第十一章数字传感器

1、数字式传感器数字式传感器 随着微型计算机的迅速发展和广泛应用，信号的检测、控制和处理随着微型计算机的迅速发展和广泛应用，信号的检测、控制和处理已进入的数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用已进入的数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用A/D转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种方法简便亦行，但系统的构成也很复杂。数字式传感器就是理，这种方法简便亦行，但系统的构成也很复杂。数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数字信号为了解决这些问题而出现的，它能把被测

2、模拟量直接转换成数字信号输出。输出。 目前，常用的数字式传感器有四大类：目前，常用的数字式传感器有四大类：(1) 栅式数字传感器；栅式数字传感器；(2)编码编码器；器；(3)频率频率/数字输出式数字传感器；数字输出式数字传感器；(4)感应同步器式的数字传感器。感应同步器式的数字传感器。 11.1 栅式数字传感器栅式数字传感器 一、栅式数字传感器的分类一、栅式数字传感器的分类 根据栅式数字传感器的工作原理，可分为光栅和磁栅两种。光栅是根据栅式数字传感器的工作原理，可分为光栅和磁栅两种。光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排

3、列构成的光电器件。按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利件。按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物现量（运动测量位移、速度、加速度、振动等物现量（运动量）量）。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成直线位移的长光栅和角位移的圆光栅。本节主要介绍透射式的直线成直线位移的长光栅和角位移的圆光栅。本节主要介

4、绍透射式的直线计量光栅。计量光栅。 二、透射式计量光栅的结构和工作原理二、透射式计量光栅的结构和工作原理 计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅(动尺和滑尺动尺和滑尺)。它们是在一。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如下块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如下图所示。常用的光栅每毫米有图所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和和250条线。主光栅的刻条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距，则光栅节距或栅距W为为W

5、a + b。通常取。通常取a = bW /2。 光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹 若将两块光栅若将两块光栅(主光栅、指主光栅、指示光栅示光栅)叠合在一起，并且使它叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角们的刻线之间成一个很小的角度度，如右图所示。由于遮光，如右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。纹，

6、这些条纹就称为莫尔条纹。(1) 莫尔条纹（莫尔条纹（Moire） 条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动莫尔条纹特性：莫尔条纹特性： 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方

7、向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 (2) 光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分： 直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分： 透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电

8、元件同一侧反射光反射光 如果改变如果改变角，两条莫尔条纹问的距离角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，也随之变化。由下图可知，条纹间距条纹间距B与栅距与栅距W和夹角和夹角有如下关系：有如下关系：2BWWWBW22 tg2cosWW WWWWB2sin22 tg2cos22 tg2 当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条，莫尔条纹也移动一个间距纹也移动一个间距B。 越小，越小，B越大，越

9、大，当小于当小于1以后，可使以后，可使BW，即莫尔现象具有使栅距，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。二、光栅式传感器二、光栅式传感器的测量电路的测量电路 1光电转换光电转换 主光栅和指示光栅作主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要

10、经过转换电莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图元件组成，如右图 (a)所所示。当两块光栅作相对移示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。随莫尔条纹移动而变化。在在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑，光强为处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若

11、光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图了如上图 (b)所示的输出波形。所示的输出波形。 光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述： 式中式中 U0 输出信号的直流分量；输出信号的直流分量； Um 输出信号的交流信号幅值；输出信号的交流信号幅值； x 光栅的相对位移量。光栅的相对位移量。WxUUUm2sin0 2辨向原理辨向原理 为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔1/4条纹间的位置上条纹间的位置上安装两只光敏元件，这两只光

12、敏元件输出信号安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号U1、U2的相位差将为的相位差将为/2，可以根据它们超前可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。 两种信号经整形后得到方两种信号经整形后得到方波波U1/和和U2/。U2/ 作为门控信号作为门控信号同同U1/的微分信号一起输入到的微分信号一起输入到与门与门Y1、同、同U1/倒相后的微分倒相后的微分信号一起输入到与门信号一起输入到与门Y2。光。光栅右移时，栅右移时，U2/超前超前U1/，则先，则先于于U1/的微分信号打开了的微分信号打开了Y1，可从可从Y1得到向右移动脉冲

13、输得到向右移动脉冲输出（出（Y1称为右移动脉冲输出称为右移动脉冲输出端）；而端）；而U1/倒相后的微分信倒相后的微分信号到达号到达Y2时时Y2已关闭，则已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实输出，反之亦然。这样就实现了动光栅左右移动的方向现了动光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。辨别和移动脉冲的输出。 3细分原理细分原理 如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为倘若要读出位移为0.1m，势必要求每毫米到线，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺万条，这是目前工

14、艺水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。为例介绍直接倍频细分法。 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，所示，得到相位分别相差得到相位分别相差/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图使其合并得到如右下图 (b)所示的脉冲信号

15、。每个脉冲分别和四个周期所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。若再增加光敏若再增加光敏元件，同理可元件，同理可以进一步地提以进一步地提高测量分辨率。高测量分辨率。应用数控机床位置反馈长光栅长光栅 - 直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅 - 角

16、位移角位移 构成：主光栅构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅动光栅长度长度 - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm )工作台丝杠编码器步进电机三、三、光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置i滚 珠 丝 杠电 动 机D1位 置 检 测传 感 器前 置放 大功 放Fi工 作 台i速 度 环位 置 环微机测 速 发 电 机2 编编 码码 器器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类： 脉冲盘式编码器不能

17、直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码(后面将详后面将详细说明细说明)。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。电编码器，本节将重点予以介绍。 码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编

18、码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统码，能方便地与数字系统(如微机如微机)联接。编码器按其结构可分为接触式、联接。编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码（绝对编码器）码盘式编码器增量编码器脉冲盘式编码器编码器)(光电式编码器电磁式编码器接触式编码器 一、接触式码盘编码器一、接触式码盘编码器 1结构与工作原理结构与工作原理 接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种

19、码制制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制(如如8-4-2-1码、循环码码、循环码等等)图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的数字编码输出。下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的数字编码输出。下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构。下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构。 涂黑处为导电区，将所有导涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位电区连接到高电位(“1”)；空白处；空白处为绝缘区，为低电位为绝缘区，为低电位(“0”)。四个。四个

20、电刷沿着某一径向安装，四位二电刷沿着某一径向安装，四位二进制码盘上有四圈码道，每个码进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电阻接地。道有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘转动其一角度后，电刷就当码盘转动其一角度后，电刷就输出一个数码；码盘转动一周，输出一个数码；码盘转动一周，电刷就输出电刷就输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为辨的旋转角度为360/2 n，若，若n4，则，则22.5。位数越多，可分辨。位数越多，可分辨的角度越小，若取的角度越小，若取n8，则，则1.4。当然，可分辨的角度越小，对码。当然

21、，可分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。当盘和电刷的制作和安装要求越严格。当n多到一定位数后（一般为多到一定位数后（一般为n8），），这种接触式码盘将难以制作。这种接触式码盘将难以制作。 8-4-2-1码制的码盘，由电刷安装不可能绝对精确必然存在机械偏差，码制的码盘，由电刷安装不可能绝对精确必然存在机械偏差，这种机械偏差会产生非单值误差。例如，由二进制码这种机械偏差会产生非单值误差。例如，由二进制码0111过渡到过渡到1000时时（电刷从（电刷从h区过渡到区过渡到i区），即由区），即由7变为变为8时，如果电刷进出导电区的先后可时，如果电刷进出导电区的先后可能是不一致的，此时就会

22、出现能是不一致的，此时就会出现815间的某个数字。这就是所谓的非单值间的某个数字。这就是所谓的非单值误差。误差。 2消除非单值误差的办法消除非单值误差的办法 采用循环码采用循环码(格雷码格雷码) 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。循环码盘结构如下就可以避免制造或安装不精确而带来的非单值误差。循环码盘结构如下图图(b)所示。由循环码的特点可知，

23、即使制作和安装不准，产生的误差最所示。由循环码的特点可知，即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是最低位的一个比特。因此采用循环码盘比采用多也只是最低位的一个比特。因此采用循环码盘比采用8-4-2-1码盘的准码盘的准确性和可靠性要高的多。确性和可靠性要高的多。 扫描法扫描法 扫描法有扫描法有V扫描、扫描、U扫描以及扫描以及M扫措三种。它是在最低值码道上安装一扫措三种。它是在最低值码道上安装一电刷，其他位码道上均安装两个电刷：一个电刷位于被测位置的前边，电刷，其他位码道上均安装两个电刷：一个电刷位于被测位置的前边，称为超前电刷；另一个放在被测位置的后边，称为滞后电刷。若最低位称为超前电刷；另一个

24、放在被测位置的后边，称为滞后电刷。若最低位码道有效位的增量宽度为码道有效位的增量宽度为x，则各位电刷对应的距离依次为，则各位电刷对应的距离依次为1x、2x、4x、8x等。这样在每个确定的位置上，最低位电刷输出电平反映了它真正的等。这样在每个确定的位置上，最低位电刷输出电平反映了它真正的位值，由于高电位有两只电刷，就会输出两种电平，根据电刷分布和编位值，由于高电位有两只电刷，就会输出两种电平，根据电刷分布和编码变化规律，可以读出真正码变化规律，可以读出真正反映该位置的高位二进制码反映该位置的高位二进制码对应的电平值。当低一级码对应的电平值。当低一级码道上电刷真正输出的是道上电刷真正输出的是“1”

25、的时候，高一级码道上的真的时候，高一级码道上的真正输出必须从滞后电刷读出；正输出必须从滞后电刷读出；若低一级码道上电刷真正输若低一级码道上电刷真正输出的是出的是“0”，高一级码道上，高一级码道上的真正输出则要从超前电刷的真正输出则要从超前电刷读出。由于最低位轨道上只读出。由于最低位轨道上只有一个电刷，它的输出则代有一个电刷，它的输出则代表真正的位置，这种方法就表真正的位置，这种方法就是是V扫描法。扫描法。当某一个二进制当某一个二进制码的第码的第 i 位是位是1时，时，该二进制码的第该二进制码的第i+1位和前一个位和前一个数码的数码的i+1位状位状态是一样的，故态是一样的，故该数码的第该数码的第

26、i+1位的真正输出要位的真正输出要从滞后电刷读出。从滞后电刷读出。相反，当某个二相反，当某个二进制码的第进制码的第i位是位是0时，该数码的时，该数码的第第i+1位的输出位的输出要从超前电刷读要从超前电刷读出。读者可以从出。读者可以从表上的数码来证表上的数码来证实。实。 这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的。由于这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的。由于8-4-2-1码制的二码制的二进制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。进制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。 二、光电式编码器二、光电式编码器 接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可接触式编

27、码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。测量精度和分辨率能达到很高水平。 1光电式编码器的结构和工作原理光电式编码器的结构和工作原理 光电编码器的最大特点是非接触式的。光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都有几个码道，编码器在转轴的任何位置都可

28、以输出一个固定的与位置相对的数字码。可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘上的高、低电位用光源代替。当光源经光学系统形成一束平行光投射在码上的高、低电位用光源代替。当光源经光学系统形成一束平行光投射在

29、码盘上时，光经过码盘的透光和不透光区，脉冲光照射在码盘的另一侧的光盘上时，光经过码盘的透光和不透光区，脉冲光照射在码盘的另一侧的光电元件上，这些光电元件就输出与码盘上的码形（码盘的绝对位置）相对电元件上，这些光电元件就输出与码盘上的码形（码盘的绝对位置）相对应的（开关应的（开关/高低电平）电信号。光电编码器与接触式码盘编码器一样，高低电平）电信号。光电编码器与接触式码盘编码器一样，可以采用循环码或可以采用循环码或V扫描法来解决非单值误差的问题。扫描法来解决非单值误差的问题。直线坐标编码示意图 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，为

30、了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法插值法)来进一步提高分辨率。例如，若码盘已具有来进一步提高分辨率。例如，若码盘已具有14条条(位位)码道，在码道，在14位的码道位的码道上增加上增加1条专用附加码道，见下图所示。附加码道的的扇形区的形状和光条专用附加码道，见下图所示。附加码道的的扇形区的形状和光学的几何结构与前学的几何结构与前

31、14位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦彼输出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在配合，产生较为理想的正弦彼输出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信弓再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的各正弦波信弓再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号。于是产生了附加的低位的几位有效数值。下图光电元件输出的正弦信号。于是产生了附加的低位的几位有效数

32、值。下图所示的所示的19位光电编码器的插值器产生位光电编码器的插值器产生16个正弦波信号。每两个正弦信号之个正弦波信号。每两个正弦信号之间的相位差为间的相位差为/8，从，从而在而在14位编码器的最低位编码器的最低有效数值间隔内插入了有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相个精确等分点，即相当于附加当于附加5位二进制数位二进制数的输出，使编码器的分的输出，使编码器的分辨率从辨率从2-14提高到提高到2-19，角位移小于角位移小于3秒。秒。ABC 0 1 10 1 10 1 00 1 00 0 00 0 10 0 10 0 0ABABABABCCCC高电平区低电平区ABC1 1 11 1 11

33、1 01 1 01 0 01 0 11 0 11 0 0ABABABABCCCCACB三、光电编码传感器应用举例三、光电编码传感器应用举例 钢带式光电编码数字液位计钢带式光电编码数字液位计 钢带式光电编码数字液位计是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍钢带式光电编码数字液位计是目前油田浮顶式储油罐液位测量普遍应用的一种测量设备。在量程超过应用的一种测量设备。在量程超过 20m 的应用环境中，液位测量分辨率的应用环境中，液位测量分辨率仍可达到仍可达到 1mm，可以满足计量的精度要求。，可以满足计量的精度要求。 这种测量设备主要由编码钢带、读码器、卷带盘、定滑轮、牵引钢这种测量设备主要由编码钢带、读码

34、器、卷带盘、定滑轮、牵引钢带用的细钢丝绳及伺服系统等构成。编码钢带的一端（最大量程读数的带用的细钢丝绳及伺服系统等构成。编码钢带的一端（最大量程读数的一端）系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在一端）系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在大罐浮顶细钢丝绳定滑轮编码钢带定滑轮卷带盘读码器钢带式光电编码液位计大罐的浮顶上，编码钢带的另一端大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。当大罐液位下降时，细钢丝盘上。当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制

35、下放出盘内的盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。读码器可随时钢带收入卷带盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编读出编码钢带上反应液位位置的编码经处理后进行就地显示或以串行码经处理后进行就地显示或以串行码的形式发送给其它设备。码的形式发送给其它设备。 编码钢带如下图所示。如果最低码位（最低码道数据宽度）为编码钢带如下图所示。如果最低码位（最低码道数据宽度）为1m（透（透光和不透光的部分各为光和不透

36、光的部分各为1m），则需要），则需要15个码道，即最高码位（最高码道个码道，即最高码位（最高码道数据宽度）为数据宽度）为16384mm（16.384m），编码钢带的最大有效长度可达），编码钢带的最大有效长度可达32.768m。这样的编码钢带的加工工艺的难度较大，强度也较低，使用起。这样的编码钢带的加工工艺的难度较大，强度也较低，使用起来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。码道的数据宽度。 如果将最低码道的数据宽度增加到如果将最低码道的数据宽度增加到5mm，次最低码道的数据宽度将，次最低码道的数

37、据宽度将为为1cm，在最低码道上应用插值细分技术也可以获得，在最低码道上应用插值细分技术也可以获得1m的分辨率。这样的分辨率。这样一来，在量程为一来，在量程为20m的条件下，码道数量将减少到的条件下，码道数量将减少到12个。个。 编码钢带示意图 插值细分示意图如下图插值细分示意图如下图6所示。采用这种办法可以将原来的所示。采用这种办法可以将原来的2种可能的种可能的不同状态，细分成不同状态，细分成10种可能的不同状态。将这种细分方式应用到最低位种可能的不同状态。将这种细分方式应用到最低位码道上，就可以把码道上，就可以把5mm的数据宽度细分成的数据宽度细分成1mm。译码方式既可以用实现。译码方式既

38、可以用实现也可以利用单片机由软件实现。也可以利用单片机由软件实现。abc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d eabc d ee d c b a0 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 1 10 0 1 1 10 1 1 1 11 1 1 1 1e d c b a1 1 1 1 11 1 1 1 01 1 1 0 01 1 0 0 01 0 0 0 00 0 0 0 0个不同的状态10五倍频插值细分示意图 四、脉冲盘式数字传感器四、脉冲盘式数字传感器 脉冲盘式编码器又称为增量编码器

39、。增量编码器一般只有三个码道，脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生几位编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉它不能直接产生几位编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。 1增量编码器的结构和工作原理增量编码器的结构和工作原理 增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈(A、B)的相邻两的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外），开有缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码

40、盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差过一周就将有多少个相差90的两相（的两相（A、B两路）脉冲脉冲和一个零位两路）脉冲脉冲和一个零位(C相相)脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要

41、取决于码盘本身的精度。决于码盘本身的精度。 2旋转方向的判别旋转方向的判别 为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用A、B两相脉冲两相脉冲来实现。光电元件来实现。光电元件A、B输出情号经放大整形后，产生输出情号经放大整形后，产生P1和和P2脉冲。将它脉冲。将它们分别接到们分别接到D触发器的触发器的D端和端和CP端，由于端，由于A、B两相脉冲两相脉冲(P1和和P2) 脉冲相脉冲相差差90，D触发器触发器FF在在CP脉冲脉冲(P2)的上升沿触发。正转时的上升沿触发。正转时P1脉冲超前脉冲超前P2脉脉冲，冲，FF的的Q“1”表示正转；当反转时，

42、表示正转；当反转时，P2超前超前P1脉冲，脉冲，FF的的Q“0”表表示反转。可以用示反转。可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将光电作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。脉冲变成编码输出。C相脉冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈相脉冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复复位一次计数器的目的。码盘无位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。增量，故这种测量称为增量法。 除了光电式的增量编码器除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了

43、光纤增量外，目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广泛的应用。器等，它们部得到广泛的应用。4.3 感应同步器感应同步器 感应同步器时感应同步器时20世纪世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：角位移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应测量直线位移的线位移感应同步器；同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。测量角位移的圆盘感应同步器。 一、感应同步器的结构和工作原理一、感应同步器的结构和工作原理 感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电

44、量的传感器。它感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。它的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移量的。组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移量的。 1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器4l 1. 感应同步器的结构感应同步器的结构 定尺和滑尺的基板由与被测物体热膨胀系数相似的钢板做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用照相腐蚀 的办法做成印制绕组。感应同步器定尺和滑尺绕组的节距 相等，均为，这是衡量感应同步器精度的主要参

45、数， 工艺上要保证其节距的精度 。感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。根据结构特点可分为：旋转式和直线式两种。 1载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场 矩形载流线圈中通过直流电流矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i ( i = I sint )，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左至右至右(或从右至左或从右至左)移过

46、，如右下图所示。在移过，如右下图所示。在(a)、(c) 两图所示的情况下，两图所示的情况下，通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在动势为零；在(b)图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。 I载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场IV)( aIV)( cIV)(b感应电动势最大感应电动势为零 2直线式感应同步器的基本结构直线式感应同步器的基本结构

47、 直线式感应同步器的绕组结构如下图所示。它由定尺和滑尺两部分直线式感应同步器的绕组结构如下图所示。它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距上有两个绕组，彼此相距/2或或3/4。当定尺栅距为。当定尺栅距为W2时，滑尺上的两个时，滑尺上的两个绕组间的距离绕组间的距离L1应满足如下关系：应满足如下关系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时相差时相差/2，n=1时相差时相差3/4，n=2时相差时相差5/4。 3直线式感应同步器的工作原理直线式感应同步器的工作原理 定尺及定尺及

48、滑尺中的电流关系滑尺中的电流关系 模型如图示模型如图示 滑尺线圈中流过电流滑尺线圈中流过电流 x = 0的位置如图（的位置如图（a）。）。 WcosMxWcosM)x(MC002M0为为x = 0时的互感量。时的互感量。 另一个与此相差另一个与此相差90的的滑尺线圈滑尺线圈（正弦）与（正弦）与定尺定尺与定尺定尺与滑尺间的互感滑尺间的互感 MSsinMxWcosM)x(MS0022 定尺与定尺与滑尺间的互感滑尺间的互感余弦绕组与余弦绕组与定尺定尺间的互感间的互感MC，xW2图图 11-22 滑尺对定尺滑尺对定尺( (连续线圈连续线圈) )的激励的激励 模型：模型：( (等幅激励，调相式等幅激励，

49、调相式) ) 滑尺正弦绕组的激励滑尺正弦绕组的激励tIImissintIImiscos滑尺余弦绕组的激励滑尺余弦绕组的激励Im：激励的电流振幅。激励的电流振幅。正弦绕组激励的感生电势正弦绕组激励的感生电势sincos0tIMdtdIMemisSoscossin0tIMdtdIMemiccoc余弦绕组激励的感生电势余弦绕组激励的感生电势定尺中总电势定尺中总电势 e e xWtIMtIMttIMeeemmmosoc2sinsinsincoscossin0000调相调相 定尺定尺( (连续线圈连续线圈) )对滑尺对滑尺( (断续线圈断续线圈) )的激励的激励 模型：模型：( (等幅激励，调幅式等幅激

50、励，调幅式) ) 定尺定尺( (连续线圈连续线圈) ) 激励激励tIImisin正弦绕组中的感生电势正弦绕组中的感生电势xWtIMtIMdtdIMemmiSos2sincossincos00 xWtIMtIMdtdIMemmicoc2coscoscoscos00余弦绕组中的感生电势余弦绕组中的感生电势可以辨别方向可以辨别方向相当于平衡调幅相当于平衡调幅txWIMxWtIMtIMtIMeeemmmmocosocos42sin242sincos24sincos2cossincos0000合成电势合成电势幅度调制幅度调制 * * * 单绕组正弦波激励时定尺中的感应电势单绕组正弦波激励时定尺中的感应电

51、势2W2W时的波形高频激励时的波形低频激励相位关系 4旋转式感应同步器旋转式感应同步器 旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的之尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直别相当于直线式感应同步器的之尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有径一般有50mm、76mm、178mm和和302mm等几种。径向导体数等几种。径向导体数(极数极数)有有360、720和和1080几种。转子

52、是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。其精度越高。 4.4 频率式数字传感器频率式数字传感器 频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：处理的频率信号。频率式数字传感

53、器一般有两种类型： (1)利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，常用振荡器有常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。荡电路和石英晶体振荡电路等。 (2)利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。下面列举两例说明频率式数字传感器的工作原理。下面列举两例说明频率式数字传感器的工作原理。 一、一、RC振荡器式频率传感器振荡器式频率传感器 温度温度 频率传感器就是频率传感器就是RC振荡器式频率振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻传感器的一种。这里

54、利用热敏电阻RT测量温度。测量温度。RT作为作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算放振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发文氏电桥正弦波发生器。当外界温度生器。当外界温度T变化时变化时RT的的阻值也随之变化，阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此振荡器的频率因此而改变。而改变。RC振荡器的振荡频率由下式决定：振荡器的振荡频率由下式决定：其中其中RT与温度与温度T的关系为的关系为 式中：式中：B为热敏电阻的温度系数。为热敏电阻的温度系数。RT、R0分别为温度分别为温度T(K)利人利人T0(K)时的阻值。电阻时的阻值。电阻R2、R3的作用是改

55、善其的作用是改善其线性特性，流过线性特性，流过RT的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影响。的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影响。213212123)(21TTRRRRCCRRRf)(00TTBTeRR 二、弹性振动体频率式传感器二、弹性振动体频率式传感器 任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。尼特性及激励特性有关。 若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大若激

56、励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。测量有关物理量的。 弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，介绍弹性振动体频率式传感器的基本结下面以振弦式频率传感器为例，介绍弹性振动体频率式传感器的基本结构及其激励电路。构及其激励电路。 振弦式传感器测量应力的原理如下图所示。振弦式传感器包括振弦、振弦式传感器测量应力的原理如下图所示。振弦式传感器包括振弦、激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置于激励电激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一瑞与被测量物体的运动部磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一瑞与被测量物