数字式传感器讲解课件

传感器与检测技术

朱启兵zhuqib@163.com传感器与检测技术朱启兵传感器与检测技术第11章数字式传感器光栅1.2感应同步器11.111.2编码器11.3频率式传感器11.4传感器与检测技术第11章数字式传感器光栅1.2感数字式传感器

随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用，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输出。数字式传感器具有下列特点：1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；2.抗干扰能力强，稳定性好；3.信号易于处理、传送和自动控制；4.便于动态及多路测量，读数直观；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。

目前，常用的数字式传感器有四大类：(1)栅式数字传感器；(2)编码器；(3)频率/数字输出式数字传感器；(4)感应同步器式的数字传感器。数字式传感器随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应数字式传感器感应同步器感应同步器时20世纪60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。工作原理：电磁感应定律结构：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。分类：①线位移感应同步器（标准型，窄型，带型）；②圆盘感应同步器。工作特点：感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。数字式传感器感应同步器工作特点：感应同步器是一种多极感应元件数字式传感器数字式传感器数字式传感器直线式感应同步器的基本结构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。滑尺上有两个绕组，彼此相距π/2或3π/4。当定尺栅距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离L1应满足如下关系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时相差π/2，n=1时相差3π/4，n=2时相差5π/4。W2=2(a2+b2)W1=2(a1+b1)W1=W2正弦绕组余弦绕组数字式传感器直线式感应同步器的基本结构W2=2(a2+b2)数字式传感器感应同步器的工作原理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，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=Isinωt)，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(或从右至左)移过，如右下图所示。在(a)、(c)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）磁通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场I数字式传感器感应同步器的工作原理矩形载流线圈中通过直流电流I数字式传感器数字式传感器数字式传感器定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压us＝Ussinωt和uc＝Ucsinωt，则定尺上的感应电势es和ec可用下式表达：

其中：K——耦合系数；

θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2数字式传感器定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；数字式传感器对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有:

1.鉴相法

2.鉴幅法

3.脉冲调宽法

三种。数字式传感器对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其输出信号数字式传感器所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同，但相位差为pi/2的正弦激磁电压，即us＝Um·sinωt和uc＝Umcosωt。鉴相法

根据式（10－2），当余弦绕组单独激磁时，感应电势为

同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为

数字式传感器所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量位移。采用数字式传感器鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移，此时感应同步器滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别加频率和相位相同，但幅值不同的正弦激励信号根据叠加原理，感应电势为

鉴幅法若调整激励电压的则总感应电势等于零数字式传感器鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移，此时感应数字式传感器脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压,可认为感应电势为脉冲调宽法数字式传感器脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性数字式传感器数字测量系统鉴相法测量系统图10－9为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字量。鉴相法测量系统通常由位移－相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。

数字式传感器数字测量系统数字式传感器数字式传感器数字式传感器位移－相位转换的功能是通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。模数转换的主要功能是将代表位移量θ（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放大、滤波、整形后的输出信号e，以及相对相位基准输出信号θ’o。相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器、它是把加。减脉冲数转换为电的相位变化。模数转换的关键是鉴相器。数字式传感器位移－相位转换的功能是通过感应同步器将位移量转换数字式传感器

由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理是：当系统工作时，θ≈θ’，相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置‘0’，则所在位置为“相对零点”。假定以此为基准，滑尺向正方向移动，Δθ的相位发生变化，θ与θ’之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差Δθ，并输出反映θ’滞后于θ的高电平。该两输出信号控制脉冲移相器，使其产生相移，θ’趋近于θ。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时θ≈θ’。在这个相位跟踪过程中，插人到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示。数字式传感器由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理数字式传感器鉴幅法测量系统

此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。

数字式传感器鉴幅法测量系统

数字式传感器数字式传感器数字式传感器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器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。光栅

数字式传感器光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相数字式传感器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。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，如图11-1所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a+b。通常取a=b＝W/2。

若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，如右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。数字式传感器透射式计量光栅的结构和工作原理若数字式传感器

如果改变θ角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：

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W，莫尔条纹也移动一个间距B。

θ越小，B越大，θ当小于1°以后，可使B>>W，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。数字式传感器如果改变θ角，两条莫尔条纹问的数字式传感器

1．光电转换主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信弓转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图(a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强光栅式传感器的测量电路随莫尔条纹移动而变化。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；c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(b)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：式中U0—输出信号的直流分量；

Um—输出信号的交流信号幅值；

x—光栅的相对位移量。数字式传感器1．光电转换光栅式传感器的测量电数字式传感器2．辨向原理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π/2，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。

两种信号经整形后得到方波U1/和U2/。U2/作为门控信号同U1/的微分信号一起输入到与门Y1、同U1/倒相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，U2/超前U1/，则先于U1/的微分信号打开了Y1，可从Y1得到向右移动脉冲输出（Y1称为右移动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微分信号到达Y2时Y2已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。数字式传感器2．辨向原理两种信号经整形后得到数字式传感器3．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；倘若要读出位移为0.1μm，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。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。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，得到相位分别相差π/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图(b)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1/4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1/4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。若再增加光敏元件，同理可以进一步地提高测量分辨率。数字式传感器3．细分原理若再增加光敏数字式传感器电桥细分数字式传感器电桥细分第10章数字式传感器第10章数字式传感器数字式传感器10.3编码器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(后面将详细说明)。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。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(如微机)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数字式传感器10.3编码器数字式传感器电刷输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为α＝360/2n，若n＝4，则α＝22.5°。位数越多，可分辨的角度越小，若取n＝8，则α＝1.4°。当然，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n多到一定位数后（一般为n＞8），这种接触式码盘将难以制作。容易存在错码原因：需要同时改变多个状态接触式旋转编码器数字式传感器电刷输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二数字式传感器数字式传感器数字式传感器

光电式编码器接触式编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、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。1．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。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有几个码道，编码器在转轴的任何位置都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。不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀直线坐标编码示意图数字式传感器光电式编码器1．光电式编码器的数字式传感器2．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，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(插值法)来进一步提高分辨率。数字式传感器2．用插值法提高分辨率数字式传感器数字式传感器数字式传感器2.增量编码器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，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90°的两相（A、B两路）脉冲脉冲和一个零位(C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，主要取决于码盘本身的精度。增量码道辨向码道数字式传感器2.增量编码器增量编码器的圆盘上等角距地开有两道数字式传感器测量转速

增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。

数字式传感器测量转速数字式传感器测量线位移

利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度数字式传感器测量线位移数字式传感器图10－27（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4μm的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。图（b）是用齿轮齿条来实现直线－旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。无论用哪一种方法来实现线位移－角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。数字式传感器图10－27（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋数字式传感器

计数和辨向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两相脉冲来实现。光电元件A、B输出情号经放大整形后，产生P1和P2脉冲。将它们分别接到D触发器的D端和CP端，由于A、B两相脉冲(P1和P2)脉冲相差90°，D触发器FF在CP脉冲(P2)的上升沿触发。正转时P1脉冲超前P2脉冲，FF的Q＝“1”表示正转；当反转时，P2超前P1脉冲，FF的Q＝“0”表示反转。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复位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。

数字式传感器计数和辨向可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是数字式传感器四倍频细分电路原理图如图10－29（a）所示。输出x1与x2信号作为计数器双时钟输人信号。按电路图可得如下逻辑表达式：细分电路

数字式传感器四倍频细分电路原理图如图10－29（a）所示。细数字式传感器数字式传感器数字式传感器

Q1、Q2、Q3和Q4分别与S1、、S2和相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位π/2。电路各点的波形如图10－29（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为π/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的1／2，但同时要满足与Y1、Y2、Y3和Y4相“与”的要求。由图10－29可知，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。数字式传感器Q1、Q2、Q3和Q4分别与S1、数字式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、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：

(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，常用振荡器有RC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。数字式传感器频率式数字传感器数字式传感器

一、RC振荡器式频率传感器

温度—频率传感器就是