光纤数字编码器

这 说 明 arcsinNA 是 一 临 界 角 , 凡 入 射 角 θi ＞ arcsinNA 的那些光线进入光纤都不能传播而在 包层消失；相反 , 只有入射角 θi ＜ arcsinNA 的 光线才可进入光纤被全反射传播
光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理
传统传感器的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以 及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信 号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的 )、 光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。 由光发送器发出的光经源光 纤引导至敏感元件。这时， 光的某一性质受到被测量的 调制，已调光经接收光纤耦 合到光接收器，使光信号变 为电信号，最后经信号处理 得到所期待的被测量。
n2
θ
n2
n1 θ
θ
i
r
(b)临界状态示意图 θ
i
r
n1
(c)光全反射示意图
当θ i＞θ i0并继续增大时，θ r＞90º ，这时便发生全反射 现象，如图(c) ，其出射光不再折射而全部反射回来。 5
斯乃尔定理
***当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
（a）折射角大于入射角：
（b）临界状态：
n1 sin i n2 sin r
光电编码器或光栅测量直线位移，若当量值为0.01 mm，
计数值为200时则位移为2.00 mm，分辨力为0.01 mm。增量 式测量的缺点是：一旦中途断电，将无法得知运动部件的
绝对位置。
3、增量式输出的脉冲波形
增量式测量得到的脉冲波形 在增量式测量中，移 动部件每移动一个基本 长度单位，位置传感器 便发出一个测量信号， 此信号通常是脉冲形式。 这样，一个脉冲所代表 的基本长度单位就是分 辨力，对脉冲计数，便 可得到位移量。
2、增量式编码器
增量式编码器测量输出的是当前状态与前一状 态的差值， 即增量值。 它通常是以脉冲数字形式 输出， 然后用计数器计取脉冲数。 它需要规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测
物理量的值，同时它还要确定一个零位标志，即测量的起
始点标志。这样，被测量就等于当量值乘以自零位标志开 始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。例如，用增量式
绝对式测量的特点是：每一被测点都有一个对应的编码，
常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新 上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有 绝对式角编码器。
增量式测量装置只测量位移增量，即 工作台每移动一个基本长度单位，检 测装置便发出一个检测信号，此信号 通常是脉冲形式。增量式检测装置均 有零点标志，作为基准起点。数控机 床采用增量式检测装置时，在每次接 通电源后要回参考点操作，以保证测 量位置的正确，大多数数控机床采用 这种测量方式。
光纤传感器可测量位移、速度、 加速度、液位、应变、压力、 流量、振动、温度、电流、电 压、磁场等物理量
1、斯乃尔定理（Snell's Law）
当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射， 如图(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θ r＞θ i。
n1、n2、θ r、θ i之间的数学关系为
图 接触式格雷码盘
采用循环码制可以消除非单值误差。其编码如前表所示。 循环码的特点是任意一个半径径线上只可能一个码道上会有数 码的改变，这一持点就可以避免制造或安装不精确而带来的非 单值误差。如图所示。
2、光电式码盘
光电式码盘亦称脉冲式角度—数字 编码器， 其结构示意图如图所示。 在 一个圆盘上按码道开有相等角距的缝隙， 在码道上分为透明区和不透明区， 分别 代表“1”和“0”， 相当于接触式码盘的 导电区和不导电区。 在开缝圆盘两边分 别安装光源及光敏元件， 相当于接触式 码盘的电源和电刷。 其测量方法与接触 图 光电式码盘 式码盘相似。 光电式码盘的优点是无触点磨损， 因而允许高转速； 每条缝隙宽度可做得很小， 所以精度和分辨率很高， 单个 码盘可做到18位，组合码盘达22位。 其缺点是结构复杂、 价格昂贵、 光源寿命短。
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
10码道光电绝对式码盘
透光区
不透光区
绝对式码盘与增量 式码盘有何区别？
零位标志
转轴
LED
增量式编码器 光栏板及辨向用的A、B狭缝
A A C
B
光敏元件
B C
盘码及 狭缝 零位标志
增量式编码器原理动画演示
1．辨向信号和零标志 光栏板上的两个狭 缝距离是码盘上的两个 狭缝距离的（m +1/4）
电 源 导线 信号处理 信号接收 （a）传统传感器 光发送器 光纤 信号处理 光接收器 敏感元件 敏感元件
（b）光纤传感器
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传统传感器是以机—电测量为基础， 而光纤传感器则以光学测量为基础。 （1）根据光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型 三大类。
1）功能型（全光纤型）光纤传感器 光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因 素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、 相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感” 的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光 纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。
D 十进制 B 二进制 R 格雷码 D 十进制 B 二进制 R 格雷码
0 1 2 3 4 5 6 7
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
8 9 10 11 12 13 14 15
1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
3、电磁式码盘
它是在导磁体(软铁)圆盘上用腐蚀的方法做成一定的 编码图形，把码道分为导磁区和非导磁区。再用一个很小 的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流 激励，副边产生感应电动势。显然各磁头感应电动势与被 测物体转动的角度相对应。
数字式编码器的应用
1—增量式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件 6—刀具
一、光纤传感器
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是基于光导纤 维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产 物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器 用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的 媒质。
1
它同时具有光纤及光学测量的特点: ①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。
分辨力为
360 n
1 n
分辨率为
二、绝对式光电编码器

绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数 字代码表示。

根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组 成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。
绝对式光电编码器原理动画演示
格雷码和自然二进制码的比较表
倍，m 为正整数，并设
置了两组光敏元件A、B， 又称为sin、cos元件。 在前图的码盘里圈，还有一个狭缝 C ，每转 能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号” 或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
2．增量式光电编码器的分辨力及分辨率 测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这 与码盘圆周上的狭缝条纹数 n 有关，即最小能分 辨的角度及分辨率为：
n0
O B
θ
i
E C θ θ θ j k D
r
K G n2 F O
n1
A
光纤导光示意图
n0sinθi=n1sinθj
---1
n1sinθ k=n2sinθ r -----2 n1cosθj=n2sinθr ---3 sinθ i=(n1/n0)sinθ sinθ k=(n2/n1)sinθ
j r
8
n1sinθi=n2sinθr 可见，入射角 θ i 增大时，折射角 θ r也随之增大，且始终θ r＞θ i。
n2 n1 θ θ
r
i
(a)光的折射示意图
当 θ r=90º 时， θ i 仍＜ 90º ，此时， 出射光线沿界面传播如图（ b ）， 称为临界状态。这时有 sinθ r＝sin90º ＝1 sinθi0=n2/n1 θi0=arcsin(n2/n1) 式中：θ i0——临界角
光学纤维
(a) 原理
光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝.
光进入光学纤维后,多次 在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另 一端.
2 i
阶跃光学纤维的端面
n0
B A
nc
nc
பைடு நூலகம்
nc ng
i
i
ng
2 1 2 2
sin i 0 n n
递的光束的入射角.
n0 sin i0 称为光学纤维的数值孔经NA，它决定了可经光学纤维传
光纤 信号处理 光受信器 敏感元件
3）拾光型光纤传感器
用光纤作为探头，接收由 被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。其典型例子如光纤 激光多普勒速度计、辐射式光 纤温度传感器等。
光发送器 光受 信器
耦合器
信号 处理
光纤
被测对象
二、数字式编码器的输出形式
1、绝对式编码器 绝对式编码器是按位移量直接进行编码的转 换器,其精度达1%。它的结构和原理可分为接触式、 光电式和电磁式。 绝对式编码器将被测点的绝对位置转换为二 进制的数字编码输出， 即便中途断电， 重新上 电后也能读出当前位置的数据。 显然， 若要求 的分辨力越高、 量程越大，二进制的数位就越多， 结构就越复杂。
光发送器
光纤敏感元件
信号处理 光受信器
2）非功能型（或称传光型）光纤传感器