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傳感器技術(shù)及應(yīng)用機(jī)械06機(jī)電方向,2008～2009第二學(xué)期2009年4月,10.3編碼器,編碼器：將機(jī)械位移模擬量轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)，這類(lèi)傳感器稱(chēng)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(duì)應(yīng)的數(shù)字碼編碼器特點(diǎn)：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(cè)量用累計(jì)脈沖數(shù)表示，需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)才能完成角位移的測(cè)量。絕對(duì)編碼器——輸出為與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和計(jì)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(pán)簡(jiǎn)單，一般只需三條碼道計(jì)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(cuò)開(kāi)半個(gè)扇區(qū)Z碼道——提供基準(zhǔn)位置,按距離編碼的參考標(biāo)記,為不等距參考標(biāo)記。移過(guò)兩個(gè)相臨的參考標(biāo)記后，后續(xù)電子設(shè)備就可以找到絕對(duì)位置。作用：縮短找參考點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程，,,三、絕對(duì)編碼器,1．結(jié)構(gòu)與工作原理碼盤(pán)：制作有某種碼制的圖形。工作原理：對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)角位置，產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出。測(cè)量時(shí)，可根據(jù)碼盤(pán)的起始和終止位置，確定角位移，而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。編碼器碼制：二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼（格雷碼）等。,3.二進(jìn)制碼盤(pán)：,碼道：數(shù)量等于二進(jìn)制碼的位數(shù)n碼盤(pán)的分辨率：α=360/2n，例如：4位二進(jìn)制碼盤(pán)，其最小分辨的角度α=360/24≈22.5。零位對(duì)應(yīng)于0000；,最外圈一共分成24=16個(gè)（4位二進(jìn)制碼盤(pán)）間隔。共有16個(gè)角度方位，每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。,二進(jìn)制碼盤(pán)的誤差,當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí)，例：0111?1000，h?i所有低位數(shù)碼均需同時(shí)改變。當(dāng)電刷進(jìn)出導(dǎo)電區(qū)的先后不一致時(shí)，就會(huì)造成非單值粗誤差，例：0111?0101?1000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(diǎn)：從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。,（2）二進(jìn)制碼盤(pán)與格雷碼（循環(huán)碼）碼盤(pán)比較,格雷碼碼盤(pán)從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。,（3）格雷碼碼盤(pán)特點(diǎn),n位格雷碼碼盤(pán)，與n位二進(jìn)制碼盤(pán)一樣，有2n種不同編碼，最小分辨率α=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(gè)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(gè)比特。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得格雷碼碼盤(pán)獲得了廣泛的應(yīng)用。,例：機(jī)械編碼器,Φ21mm,無(wú)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(cè)量精度和分辨率能達(dá)到很高水平。,1---光源；2---柱面鏡；3---碼盤(pán)；4---狹縫；5---光電元件,光電式編碼器構(gòu)成,碼盤(pán)：光學(xué)玻璃，透光/不透光（同心碼道）→照相腐蝕光源：LED→光學(xué)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(diǎn)：高精度、高分辨力、可靠性好,原理：平行光源→碼盤(pán)→光電元件→電信號(hào)輸出,插值法提高分辨率,增加碼道數(shù)n，可提高測(cè)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(pán)，最外圈碼道節(jié)距僅為2?m，采用光學(xué)分解技術(shù)(插值法)，提高分辨率。例如，在14位的碼道上增加1條專(zhuān)用附加碼道，,,14位內(nèi)碼道和一條專(zhuān)用附加碼道的19位光電編碼器,插值器產(chǎn)生16個(gè)正弦波信號(hào)，每?jī)蓚€(gè)正弦信號(hào)之間的相位差為π/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(gè)精確等分點(diǎn)，即相當(dāng)于附加5位二進(jìn)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FMA－A,X系列FXA－A,,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(biāo)尺載體作為測(cè)量基準(zhǔn)，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(shí)，則使用鋼轂。對(duì)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(yīng)用舉例1：鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計(jì),是目前油田浮頂式儲(chǔ)油罐液位測(cè)量普遍應(yīng)用的一種測(cè)量設(shè)備在量程超過(guò)20m的應(yīng)用環(huán)境中，液位測(cè)量分辨率仍可達(dá)到1mm。這種測(cè)量設(shè)備主要有：編碼鋼帶、讀碼器、卷帶盤(pán)、定滑輪、牽引鋼帶用的細(xì)鋼絲繩及伺服系統(tǒng)等。,編碼鋼帶的一端系在細(xì)鋼絲繩上，,細(xì)鋼絲繩繞過(guò)定滑輪系在大罐的浮頂上,編碼鋼帶的另一端繞過(guò)大罐底部的定滑輪纏繞在卷帶盤(pán)上。,自動(dòng)測(cè)量過(guò)程,當(dāng)大罐液位下降時(shí)，細(xì)鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力增大，卷帶盤(pán)在伺服系統(tǒng)的控制下放出盤(pán)內(nèi)的編碼鋼帶；當(dāng)大罐液位上升時(shí)，細(xì)鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力減小，卷帶盤(pán)在伺服系統(tǒng)的控制下將編碼鋼帶收入卷帶盤(pán)內(nèi)。,讀碼器可隨時(shí)讀出編碼鋼帶上反應(yīng)液位位置的編碼。經(jīng)處理后進(jìn)行就地顯示，或以串行碼的形式發(fā)送給其它設(shè)備。,插值細(xì)分技術(shù)提高編碼鋼帶的分辨率,設(shè)：分辨率為1mm＝最低位碼道刻線間隔，設(shè)15個(gè)碼道，測(cè)量范圍：2151＝32768mm＝32.768m加工工藝難度較大，編碼鋼帶強(qiáng)度較低，使用不便。需采用插值細(xì)分技術(shù)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(yīng)用插值細(xì)分技術(shù)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(gè)測(cè)量范圍：2125＝2048mm＝20.48m,光電旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用實(shí)例2——鼠標(biāo),它是一款真正意義上的機(jī)械鼠標(biāo)。它的工作原理也很簡(jiǎn)單：在鼠標(biāo)底部裝有兩個(gè)相互垂直的樞軸，每個(gè)樞軸帶動(dòng)一個(gè)機(jī)械變阻器。鼠標(biāo)位置的移動(dòng)會(huì)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(hào)。通過(guò)反饋的信號(hào)系統(tǒng)會(huì)判斷出鼠標(biāo)的移動(dòng)狀況。,世界上的第一款鼠標(biāo),1968年12月9日，世界上第一款鼠標(biāo)誕生于加利福尼亞。,?光機(jī)式鼠標(biāo)是光學(xué)機(jī)械混合鼠標(biāo)器。,其工作方式與光電式有些不同，結(jié)合了機(jī)械鼠的一些特點(diǎn)：鼠標(biāo)內(nèi)置了二個(gè)滾軸，分別是X方向滾軸和Y方向滾軸,這兩個(gè)滾軸都與一個(gè)可以滾動(dòng)的小球接觸，當(dāng)小球滾動(dòng)時(shí)便帶動(dòng)了兩個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)滾軸頂端都裝一個(gè)邊緣開(kāi)槽的光柵輪。,當(dāng)光柵輪被帶動(dòng)時(shí),LED發(fā)出的光線通過(guò)光柵輪的開(kāi)槽透光，未開(kāi)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(hào)。,通過(guò)鼠標(biāo)的控制芯片轉(zhuǎn)換處理后被CPU接收并對(duì)其計(jì)數(shù)。,互相垂直的傳動(dòng)軸分別對(duì)應(yīng)著屏幕上的橫軸和縱軸，脈沖信號(hào)的數(shù)量和頻率決定了鼠標(biāo)在屏幕上移動(dòng)的距離和速度。,光電鼠標(biāo)的工作原理,在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，通過(guò)該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部表面。然后將光電鼠標(biāo)底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過(guò)一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€(gè)光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專(zhuān)用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。,光電鼠標(biāo)通常由以下部分組成,光學(xué)感應(yīng)器、光學(xué)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(biāo)上的翻頁(yè)滾輪,,滾輪位置上，“藏”有一對(duì)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(duì)光電“發(fā)射/接收”裝置的光路，這樣便能產(chǎn)生翻頁(yè)脈沖信號(hào)，,,,光電鼠標(biāo),微動(dòng)開(kāi)關(guān)、滾輪,微動(dòng)開(kāi)關(guān),,光學(xué)組件,發(fā)光二極管光學(xué)傳感器發(fā)光二極管所發(fā)出的光會(huì)被透鏡折射到桌面上，然后再反射給光學(xué)傳感器上成像。,,,光學(xué)透鏡組件由一個(gè)棱光鏡和一個(gè)透鏡組成,光學(xué)感應(yīng)器背面的小孔用來(lái)接收由鼠部底部的光學(xué)透鏡傳送過(guò)來(lái)的圖像,光電鼠標(biāo)的背面外上的殼圓形透鏡很像一個(gè)攝像頭,,,,End,