傳感器技術及應用機械06機電方向,20082009第二學期2009年4月,10.3編碼器,編碼器：將機械位移模擬量轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。結(jié)構(gòu)形式：直線式、旋轉(zhuǎn)式電氣轉(zhuǎn)換原理：接觸（電刷）式、光電式、電磁式輸出量形式：脈沖輸出、與位置對應的數(shù)字碼編碼器特點：高精度、高分辨率和高可靠性。,10.3.1基本結(jié)構(gòu)與原理,一、編碼器的輸出增量編碼器脈沖輸出，被測量用累計脈沖數(shù)表示，需要基準數(shù)據(jù)才能完成角位移的測量。絕對編碼器輸出為與位置相對應的固定數(shù)字碼不需要基準數(shù)據(jù)和計數(shù)系統(tǒng)。真正意義上的直接數(shù)字式傳感器,二、增量編碼器,碼盤簡單，一般只需三條碼道計數(shù)碼道S1刻線數(shù)決定編碼器的分辨率辨向碼道S2與S1刻線數(shù)相同，錯開半個扇區(qū)Z碼道提供基準位置,按距離編碼的參考標記,為不等距參考標記。移過兩個相臨的參考標記后，后續(xù)電子設備就可以找到絕對位置。作用：縮短找參考點的移動過程，,三、絕對編碼器,1結(jié)構(gòu)與工作原理碼盤：制作有某種碼制的圖形。工作原理：對應不同的轉(zhuǎn)角位置，產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出。測量時，可根據(jù)碼盤的起始和終止位置，確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關。編碼器碼制：二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼（格雷碼）等。,3.二進制碼盤：,碼道：數(shù)量等于二進制碼的位數(shù)n碼盤的分辨率：=360/2n，例如：4位二進制碼盤，其最小分辨的角度=360/2422.5。零位對應于0000；,最外圈一共分成24=16個（4位二進制碼盤）間隔。共有16個角度方位，每一個角度方位對應于不同的編碼。,二進制碼盤的誤差,當某一較高的數(shù)碼改變時，例：01111000，hi所有低位數(shù)碼均需同時改變。當電刷進出導電區(qū)的先后不一致時，就會造成非單值粗誤差，例：011101011000消除非單值誤差的辦法采用循環(huán)碼(格雷碼),4、格雷碼（循環(huán)碼）,（1）格雷碼特點：從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。,（2）二進制碼盤與格雷碼（循環(huán)碼）碼盤比較,格雷碼碼盤從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。,（3）格雷碼碼盤特點,n位格雷碼碼盤，與n位二進制碼盤一樣，有2n種不同編碼，最小分辨率=360/2n。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得格雷碼碼盤獲得了廣泛的應用。,例：機械編碼器,21mm,無需A/D轉(zhuǎn)換垂直和水平安裝操作速度：最大50R/Min,10.3.2旋轉(zhuǎn)光電式編碼器,光電式編碼器使用光電元件，其測量精度和分辨率能達到很高水平。,1-光源；2-柱面鏡；3-碼盤；4-狹縫；5-光電元件,光電式編碼器構(gòu)成,碼盤：光學玻璃，透光/不透光（同心碼道）照相腐蝕光源：LED光學系統(tǒng)平行光投影精確光電元件：硅光電池，光電晶體管,特點：高精度、高分辨力、可靠性好,原理：平行光源碼盤光電元件電信號輸出,插值法提高分辨率,增加碼道數(shù)n，可提高測量精度和分辨率，最外圈刻線數(shù)2n，受制造工藝限制，400mm的20位碼盤，最外圈碼道節(jié)距僅為2m，采用光學分解技術(插值法)，提高分辨率。例如，在14位的碼道上增加1條專用附加碼道，,14位內(nèi)碼道和一條專用附加碼道的19位光電編碼器,插值器產(chǎn)生16個正弦波信號，每兩個正弦信號之間的相位差為/8，從而在14位編碼器的最低有效數(shù)值間隔內(nèi)插入了32個精確等分點，即相當于附加5位二進制數(shù)的輸出，,使編碼器的分辨率從214提高到219，角位移小于3秒。,數(shù)字式傳感器產(chǎn)品,一、旋轉(zhuǎn)編碼器及連軸器,M系列FMAA,X系列FXAA,K系列FKA,T系列FTA,旋轉(zhuǎn)編碼器2,海德漢編碼器,利用有規(guī)則的標尺載體作為測量基準，這些刻線是制作在玻璃或鋼制材料的。轉(zhuǎn)數(shù)至10，000轉(zhuǎn)/分，大多使用玻璃；更高的轉(zhuǎn)數(shù)至40，000轉(zhuǎn)/分時，則使用鋼轂。對于大直徑的編碼器，用鋼帶作為刻線載體。,光電編碼傳感器應用舉例1：鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計,是目前油田浮頂式儲油罐液位測量普遍應用的一種測量設備在量程超過20m的應用環(huán)境中，液位測量分辨率仍可達到1mm。這種測量設備主要有：編碼鋼帶、讀碼器、卷帶盤、定滑輪、牽引鋼帶用的細鋼絲繩及伺服系統(tǒng)等。,編碼鋼帶的一端系在細鋼絲繩上，,細鋼絲繩繞過定滑輪系在大罐的浮頂上,編碼鋼帶的另一端繞過大罐底部的定滑輪纏繞在卷帶盤上。,自動測量過程,當大罐液位下降時，細鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力增大，卷帶盤在伺服系統(tǒng)的控制下放出盤內(nèi)的編碼鋼帶；當大罐液位上升時，細鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力減小，卷帶盤在伺服系統(tǒng)的控制下將編碼鋼帶收入卷帶盤內(nèi)。,讀碼器可隨時讀出編碼鋼帶上反應液位位置的編碼。經(jīng)處理后進行就地顯示，或以串行碼的形式發(fā)送給其它設備。,插值細分技術提高編碼鋼帶的分辨率,設：分辨率為1mm最低位碼道刻線間隔，設15個碼道，測量范圍：215132768mm32.768m加工工藝難度較大，編碼鋼帶強度較低，使用不便。需采用插值細分技術以減少碼道數(shù)量，增加最低碼道的數(shù)據(jù)寬度。最低碼道寬度增加到5mm，應用插值細分技術以獲得1mm的分辨率在量程為20m的條件下，碼道數(shù)量將減少到12個測量范圍：21252048mm20.48m,光電旋轉(zhuǎn)編碼器的應用實例2鼠標,它是一款真正意義上的機械鼠標。它的工作原理也很簡單：在鼠標底部裝有兩個相互垂直的樞軸，每個樞軸帶動一個機械變阻器。鼠標位置的移動會使變阻器的的阻值發(fā)生變化，由此便可以得到X與Y軸的位移信號。通過反饋的信號系統(tǒng)會判斷出鼠標的移動狀況。,世界上的第一款鼠標,1968年12月9日，世界上第一款鼠標誕生于加利福尼亞。,光機式鼠標是光學機械混合鼠標器。,其工作方式與光電式有些不同，結(jié)合了機械鼠的一些特點：鼠標內(nèi)置了二個滾軸，分別是X方向滾軸和Y方向滾軸,這兩個滾軸都與一個可以滾動的小球接觸，當小球滾動時便帶動了兩個滾軸轉(zhuǎn)動，兩個滾軸頂端都裝一個邊緣開槽的光柵輪。,當光柵輪被帶動時,LED發(fā)出的光線通過光柵輪的開槽透光，未開槽不透光，從而使光敏三極管產(chǎn)生高低電平，形成脈沖信號。,通過鼠標的控制芯片轉(zhuǎn)換處理后被CPU接收并對其計數(shù)。,互相垂直的傳動軸分別對應著屏幕上的橫軸和縱軸，脈沖信號的數(shù)量和頻率決定了鼠標在屏幕上移動的距離和速度。,光電鼠標的工作原理,在光電鼠標內(nèi)部有一個發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面。然后將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過一組光學透鏡，傳輸?shù)揭粋€光感應器件（微成像器）內(nèi)成像。當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。,光電鼠標通常由以下部分組成,光學感應器、光學透鏡、發(fā)光二極管、輕觸式按鍵、滾輪、連線、PS/2或USB接口、接口微處理器等。,光電鼠標上的翻頁滾輪,滾輪位置上，“藏”有一對光電“發(fā)射/接收”?！皾L輪”上帶有柵格，由于柵格能夠間隔的“阻斷”這對光電“發(fā)射/接收”裝置的光路，這樣便能產(chǎn)生翻頁脈沖信號，,光電鼠標,微動開關、滾輪,微動開關,光學組件,發(fā)光二極管光學傳感器發(fā)光二極管所發(fā)出的光會被透鏡折射到桌面上，然后再反射給光學傳感器上成像。,光學透鏡組件由一個棱光鏡和一個透鏡組成,光學感應器背面的小孔用來接收由鼠部底部的光學透鏡傳送過來的圖像,光電鼠標的背面外上的殼圓形透鏡很像一個攝像頭,End,