传感器8 数字式

1、数字式传感器数字式传感器勤朴忠实数字式传感器数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字是能够把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统相连。量输出的装置，可直接与计算机系统相连。数字式传感器具有以下数字式传感器具有以下优点优点：w测量精度和分辨率高；测量精度和分辨率高；w抗干扰能力强，稳定性好；抗干扰能力强，稳定性好；w易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测量；量；w适宜于远距离传输。适宜于远距离传输。w可以减少读数误差可以减少读数误差数字式传感器数字式传感器 v 分类：分类： 脉冲脉冲输出式：栅式数字传感器、感应同步器、增量

2、编码器；输出式：栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器； 编码编码输出式：绝对编码器；输出式：绝对编码器； 频率频率输出式：振弦式、振筒式和振膜式；输出式：振弦式、振筒式和振膜式；v 本节介绍精密位移测量中广泛应用的本节介绍精密位移测量中广泛应用的编码器编码器的工作原理和的工作原理和测量电路。测量电路。v 编码器包括码盘和码尺。前者用于测角度，后者用于测长编码器包括码盘和码尺。前者用于测角度，后者用于测长度度v 编码器编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。种位移测量。v 角度编码器角度编码器是测量角位移的最直接、最有效的数字式

3、传感是测量角位移的最直接、最有效的数字式传感器，它把角位移直接转换成器，它把角位移直接转换成脉冲脉冲或或二进制编码二进制编码，分为，分为增量增量编码器（脉冲盘式）编码器（脉冲盘式）和和绝对编码器（码盘式）绝对编码器（码盘式）。v 按结构分为按结构分为光电式光电式、接触式和电磁式三种。、接触式和电磁式三种。v 光电式编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制光电式编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码编码“0或或1”不透光或透光区域。不透光或透光区域。 光电式具有非接触、光电式具有非接触、体积小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特点，在数控体积小、分辨率高、可靠性好、使用方便等特点，在

4、数控机床、机器人位置控制等领域有广泛应用。机床、机器人位置控制等领域有广泛应用。v 编码器又可分为编码器又可分为增量编码器增量编码器和和绝对编码器绝对编码器。1、工作原理v 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。1光源光源 2柱面镜柱面镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5元件元件 （1）绝对编码器）绝对编码器 光源1发出光线，经过柱面镜2变成一束平行光或会聚光，照射到码盘3上。 光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的若干透光和不透光的图形，即亮区和暗区。 通过亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照到元件5上。 光电元件

5、的排列与码道一一对应。当有光照时，对应亮区和暗区的光电元件输出相反。标准二进制编码器标准二进制编码器(8421码盘码盘) 红色不透光红色不透光“0” 四位光电码盘上，有四四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内圈数字码道，在圆周范围内编码数为编码数为24=16个。个。 每个数位都对应有一个每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。光电器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，的电信号，经放大整形后，成为相应数字信号。成为相应数字信号。角度分辨率为：角度分辨率为：n23602、8421编码

6、盘编码盘分辨率为：分辨率为：n21（1）n位位(n个码道个码道)的二进制码盘具有的二进制码盘具有2n种不同编码，称其种不同编码，称其容量为容量为2n， 其最小分辨力其最小分辨力136002n，它的最外圈角节，它的最外圈角节距为距为21；（2）二进制码为有权码，编码）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零对应于由零位算起的转角为：位算起的转角为：（3）码盘转动中，）码盘转动中，CK变化时，所有变化时，所有Cj(jK)应同时变化。应同时变化。特点：特点：1112iniiCradn642111099. 210717. 123602360v 例1：一个21码道的循环码盘，其最小分辨力1是

7、多少？若一个角1对应圆弧长度至少为0.001mm，问码盘直径多少？解：由码盘分辨率公式可知： 码盘直径D=2r=2L/1,其中L表示圆弧长度，L=0.001mm，则： D=2r=668mm二进制码盘的粗大误差及消除 v要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只由于微小的制作误差，只要有要有个码道提前或延后改变，就可能造成输个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。出的粗大误差。 例如，当码盘由位置例如，当码盘由位置“0111”变为变为“1000”时时四四位数要同时变化，可能将数码误读成位数要同

8、时变化，可能将数码误读成1111、1011、1101、0001等，产生无法估计的数值误差，这等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为种误差称为非单值性误差。非单值性误差。(a) 四位二进制码盘展开图四位二进制码盘展开图 (b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图采用双读数头消除粗大误差的示意图 v消除粗大误差方法：消除粗大误差方法：双读数头法双读数头法，循环码代替二进制码循环码代替二进制码双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。数很多时，光电元件安装位置也有困难。 实际绝对编码器常采用实际绝对编码器常

9、采用二进制循环码盘（格雷编码盘）；二进制循环码盘（格雷编码盘）；葛莱编码盘葛莱编码盘 任意相邻的两个代码任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，间只有一位代码有变化，即由即由“0”变为变为“1”或或“1”变为变为“0”。 因此，读数误差最多因此，读数误差最多不超过不超过“1”，只可能读，只可能读成相邻两个数中的一个成相邻两个数中的一个数数有效消除非单值性有效消除非单值性误差。误差。 格雷编码盘格雷编码盘(1)n位循环码码盘具有位循环码码盘具有 种不同编码；种不同编码；(2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循环码为无权

10、码；循环码为无权码；(4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化， 不会产生粗误差。不会产生粗误差。 循环编码需要进行二进制码转换。循环编码需要进行二进制码转换。特点特点n2二进制码与循环码的转换二进制码与循环码的转换iiiiiinnCCRRCCRC114位二进制码与循环码的对照表位二进制码与循环码的对照表不同为1相同为0角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp000

11、0000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位绝对码光电编码器码制位绝对码光电编码器码制（3）光电编码器分辨率提高方法）光电编码器分辨率提高方法v 倍频法 在增量式编码器中，采用电路细分技术，不改变编码器内部结构，对输出脉冲进行倍频电路处理，以提高分辨率和抗干扰能力。元件有信号才能读数，这样就不会产生非单值性误差。信号位信号位 v 插值法 在已具有14条（位）码道的码盘上增加一条专用附加码道。码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光电1、典型产品应用介绍 图1024所示为LEC型 小型光电增量编码器的 外形图。每转输出脉冲 数为205000，最大允 许转速为5000rmin。（3 3）光电增量编码器的应用光电增量编码器的应用2、测转速v 除了测量角位移，还可通过脉冲测量转速。除了测量角位移，还可通过脉冲测量转速。f为脉冲频率：为脉冲频率： 每转产生每转产生N个脉冲，在个脉冲，在T 时间内测时间内测得得m个脉冲，则转速为：个脉冲，则转速为：6060(r/min)fm