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1、 第14章 数字式传感器 14. 数字式传感器 14.1 概述 1）数字式传感器的定义 数字式传感器是把被测模拟量直接转换成数字量输出的 传感器。即数字式传感器能够直接将非电量转换成数字量， 不需要A/D转换，直接用数字表示。 2）数字式传感器的特点 相对模拟式传感器的特点： 具有高抗干扰能力和高信噪比 数据可高速远距离传输，而不会引入动态迟后。 能同时做到高测量精度和大测量范围。 易于与计算机接口。 数字式传感器就可达到很高的控制精度和响应速度。 与数字式执行器配合使用，特别适用于重复性的工作中。 数字式传感器便于动态及多路测量，使用方便。 工作可靠性高，安装方便，维护简单。 14.1 概述
2、 3）数字式传感器的分类 n 按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类： 脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、增量 编码器等），编码输出式数字传感器（如绝对编码器等）， 频率输出式数字传感器。 n 此外，数字式传感器也可分为直接数字式传感器和准数字 式传感器两大类。 n 直接数字式传感器是指它的输出为二元形式（0-1）的信 号准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。 14. 数字式传感器 14.2 编码器 n 编码器因为该精度、高分辨力和高可靠性而广泛应用于多 种检测系统中。它能把角位移或线位移转换为数字量。相应 的编码器是角度数字编码器(码盘)和直线位移编码器(码
3、尺)。 n 编码器的种类很多，根据编码器的结构形式、编码方式、 检测方式以及光路方式不同而分成不同的类型，如图所示。 n 其中，用于角位移测量的旋转式光电编码器是最直接和最 有效的数字式传感器。 14. 数字式传感器 14.2 编码器 1）光电式编码器的结构与分类 n 用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉 冲 n 按结构形式分为直线式的线性编码器和旋转式的轴角编 码器，按编码方式分为增量式和绝对式两种。 2）光电式编码器的工作原理 (1) 增量式编码器 n 如图所示为增量式编码器的结构图。光源通过码盘上有三 个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z(零位脉冲)、 A(增量脉冲)及
4、B(辨向脉冲)三 位脉冲信号。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 (2) 绝对式编码器 n 绝对式编码器将被测角转换成相应的代码，指示其绝对 位置，这种编码器通过读取编码盘上的图案来确定数值。 n 绝对式编码器光源发射的光线经柱面透镜变成一束平行 光，照射在编码盘上。编码盘上有一环环间距不同并按一定 编码规律刻画的透光和不透光扇形区，称为码道。 n 图a为光电式绝对式编码器的码盘，是四位二进制编码。 n 普通二进制编码盘 由于相邻两扇区图案 变化时使用中易产生 较大误差，因而在实 际应用中大都采用图 b所示格雷(循环)编码。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 根据码盘的
5、起始和终止位置确 定转角，与转动的中间过程无关。 二进制码盘的特点*： n位(n个码道)的二进制码盘具有 2n种不同编码，称其容量为2n，其 最小分辨力:13600/2n，最外圈角 节距为21； 二进制码为有权码, 编码Cn, Cn-1, ，C1对应于由零位算起的转 角为： 码盘转动中，CK变化时，所有 Cj(jK)应同时变化。 存在问题：相邻两扇区刻 线偏差或读数误差影响大 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 循环码盘的特点*： n位循环码码盘有2n种不同编码； 循环码盘有轴对称性，其最高位相 反(对称轴不同)，其余各位相同； 循环码为无权码； 循环码码盘转到相邻区域时，码中 只有
6、一位变化，不会产生粗差。 循环码是无权码，直接译码困难 ，一般先转换为二进制码，再译码。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 二进制码与循环码的转换* 4位二进制码与循环码的对照表 式中 R循环码； C二进制码； i所在的位数, i=0n-1； 不进位“加”，即异或。 14.2 编码器 3）光电式编码器分辨率的提高方法 (1) 倍频法 n 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来提高分辨率和抗 干扰能力。 n下图为4倍频电路。 n 来自编码器的方 波信号A,B相差90， 用RC电路在一个周 期内获得4个边沿， 从而实现倍频。 顺时针转
7、，输出f+； 反时针转 ，输出f- 14.2 编码器 3）光电式编码器分辨率的提高方法 n 在增量式编码器中，为提高分辨率采用电路细分和光学分 解相结合的技术方法，又称为插值法。下图所示为在已具有 14条（位）码道的码盘上增加1条专用附加码道。 n14.2 编码器 4）光电编码器的应用 n 光电编码器的结构常见有空心轴和实心轴两种形式 ，空 心轴编码器体积较大，一般用于电极和装置；实心轴编码器 体积较小，通常用于小巧和高精度装置中。 n 增量式编码器输出脉冲数/转常见2005000,3600108000 和202500等几类。 n 下图是光电码器测角装置原理图，光源1通过大孔径非球 面聚光镜2
8、形成狭长的光束照到码盘3上。由码盘转角位置决 定位于狭缝4后的光电 器件5所输出的信号。 输出信号经放大，鉴 幅、整形以及加纠错 和寄存电路，再经当 量变换，最后译码显示。 14.3 光栅式传感器 光栅式传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅 ，主要用于位移测量及与位移相关的物理量（如：速度、加 速度、振动、质量、表面轮廓等方面）测量。 1）光栅的基本结构 （1）光栅 n 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等 间距的刻线。这些刻线有透明的和不透明，或者是对光反射 的和不反射的。 图所示为黑白 型长光栅，光 栅上的刻线称 为栅线。 14.3 光栅式传感器 1）光栅的基本结构 (2
9、) 光栅的分类 n 光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两 种。 n 计量光栅其分类如图所示。 14.3 光栅式传感器 (2) 光栅的分类 长光栅 n 刻线在玻璃尺上的光栅称为长光栅（也称为光栅尺）， 用于测量长度或直线位移，其结构如图所示。 n 根据栅线型式的不同，长光栅分为黑白光栅和闪耀光栅 。黑白光栅指只对入射光波的振幅或光强调制的光栅(又称 振幅光栅)其栅线密度为20125线/mm。闪耀光栅是对入射光 波的相位调制(又称相位光栅)， 闪耀光栅的线槽断面分对称 形和不对称形， 长度测量主要 采用对称形， 栅线密度:150 2400线/mm。 14.3 光栅式传感器 (2) 光栅
10、的分类 长光栅 根据光线的走向，长光栅分为透射光栅 和反射光栅。 透射光栅是在透明的玻璃上均匀地刻划 间距、宽度相等的条纹而形成的光栅；透射 光栅的主光栅一般用普通工业用的白玻璃， 而指示光栅用光学玻璃。 反射光栅是在具有强反射能力的基体 （不锈钢或玻璃镀金属膜）上均匀 地刻划间距、宽度相等的条纹而形 成的光栅。 14.3 光栅式传感器 （2）光栅的分类 圆光栅 n 下图是圆光栅的结构图，它是刻划在玻璃盘上的光栅（ 又称光栅盘），用来测量角度或角位移。 14.3 光栅式传感器 2）光栅式传感器的结构 n光栅式传感器主要是由光源、透镜、光栅 副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件 等组成（如图所示
11、）。 n光源主要是供给光栅传感器工作所需的光 能，它有单色光和普通白光两种。 n透镜主要是将光源发出的点光转换成平行 光，通常采用单个凸透镜。 n光栅副主要是由主光栅和指示光栅组成， 是光栅传感器的核心部分。 14.3 光栅式传感器 2）光栅式传感器的结构 主光栅是测量的基准（又称为标尺光栅），其长度由测 量范围确定；而指示光栅一般比主光栅短得多，为一小块， 只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可，通常刻有与主光 栅同样密度的线纹（如图所示）。 光电接收元件是 将光栅副形成的莫尔 条纹的明暗强度变化 转化为电量输出，主 要包括有光电池和光 敏三极管。 14.3 光栅式传感器 3）光栅传感器工作原
12、理 (1) 莫尔条纹形成的原理 n 光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的 。莫尔条纹：指把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠 合(片间留很小的间隔)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持 很小夹角 ，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间条 纹。 n 横向莫尔条纹的斜率为： tan=tan/2 n 横向莫尔条纹（宽带与暗 带）的间距为: 14.3 光栅式传感器 3）光栅传感器工作原理 （1）莫尔条纹形成的原理 n 可见，莫尔条纹的宽度由光栅常数与光栅的夹角决定。对 于给定光栅常数的两光栅，夹角愈小，条纹宽度愈大，条纹 愈稀，通过调整夹角，可使条纹宽度具有任何所需要的值。 （2）莫尔条
13、纹的特性 n运动对应关系 n 莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅 的位移量和位移方向有严格的对应关系。 n位移放大作用 n 莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为： n减小误差作用 n 莫尔条纹是由光栅的大量栅线(常为数百条)共同形成的， 对栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距的局 部误差和短周期误差的影响。 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） n 在光栅传感器中，用来照明和接收莫尔条纹信号的光学 系统有多种型式。 n直接接收式光学系统 n左图所示为一般的透射光路，右图所示为一般的反射光路 。 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） 影像式
14、光学系统 n 右上图所示为最简单的影 像式光学系统 n 右下图所示为没有指示光 栅的影像式光学系统 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） 分光式光学系统 n 分光式光学系统只适用于细栅距的 相位光栅。 n 右图所示为一典型的透射分光式光 学系统。 n 左下图所示是四分透镜分光式光路。 n 右下图为反射分光式光学系统。 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） 粗细栅距组合的光学系统 n左下图所示是粗细栅距组合的光学系统。 相位调制型光学系统 n右下图所示是利用光学机械原理的相位调制型光学系统。 14.3 光栅式传感器 5）光栅辨向原理 n 实用中，大部分被测物体
15、的移 动非单向，即有正、反向运动。 n 单个光电元件缺乏辨向能力，从 正向移n个栅距得n个信号脉冲，反 向移m个栅距得m个信号脉冲，总 计n+m个脉冲。这和单向移n+m个 栅距的脉冲数相同，因而结果不正 确。如能根据正、反向移动，对脉 冲进行加、减计数，可得正确结果。 n 完成上述任务的电路是辨向电路。 为了辨向，在相距四分之一条纹间 距的位置上设光电元件1和2，得两 个相位互差90的莫尔条纹正弦信号， 然后送辨向电路处理。 14.3 光栅式传感器 6）细分技术 n 所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出多 个脉冲，以减小脉冲当量值从而提高分辨率。 n 常用的电子细分有直接细分法、电阻电桥细分法和电阻 链细分法三种。 14.3 光栅式传感器 7）光栅传感器的应用 n 光栅传感器在检测技术领域中有着广 泛应用，目前较成熟的应用范围有： 长度和角度的精密测量 复合参数测量 数控机床的伺服系统、数控系统的位 置检测 其他物理量检测。如速度、加速度、 振动、应力、应变、三维面形的检测。 n左上图为万能比长仪的工作原理图 n右下图为三坐标测量机中光栅部件的 工作原理图
