传感器总结ppt

1、 检测技术 是研究信息的提取、转换及其处理的一门应用技术科学。一个完整的检测系统包括三部分：传感器 、信号调理器 和输出单元 . 传感器：将被测量（非电量）转换成电信号的器件或装置，一般由敏感元件、转换元件及其辅助部分组成。它涉及物理、化学、生物等多学科原理与知识，是检测系统中最重要的环节，决定着检测器的主要特征。 信号调理器：对传感器输出的电信号进行加工处理的单元，目的是使电信号规范化、标准化，便于与后续显示或应用环节衔接。主要有放大、滤波、非线性处理和信号变换等几大功能块，使用的工具主要是电子技术和计算机技术。 输出单元：对经过信号调理后的电信号进行显示、记录，或者传输至数据通信接口、控制

2、执行装置等环节。这些涉及仪表、控制、计算机等学科领域，主要的问题有信号显示、数据采集与接口等。 传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 传感器的功能和作用：面对各种各样的被测量，如热、光、力、磁、速度、湿度、浓度等，将它们正确地反映出来，并加以量化表述，然后将此信号输出，或显示，或实施，或提供给决策单元。 传感器一般由敏感元件、转换元件及其辅助环节组成。其中，敏感元件直接感受和响应被测量，其输出可能是电量，也可能是另一非电量，但它们与被测量有对应关系；转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（如电阻、电感等）或者电

3、量；辅助环节主要是支持被测量转换成电量的部分，例如，如果转换元件的结果是电路参数，该环节就将电路参数转换为电量，如电压、频率等形式。 按工作原理分的传感器 传感器静态特性：当被测量的各值处在稳定状态的时候，传感器的输出值与输入值之间的数学表达式、曲线或数表所表述的主要性质。描述传感器的静态特性的基本参数和技术性能指标有：灵敏度、阈值、分辨力、线性度、滞后度、精度等。灵敏度 定义：传感器在稳定条件下，输出变化量与输入变化量之比。对于线性传感器，灵敏度为：这里 K 为常数， 为输入变化量， 为输出变化量。 静态特性曲线 （直线）的线斜率越大，其灵敏度越高。 阈值：传感器的输入从零开始缓慢增加时，达

4、到某一最小值才使传感器输出变化，称此最小输入值为阈值，该值为传感器最小可测出的输入量。 分辨力：传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，超过某一输入增量后输出才变化,该输入增量称为传感器的分辨力。它说明传感器可测出的最小输入变量。该值除以满量程输入值，然后乘 100% 即为分辨率。线性度（非线性误差）定义：在规定条件下，输入-输出特性曲线与理论（拟合）直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比，称为线性度。校准曲线与拟合直线间的最大偏差；系统满量程输出滞后度定义：传感器输入量增大行程（正行程）和输入量减小行程（反行程），输出输入特性曲线不重合，称为滞后。滞后误差又称回程误差，或者变差：漂移定义

5、：是指在一定工作条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间或温度变化而出现的缓慢变化程度。它反映传感器的稳定性。产生原因是传感器结构或者环境。系统满量程输出零漂 ：输入为零时产生的漂移。时漂：随时间变化而出现的漂移；温漂：随环境温度变化而出现的漂移；精确度 精密度：对具有某特点的被测量，由同一人、用同一传感器在短时间内连续重复测量多次，以检验测量结果的分散程度。它表示随机误差大小。 准确度：传感器输出值与真值的偏离程度。 精确度：简称精度，它是精密度和准确度的综合，即系统误差和随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度。精确度涉及真值，由于真值的不可知性，所以它仅是一个定性的概念。误差存在的普

6、遍性： 实验方法、实验设备的局限性，周围环境的影响，人为因素，测得的数值和真值之间总存在一定差异，在数值上表现为误差 。误差存在的必然性： 随着科技的水平的不断进步和人类认识水平的发展，误差被控制得越来越小，但始终不能完全消除，即误差是不受人们的主观影响而客观存在的。 式中 x 测量误差 x 测量结果 x0 真值 测量结果与被测量真值之差。测量误差： 测量误差绝对误差。 绝对误差 (测量误差)： 相对误差（示值误差、读数误差 “R”）：测量的绝对误差与被测量的真值之比，又分实际相对误差和标称（示值）相对误差。 （当绝对误差很小时）引用误差：（满度误差、额定误差）“FS” 式中：xm最大刻度与最

7、小刻度之差(量程) DN50 的浮子流量计的流量测量范围：1.616m3/h,其引用误差为1.5%，则测量下限时的读数误差为多少？解：引用误差： 绝对误差： 测量下限1.6m3/h时的读数误差：说明：读数误差更能反映当前测量值的准确性。准确度等级：（行业标准） 0.1级,0.2级,0.5级,1级,1.5级，由误差的性质和大小决定。等级归属：就低原则 若误差刚好在两极之间，则该仪表应归属于最接近的精度较低的一级，如引用误差为0.3%归属0.5级。按特性规律分类：系统误差、随机误差、粗大误差 系统误差（System error） - 有规律可循 由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生，如

8、装置、环境、动力源变化、人为因素。 理论分析/实验验证 - 原因和规律 - 减少/消除 随机误差（Random error） 因许多不确定性因素而随机发生 偶然性（不明确、无规律） 概率和统计性处理（无法消除/修正） 粗大误差（Abnormal error）检测系统各组成环节发生异常和故障等引起异常误差-混为系统误差和随机误差-测量结果失去意义分离 - 防止 测量误差的处理基本原则：予以消除或减小。能够消除的，应该消除；消除不了的，或者要付出过高代价才能消除的，应予以减小。随机误差的定义： 在测量的过程中，因存在许多随机因素对测量造成的干扰，而使得测量附加有大小和方向都难于预测的测量误差。条件

9、：测量次数足够多；仪器精度和灵敏度足够高。性质：有界性、单峰性、对称性、抵偿性1. 随机误差及其处理测量列：对某一固定量做n 次测量，测得x1,x2,x3.,xn，称为测量列，其概率密度函数为真值，期望值:均方根误差/标准误差 实践和理论证明，大量的随机误差服从正态分布规律。真实值与算术平均值根据随机误差的抵偿特征，即 ，于是 可见，当测量次数很多时，算术平均值趋于真实值。测量次数越多，算术平均值受随机误差的影响越小。因此可用多次测量的算术平均值代替真值。系统误差原因： 由于测量设备、试验装置不完善，或安装、调整、使用不得当引起的误差。如测量仪表未经校准投入使用。 由于外界环境影响而引起的误差

10、。如温度漂移、测量现场电磁场的干扰等。 由于测量方法不正确，如使用大惯性仪表测量脉动气流的压力，则测量结果不可能是气流的实际压力，甚至也不是真正的时均值。 测量人员方面因素引起误差。如测量者在刻度上估计读数时，习惯偏于某一方向；动态测量时，记录某一信号有滞后的倾向。特点：再现性 - 偏差（Deviation）理论分析/实验验证 - 原因和规律 - 减少/消除粗大误差定义：粗大误差是指不能用测量客观条件解释为合理的那些突出误差，歪曲测量结果。原因： 测量者的主观原因，测量时操作不当或粗心、疏忽造成读数、记录的错误； 客观外界条件的原因，测量条件意外的改变如机械冲击、振动、电源大幅度波动等引起示值

11、的改变。最常用的方法： 粗大误差准则：即采用去掉最大、最小值，再取平均值的方法。 拉伊特准则、格拉布斯准则练习1：DN100 的超声波流量计的流速测量范围：030m/s, 其满度误差为0.2%，则流速3m/s、1m/s、0.5m/s 时的读数误差为多少？练习2：在有机分析中，测得某化合物含氢的百分比为：2.75，2.76，2.79，2.78，2.76，2.78，2.74，2.76，2.74，试给出测量结果的最佳表达式？并用 t 分布估计精度参数？ 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性元件组合起来的传感器。 电阻应变式传感器的应变片可分为金属电阻应变片和半导体式应变片。 单

12、根导线的电阻 ：电阻率、长度L和截面积，其关系： 在均匀拉伸应力的作用下，导线电阻的相对变化量为： 电容式传感器（capacity transducer/sensor）是以电容器作为传感元件，将被测物理量转换为电容的变化量，再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且可以用于压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。优点： 精度可达0.075。 灵敏度高：利于微压测量。 动态响应好：适合动态信号测量。 C/C相对变化量大：3050 输出信号大、抗干扰能力强。 结构简单，环境适应性强，工作稳定性优良。 抗过载能力强，过载消

13、除后可恢复正常工作。非接触式测量。缺点： 安装方位有影响； 存在分布电容的影响； 测量膜片工作特性存在非线性。 制造难度大：（微位移：0.1mm），加工精度要求高。 开环 误差按1：1 传递。膜片微小蠕变、测量电路误差 影响整机性能。陶瓷电容压力传感器（变送器） 传感器基底和膜片都采用陶瓷，衬底和膜片电极构成电容，中间无传递液，压力直接作用在陶瓷膜片上。其优点是安装位置无影响，无污染，抗腐蚀性好、温漂小、过载能力强，可测量低微压力；缺点差压传感器制作困难。硅电容压力传感器（变送器） 对称的差动电容被刻蚀到单晶硅片上，压力使硅片弯曲，电容器两极间的距离发生了改变，传感器的电容值相应的也变了。这种

14、传感器兼有电容式和硅传感器的优点，国内外都是研究热点，并有相关产品，如富士、沈阳传感器研究所等都在研究生产，具有很大发展前景。 上式表明，当线圈匝数为常数时，电感 L仅仅是磁路中磁阻Rm 的函数，改变 或 S 均可导致电感变化。因此，气隙式传感器又分为变气隙厚度 的变间隙式传感器和变气隙面积 S 的变面积式传感器。因为变化的都是磁阻，所以气隙式传感器又称为变磁阻式传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的变间隙式电感传感器。交流电桥的特点是： 1电桥输出与间隙变化量 有关，并有正比关系；2) 桥路输出与电桥电压 U 有关，桥压U 升高，输出 U0 增加；3) 桥路输出与初始间隙 有关，初始间隙越小

15、输出越大。互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。这种传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。是根据变压器的基本原理制成的，采用两个二次绕组的同名端反向串接，以差动形式输出，故又称差动变压器式传感器。 一、二次绕组间的互感随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。互感式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。热电式传感器基本原理 热电式传感器是一种将温度量转换成电信号的装置，它利用某些材料或元件随着温度变化其自身参数发生变化的特性进行测温。（1）将被测温度的变化转换成这些元件的电阻变化、电势的

16、变化、磁导率变化或者热膨胀变化（2）经过相应的处理电路输出电压或电流热电式传感器的应用：1） 钢铁工业的炉温实时测量和控制；2） 现代化大型温室的温度监控；3） 啤酒发酵过程中的温度控制；普通型热电偶的结构：由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等组成。1）热电极的直径大小由材料价格、机械强度、导电率、热电偶的用途和测量范围等因素决定。2）绝缘管防止电极间短路，根据不同使用温度，选择相应的绝缘材料：如橡皮、塑料（6080）、玻璃丝、玻璃管（500）、石英管 (01300)、瓷管 (1400) 和氧化管，而最常用的是氧化铝和耐火陶瓷等。3）保护管用来隔离热电极与被测温介质，保护热电偶感温元件免受被

17、测温介质化学腐蚀和机械损伤的装置。常用的保护管材料有两类：金属和非金属。金属常用铝、铜、铜合金、不锈钢、镍等高温合金材料，非金属材料有石英、高温陶瓷、氧化铝（镁）等，应根据需要选择。4）接线盒供热电偶与补偿导线连接之用。铠装型热电偶的结构：热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。测温范围：通常在1100以下。优点：测温端热容量小，因此热惯性小、动态响应快、寿命长、机械强度高、弯曲性好，可安装在结构复杂的装置上。薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶。薄膜热电偶的接点可以做得很小、很薄，具有热容量小，响应速度快等特点。

18、适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度的测量，测温范围在300以下。1） 冰点法T0=0C 精度最高； 溯源性好，用于热电偶校准。热电偶接上补偿导线和测量仪表后总的热电势不变。但是，使用补偿导线必须注意以下几点：热电偶与补偿导线的热电特性必须相同；一般热电偶与补偿导线要配套使用，不能随便乱接；热电偶与补偿导线都有正、负极性，在使用时，热电偶的正极接补偿导线的正极，负极接负极，不能反接；补偿导线使用温度不能过高； 采用补偿电桥对冷端温度进行补偿应注意以下几点： 不同型号的补偿器只能与相应的热电偶配用，只能补偿到固定温度； 注意正负极性不能接反； 仅能在规定的温度范围内使用，通常为 04

19、0 。 热电阻测温原理原理：利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来测量温度。实验证明： 多数金属导体在温度升高1时，阻值变化 0.4% 0.6%； 多数具有负温度系数的半导体在温度升高1时，阻值变化 3% 6%； 多数导体或半导体电阻值随温度变化的关系式为：测温范围： -2005001、热电阻的材料 电阻温度系数要大：单位1/，定义为： 越大制成的温度计的灵敏度越高测量结果越准确； 一般非常数， 不同温度数值不同 =f(T) ； 材料越纯,越大。 要求有较大的电阻率：因为电阻率越大电阻体积越小热容量和热惯性越小温度变化的响应越快。 在测温范围内，要求物理化学性质稳定。 复现性好、复

20、制性强、易得到纯净物质。 电阻值与温度间近似为线性关系，便于测温的分度和读数。 价格低。综上所述：铂、铜、铁、镍和一些半导体材料比较适合做热电阻。热电阻按材料分类（1） 铂热电阻特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9103W/C )。作用：工业测量，温度的基准、标准仪器。ITS-90国际温标规定，在13.81K961.78的标准仪器为铂电阻温度计。缺点：电阻温度系数小；在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆；价格昂贵。常用铂电阻分度号： Pt1000，Pt10

21、0和 Pt10两种热电阻对于低温和超低温测量性能不理想，而铟、锰、碳等热电阻材料却是测量低温和超低温的理想材料。 铟电阻用 99.999 高纯度的铟丝绕成电阻，可在室温至 4.2K 温度范围内使用。实验证明：在 4.215K 温度范围内，灵敏度比铂电阻高10倍；缺点是材料软，复制性差。锰电阻测温范围为 263K，电阻随温度变化大、灵敏度高。但材料脆，难拉成丝。碳电阻适合用液氦温域的温度测量，价廉，对磁场不敏感，热稳定性较差。半导体热敏电阻半导体热电阻热敏电阻。材料：常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物混合制成。 负温度系数NTC 正温度系数PTC 临界温度系数CTR热敏电阻的特点测温范围：

22、-100300优点： 电阻温度系数大，灵敏度高，约为 电阻率大，利于小型化，连接导线的影响可以忽略； 结构简单、体积小，可以用于测量点温度； 热惯性小，适用于表面温度及快速变化温度。不足：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。 进一步的发展依赖于半导体技术的发展和制造工艺水平的提高。热电阻测温电桥说明：为了消除金属热电阻（几欧几十欧范围）中的引线电阻和连接导线电阻受温度变化而改变其阻值大小，从而影响热电阻测温。测温电桥两线制、三线制、四线制接法。集成电路温度传感器是将作为感温器件的温敏晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器（integrated temperature se

23、nsor）。 优点：是测温精度高、复现性好、线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大、使用方便和成本低廉等。 缺点：是测量范围仅为 -80 150。 （1）模拟集成温度传感器时间：20世纪80年代问世；工艺：硅半导体集成工艺制作而成信号输出：模拟电压或电流。特点：测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。应用范围：最普遍2）智能温度传感器时间：20世纪90年代中期问世；名称：亦称数字温度传感器。是微电子技术、计算机技术和自动检测技术(ATE)的结晶构成：温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器

24、)和接口电路等集成在一片芯片上。有的产品还带多路选择器、 CPU。特点：测温范围150;输出温度数据及相关的温度控制量；在硬件的基础上，通过软件实现测试功能,其智能化程度也取决于软件的开发水平。发展新趋势：进入21世纪后,向高精度、多功能、高可靠性及安全性、总线标准化、虚拟传感器和网络传感器等高科技的方向迅速发展 磁敏传感器（magneto-dependent sensor）是利用半导体磁敏元件对磁场敏感的特性来实现磁电测量的。用磁场（magnetic field）作媒介，可以检测很多物理量，如位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。这类传感器不仅可以实现非接触测量，而且还不从磁场

25、中获取能量。在 作用下，电子运动会产生偏移。正负电荷的形成导致电场产生，称为霍尔电场，电场力方向由负电荷端指向正电荷端，大小为：霍尔效应是一种磁电效应，将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向将会产生横向电动势，这一现象被称作霍尔效应，相应的电动势被称作霍尔电动势其中， 为霍尔电动势，e为电子电荷量，b为材料块的宽度。霍尔器件的特点： uH 与 I 和 B 成正比； 随着d 下降，kH 会上升，所以，d 一般选得较小（薄）； 与电子浓度 n 有关，n 越大，RH 越小，所以霍尔片通常不用金属导体，而选半导体。金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低（自由

26、电子浓度n大），绝缘材料电阻率很高，但其载流子迁移率低，所以金属导体和绝缘体均不宜作霍尔元件，只有半导体材料最合适。N型半导体材料的载流子迁移率比P型的大，所以霍尔元件多采用N型半导体材料制成霍尔元件的主要技术参数 输入电阻Ri 和输出电阻Ro ： 输入电阻Ri指控制电流极间电阻，输出电阻Ro指霍尔电压极间电阻，它们的阻值范围为：1002000，两者相差不大。 额定控制电流Ic： 使霍尔元件在空气中产生10温升所施加的电流。它与霍尔元件尺寸有关：尺寸愈小，Ic愈小。一般额定控制电流为几至几十毫安。 霍尔元件几何尺寸对霍尔电动势uH 的影响： 前述的霍尔片的长宽尺寸大小对uH是有影响的，那里我们

27、假设长度 l 为无穷大，实际霍尔片的长宽比l/b是有限的、变化的，该比值大小直接影响霍尔电动势。实际情况是，霍尔电动势为 其中，fH(l/b) 为霍尔片形状系数，当霍尔片长宽之比l/b2时，有fH(l/b) 1。实际取值时，等于2即可，因为该比过大反而增大传感器输入功耗。另外，要求对霍尔元件的控制电流端电极有良好的面接触，霍尔元件输出端电极为点接触。 不等位电动势u0 ： 当不加外磁场时，应有霍尔片输出电动势为零，即 但实际上它并不为零，一般有 。产生这一现象的原因是霍尔片输出两电极不在同一等位面上（如图所示），以及材料电阻率不均匀。该现象导致的后果是：产生误差。补偿方法是外接电阻R和可调电阻

28、RP，并调节RP，使输出为零。 感应电动势： 当控制电流 I=0 时，变化的磁场 B 在输出回路中有附加感应电动势，其大小正比于磁感强度 B 的幅值和磁场变化频率，且与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比。感应电动势带来的后果是零位误差。 温度误差产生的原因：当温度变化时，由于霍尔元件的半导体材料电阻率、载流子的迁移率和浓度均随温度而变化，从而导致霍尔元件内阻Ri和输出电动势uH变化。解决方法：一、选用温度系数小的霍尔元件材料，或者采取恒温措施；二、用恒流源供电，减小元件内阻随温度变化而引起控制电流的变化；三、进行温度补偿。集成霍尔传感器将霍尔元件、放大器、温度补偿和稳压电源等集成在一块芯片上

29、，构成霍尔集成传感器，这样不仅结构紧凑，方便使用，而且减小误差、提高可靠性。按输出形式的不同，集成霍尔传感器可分为线性型和开关型两类。 1 霍尔开关集成器件 霍尔开关集成传感器内部结构如图所示。它由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和输出电路组成。霍尔传感器的输出特性（也称工作特性）如图所示，其中，BOP为工作点开始（即VT管导通）的磁感应强度，BRP为工作点关闭（VT 管截止）的磁感应强度，BH为磁滞宽度，它对开关动作的可靠性有好处，以防噪声干扰，开关误动作。当外加磁感应强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于打开状态，当外加磁感应强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处在关闭状态。

30、 霍尔元件用于乘方运算：仅需将电磁铁的线圈串入电流支路，使输入电流Ii 既形成磁感应强度B，又提供控制电流，于是获得 的关系。霍尔元件用于开方器：利用了平方负反馈原理。左图中，设放大器的放大倍数足够大，则有 ，于是有 。假如负反馈方框是用与上图相同的霍尔平方器构成，则输出电流正比于的平方根， 磁敏传感器 霍尔传感器、磁敏电阻、磁敏半导体传感器的工作原理分别是什么？他们的主要用途是什么？光栅传感器的分类 按光线路径不同，可分为透射（或称直射）光栅和反射光栅。透射光栅是在透明玻璃上均匀刻划间距、宽度相等的栅线形成的，反射光栅是在具有强反射能力的基体上，均匀刻划间距、宽度相等的栅线而成。 按光栅的形

31、状和用途不同，可分为长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度，它分为黑白光栅和闪耀光栅两种；圆光栅用于测量角度，它又进一步分为径向光栅和切向光栅，径向光栅是通过沿圆形基体周边在直径方向刻栅线形成，而切向光栅沿周边刻划的全部栅线均与光栅中央一个半径为r的圆相切。按物理原理，将光栅分为黑白光栅和相位光栅。光栅传感器的结构光栅传感器主要由光源、透镜、主光栅 (又称标尺光栅)、指示光栅、光电接收元件组成。光源：半导体发光二极管（如砷化镓发光二极管）工作温度：60100，发射光峰值波长：91009400 有较高转换效率和较快响应速度。 光栅副：主光栅一般固定在被测物上，指示光栅固定。主光栅与指示光栅的相对位移

32、量是被测物的位移量。测量精度取决于主光栅的精度。 光电接收元件：检测莫尔条纹的移动。一般采用光敏三极管，或者光电池。选择时应考虑元件的光谱特性与光源相匹配。莫尔条纹的几条特性：1）移动特性：主光栅的左右移动方向和距离与莫尔条纹的上下移动方向和长短相对应，移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距 B。2）放大作用：由 知，当 下降时，k上升，尽管 W 很小，但B 可以大到清晰。 3）误差平均效应：莫尔条纹是由大量栅线共同形成的，因而对刻度误差具有平均抵消作用，可在很大程度上消除由于刻线误差引起的局部和短周期误差影响，达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。 将电压信号进行放大和整形，变为脉冲信号，

33、对其进行计数，即为莫尔条纹移过的数目N，经式 可算得位移量x，从而完成测距过程。 辨向原理与电路在相隔1/4莫尔条纹间距B位置上，放两个光敏元件，获得相位相差90的两个正弦电压信号。然后送到辨向电路进而获得可判别被测物移动方向的脉冲个数（一个方向为加数，另一个方向为减数）。 图8-6 相距（1/4）B 的两个光电元件位置 辨向电路原理框图 在很多情况下，要求检测比一个栅距更小的位移量，这时该怎么办呢？解决方法：被测物体移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，光电元件有一个周期的电压变化，通过电路处理可以获得一个脉冲信号。假如能在此周期内，输出多个脉冲，将可以减小脉冲当量，提高分辨率。提高光栅传感器

34、分辨率的两种基本方法： 1）在光栅片面积不变的前提下，增加刻线密度，减小栅距。但是该方法受光栅刻线工艺的限制，就目前工艺水平看，栅线密度7千条/mm基本可实现，但要上万条就困难了。2） 采用细分技术，被测物移动一个栅距，均匀输出 n 个脉冲，则分辨率可以提高到W/n 。这种在一个莫尔条纹周期内有多个脉冲输出的方法，主要有电子细分法、光学细分法和机械细分法等几种。由于细分后，计数脉冲的频率提高了，所以也称为倍频直接细分法直接细分又称位置细分，细分数目通常是4。在一个莫尔条纹间距内，相隔B / 4放置4个光电元件，于是可获得4个相位依次相差90的正弦信号。在每个信号由负到正过零点时，发出一个计数脉

35、冲，经过整形，可得到4个相位依次相差90的方波信号，实现一个周期内4个脉冲。 另一种实现四细分的方法：在相距B / 4的位置上，放两个光电元件，获得相位相差 90的正弦交流信号u1 和u2 对其进行反相，并让 u3=-u1 、u4=-u2 。于是获得了相位依次相差90的4个正弦交流信号：u1、u2、u3 和 u4 。假设光栅正向移动时，或门Q1 输出4个计数脉冲，此时 Q2 无脉冲输出。 电阻电桥细分法 电阻电桥法也称矢量和法。如图，u1和u2 为光电元件的输出电信号，且 ， ，则有 设，则上式可以表述为用该信号去触发施密特电路，当 时，施密特电路被触发（过零触发），发出脉冲信号。这里 角按细

36、分数选择，即事先确定好 R1/R2 值。图8-11为电阻电桥10细分的示意图。 光栅传感器通常作为长度，尤其是微小距离，以及角度的测量工具，也用来测量速度、加速度、振动等物理量旋转编码器 编码器（coder，encoder）是一种按照给定代码产生信息表达形式的器件。按照被测物的物理形式，编码器分为直线位移编码器（码尺）和角位移编码器（旋转编码器/码盘。旋转编码器的转轴通常与被测轴连接，并随其一起转动，通过发出相应的方波信号，反映电动机的旋转角度，进而确定当前位置或转速。 按照编码方式的不同，编码器可分为绝对编码器和增量编码器。 绝对编码器通过读取编码盘上的明暗图案，将位置信息转化为数字量，每个

37、位置对应一个确定的数码，表明其绝对位置，其示值与测量的起止位置有关，而与测量的中间过程无关； 增量编码器又称脉冲盘式编码器，它将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 如果中途停电，增量编码器无法获知移动部件的绝对位置 按照信号的读出方式不同，编码器可分为接触式和非接触式。 接触式编码器采用电刷，用它接触导电区或非导电区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式用光敏元件或磁敏元件作接收元件，用其敏感区和非敏感区来表示代码的状态是“0”和“1 光电式编码器由光源、柱面镜、码盘和受光元件组成，其主要部件是码盘（如图）。在一块圆形玻璃盘上，用蚀刻工艺

38、刻出透光和不透光的码道。不透光的区是黑色的，可以代表“0”，透光区代表 “1”。 码盘的码道数就是数码的位数，且高位在内，低位在外。码道 n 越多，数码位越多，测量精度也越高。n 条码道能分辨的最小角度和分辨率分别为：和对于二进制码盘，由于码盘制作和光电元件安装的误差非常容易导致读数失误，产生粗大误差。解决办法主要有：一是采用二进制循环码盘（或称格雷码盘），二是用双读数头方式。下面说说采用二进制循环码盘。 循环码编码有一个特点，当十进制数变化一时，对应的二进制循环码只有一位代码变化，此时即便它因故不变，也只能造成一个当量的误差，对整个数的影响有限。由于循环码是一种无权码，因此在输出电路上要增加

39、循环码到二进制码的转换（译码）电路，或者用软件来实现转换。图8-14 (a) 为用异或门电路实现的四位并行从循环码到二进制码的转换电路，其中， 为循环码，为二进制码，下标序号越大，权值越大。对于多于四位的循环码到二进制码的转换可以依此向图的下方延长。 旋转编码器广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达和军事目标测定等需要检测角位移的装置和设备中。光电编码器作为旋转编码器的一种主要形式，它利用光电转换原理，将输给轴的角位移，转变成相应的电脉冲或数字量，实现了检测角位移。其应用主要包括：一是测角位移，二是测电机的转速。为什么要进行信号的加工调理？原因：电信号幅度小，且大都混有、甚至淹没在噪声之中，传感器的输入和输出之间呈非线性关系，输出信号形式与后续应用要求不匹配等。方法：1 输出信号的放大 2 滤波 3 非线性处理 4 信号变换仪器放大器 测量信号放大器也叫仪器放大器（instrumentation amplifier）、数据放大器（data amplifier），其作用是对来自传感器的电信号进行放大。由于传感器输出信号电平低、内阻高、且伴有较高的共模电压，所以对检测信号放大器的要求为：输入阻抗应该远大于信号源内阻（即高输入阻抗），低输出阻抗，抗共模电压干扰能力强，在预定的频带范围有稳定而较高的增益、良好的线性度，输出性能稳定。有些情况下，还要求这类