传感器7310数字式传感器-编码器.ppt
传感器技术及应用机械06机电方向,20082009第二学期2009年4月,10.3 编 码 器,编码器：将机械位移模拟量转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。结构形式：直线式、旋转式电气转换原理：接触（电刷）式、光电式、电磁式输出量形式：脉冲输出、与位置对应的数字码编码器特点：高精度、高分辨率和高可靠性。,10.3.1 基本结构与原理,一、编码器的输出增量编码器脉冲输出，被测量用累计脉冲数表示，需要基准数据才能完成角位移的测量。绝对编码器输出为与位置相对应的固定数字码不需要基准数据和计数系统。真正意义上的直接数字式传感器,二、增量编码器,码盘简单，一般只需三条码道计数码道S1刻线数决定编码器的分辨率辨向码道S2与S1刻线数相同，错开半个扇区Z码道提供基准位置,按距离编码的参考标记,为不等距参考标记。移过两个相临的参考标记后，后续电子设备就可以找到绝对位置。作用：缩短找参考点的移动过程，,三、绝对编码器,1结构与工作原理码盘：制作有某种码制的图形。工作原理：对应不同的转角位置，产生某种码制的数字编码输出。测量时，可根据码盘的起始和终止位置，确定角位移，而与转动的中间过程无关。编码器码制：二进制码、十进制码、循环码（格雷码）等。,3.二进制码盘：,码道：数量等于二进制码的位数n码盘的分辨率：=360/2n，例如：4位二进制码盘，其最小分辨的角度=360/24 22.5。零位对应于0000；,最外圈一共分成24=16个（4位二进制码盘）间隔。共有16个角度方位，每一个角度方位对应于不同的编码。,二进制码盘的误差,当某一较高的数码改变时，例：01111000，h i所有低位数码均需同时改变。当电刷进出导电区的先后不一致时，就会造成非单值粗误差，例：0111 0101 1000消除非单值误差的办法 采用循环码(格雷码),4、格雷码（循环码）,（1）格雷码特点：从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。,（2）二进制码盘与格雷码（循环码）码盘比较,格雷码码盘从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。,（3）格雷码码盘特点,n位格雷码码盘，与n位二进制码盘一样，有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。由于这一原因使得格雷码码盘获得了广泛的应用。,例：机械编码器,21mm,无需A/D转换 垂直和水平安装 操作速度：最大50R/Min,10.3.2 旋转光电式编码器,光电式编码器使用光电元件，其测量精度和分辨率能达到很高水平。,1-光源；2-柱面镜；3-码盘；4-狭缝；5-光电元件,光电式编码器构成,码盘：光学玻璃，透光/不透光（同心码道）照相腐蚀 光源：LED 光学系统 平行光 投影精确光电元件：硅光电池，光电晶体管,特点：高精度、高分辨力、可靠性好,原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,插值法提高分辨率,增加码道数n，可提高测量精度和分辨率，最外圈刻线数2n，受制造工艺限制，400mm 的20位码盘，最外圈码道节距仅为2m，采用光学分解技术(插值法)，提高分辨率。例如，在14位的码道上增加1条专用附加码道，,14位内码道和一条专用附加码道的19位光电编码器,插值器产生16个正弦波信号，每两个正弦信号之间的相位差为/8，从而在14位编码器的最低有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相当于附加5位二进制数的输出，,使编码器的分辨率从2 14提高到2 19，角位移小于3秒。,数字式传感器产品,一、旋转编码器及连轴器,M系列FMAA,X系列FXAA,K系列FKA,T系列FTA,旋转编码器2,海德汉编码器,利用有规则的标尺载体作为测量基准，这些刻线是制作在玻璃或钢制材料的。转数至10，000转/分，大多使用玻璃；更高的转数至40，000转/分时，则使用钢毂。对于大直径的编码器，用钢带作为刻线载体。,光电编码传感器应用举例 1：钢带式光电编码数字液位计,是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍应用的一种测量设备在量程超过 20m 的应用环境中，液位测量分辨率仍可达到 1mm。这种测量设备主要有：编码钢带、读码器、卷带盘、定滑轮、牵引钢带用的细钢丝绳及伺服系统等。,编码钢带的一端系在细钢丝绳上，,细钢丝绳绕过定滑轮系在大罐的浮顶上,编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。,自动测量过程,当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。,读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编码。经处理后进行就地显示，或以串行码的形式发送给其它设备。,插值细分技术提高编码钢带的分辨率,设：分辨率为1mm 最低位码道刻线间隔，设15个码道，测量范围：215132768mm32.768m加工工艺难度较大，编码钢带强度较低，使用不便。需采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。最低码道宽度增加到5mm，应用插值细分技术以获得1mm的分辨率在量程为20m的条件下，码道数量将减少到12个测量范围：21252048mm20.48m,光电旋转编码器的应用实例2鼠标,它是一款真正意义上的机械鼠标。它的工作原理也很简单：在鼠标底部装有两个相互垂直的枢轴，每个枢轴带动一个机械变阻器。鼠标位置的移动会使变阻器的的阻值发生变化，由此便可以得到X与Y轴的位移信号。通过反馈的信号系统会判断出鼠标的移动状况。,世界上的第一款鼠标,1968年12月9日，世界上第一款鼠标诞生于加利福尼亚。,光机式鼠标是光学机械混合鼠标器。,其工作方式与光电式有些不同，结合了机械鼠的一些特点：鼠标内置了二个滚轴，分别是X方向滚轴和Y方向滚轴,这两个滚轴都与一个可以滚动的小球接触，当小球滚动时便带动了两个滚轴转动，两个滚轴顶端都装一个边缘开槽的光栅轮。,当光栅轮被带动时,LED发出的光线通过光栅轮的开槽透光，未开槽不透光，从而使光敏三极管产生高低电平，形成脉冲信号。,通过鼠标的控制芯片转换处理后被CPU接收并对其计数。,互相垂直的传动轴分别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移动的距离和速度。,光电鼠标的工作原理,在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。,光电鼠标通常由以下部分组成,光学感应器、光学透镜、发光二极管、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、接口微处理器等。,光电鼠标上的翻页滚轮,滚轮位置上，“藏”有一对光电“发射/接收”。“滚轮”上带有栅格，由于栅格能够间隔的“阻断”这对光电“发射/接收”装置的光路，这样便能产生翻页脉冲信号，,光电鼠标,微动开关、滚轮,微动开关,光学组件,发光二极管光学传感器 发光二极管所发出的光会被透镜折射到桌面上，然后再反射给光学传感器上成像。,光学透镜组件由一个棱光镜和一个透镜组成,光学感应器背面的小孔用来接收由鼠部底部的光学透镜传送过来的图像,光电鼠标的背面外上的壳圆形透镜很像一个摄像头,End,
