎn) 磨 損 ， 允 許 高 速 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。缺 點(diǎn) ： 其 結(jié) 構(gòu) 較 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(cè) 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 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(guò) 平 均 電 路 進(jìn) 一 步 處 理 ， 獲得 更 理 想 的 正 弦 和 余 弦 信 號(hào) 。 附 加 碼 道 輸 出 的 正 弦 或 余 弦 信 號(hào) ， 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(hào) ， 每?jī)?個(gè) 正 弦 信 號(hào) 之 間 的 相 位 差 為 /16， 各 正 弦 波 信 號(hào) 再 經(jīng)過(guò) 零 比 較 器 轉(zhuǎn) 換 為 一 系 列 脈 沖 。通 過(guò) 插 值 器 細(xì) 分 了 附 加 碼 道 的 光 電 元 件 輸 出 的 信 號(hào) ， 經(jīng)過(guò) 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(duì) 物 體 位 移 的 起 始 和 終 止 點(diǎn) 的 位 置 進(jìn) 行 準(zhǔn) 確 測(cè) 量 。傳 感 器 選 型 ： 光 電 斷 續(xù) 器2、 利 用 增 量 式 光 電 編 碼 盤 測(cè) 轉(zhuǎn) 速特 點(diǎn) ： 數(shù) 據(jù) 處 理 電 路 簡(jiǎn) 單 ， 檢 測(cè) 精 度 高 ， 抗 震 性 差 ， 不 耐 沖 擊 及 振 動(dòng) 。 增 量 式 光 電 編 碼 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(cè) 速 脈 沖 ）電 機(jī) 正 、 反 轉(zhuǎn) 的 檢 測(cè) 電 路 利 用 碼 盤 和 接 口 電 路 可 以 計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速 。測(cè) 量 方 法 ：脈 沖 積 分 法 ， 脈 沖 間 隔 法（ 1） 脈 沖 積 分 法 （ M法 ）在 一 定 的 采 樣 間 隔 時(shí) 間 Ts內(nèi) ， 將 來(lái) 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(cè) 速 受 到 限 制 。采 用 該 方 法 可 測(cè) 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(cè) 瞬 時(shí) 轉(zhuǎn) 速 。脈 沖 間 隔 法 缺 點(diǎn) ：高 速 時(shí) 上 限 測(cè) 速 受 到 限 制 。解 決 方 法 ：若 在 大 范 圍 內(nèi) 測(cè) 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 。