第11章数字式传感器

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1、第11章 数字式传感器 11.1 编码器11.2 计量光栅11.3 数字式传感器的应用n数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。n优点：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与 微机接口，适宜远距离传输。n两种类型：n以编码方式产生代码型的数字信号n也称为编码器。它输出的信号是数字代码，每一个代码对应一个输 入量的值。n输出计数型的离散脉冲信号n称为脉冲数字传感器。它输出的脉冲数与输入量成正比。如计量光 栅。n数字式传感器可用于测量位移（包括线位移和角位移）和计数。11.1 编 码 器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码

2、器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。 11.1.1 码盘式编码器n(1)接触式编码器四位二进制码与循环码对照表 码制转换（2）光电式编码器光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，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透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按

3、一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。 图11.4 光电式编码器示意图编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循环码等。 对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n， 一个6位二进制码盘， 其最小分辨的角度5.6。 采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。

4、 这主要是因为二进制码当某一较高的 数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。 为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码 是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发 生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且 只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最 低位的一个比特。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同 编码，最小分辨率=360/2n。 （3） 电磁式编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成。多极磁鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓， 在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成形； 另一种是在铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。多

5、极磁鼓产生的空间磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关， 而与电流平行的磁场无关。 图11.6 磁编码器的基本结构电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于

6、变压器， 输出电压会很高，因此可以区分 状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。 脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数 系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。11.1.2 脉冲盘式编码器辨向原理11.2 计量 光栅 11.2.1 光栅的结构及工作原理1. 光栅结构在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常

7、数）。通常a=b=W/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。 2. 光栅测量原理把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。 图11.10 光栅莫尔条纹的形式莫

8、尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。 （2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。 (3)

9、误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。 11.2.2 计量光栅的组成计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 1. 光电转换光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比主光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 主光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量

10、范围，指示光栅相对于光电元件固定。图11.11 光栅读数头结构示意图 莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数如以电压输出，即 输出电压反映了位移量的大小。2. 辨向与细分光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量， 因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。 为了辨别位移的方向， 进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送

11、入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。 （1） 辨向原理 为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。 在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。 当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲, 正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出

12、；而u1的反相微分脉冲则发生在u2 的“1”电平时， 与门Y2输出一个计数脉冲u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。 这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲， 再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。 (2) 细分技术前面以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。细分方法有机械细分和电子细分两类。11.3 数字式传感器的应用n11.3.1 光电式编码器的应用n位置测量n转速测量n11.3.2 计量光栅的应用