传感器原理与应用10.数字式传感器10 数字式传感器数字式传感器具有高的测量精度和分辨率，测量范围大； 抗干扰能力强，稳定性好； 信号易于处理、传送和自动控制； 便于动态及多路测量，读数直观，可靠性高；1.数字输出：绝对编码器； 2.脉冲输出：增量编码器、感应同步器、磁栅、容栅、 光栅等； 3.频率输出：RC频率式、振体、振梁式； 4.集成数字传感器数字传感器： 把被测(模拟)量直接转换成数字量输出的传感器模拟量 数字信号数字传感器10.1 感应同步器位移量数字量电磁感应原理感应同步器是多极感应元件多极结构对误差起补偿作用测量位移： 精度高；工作可靠、抗干扰能力强；可级联使用测量直线位移：直线式感应同步器 定尺和滑尺测量角位移： 旋转式感应同步器 转子和定子数字式传感器10.1.1 感应同步器的结构与类型1.结构组成 250mm定尺：250mm 节距： 通常：定尺绕组的导片宽度 要考虑消除高次谐波 ：正整数谐波次数显然数字式传感器滑尺： 两绕组差90o电角度10.1.1 感应同步器的结构与类型1.结构组成 250mm余弦绕组正弦绕组两相绕组中心距 ：通常：数字式传感器感应同步器定尺和滑尺的截面结构钢板钢板粘合剂铜箔绕组耐腐蚀耐磨绝缘层铝箔层定尺滑尺数字式传感器2.感应同步器的类型①直线(位移)式②旋转式标准型感应同步器：精度最高窄型感应同步器：宽度较标准型窄， 磁感应强度比标准型低，精度稍差带型直线式感应同步器：长度达3m， 刚性较差，测量精度低于标准型标准型直线式感应同步器的外形尺寸——增量测量系统。
只能在一个周期(2mm)内进行电气细分，对2mm以上的位 置无法确定系统断电，计数值将无法保留，重新上电，只能确定在 2mm以内的绝对数值数字式传感器粗中细细：中：粗：绝对坐标测量系统三速式直线感应同步器：数字式传感器旋转式感应同步器定子：相当于滑尺转子：相当于定尺直径：极数：偶合：偶合变压器、导电环数字式传感器定子转子感应同步器实物外观数字式传感器10.1.2 感应同步器的工作原理由 激磁的感应电势曲线数字式传感器由 激磁的感应电势曲线10.1.2 感应同步器的工作原理数字式传感器滑尺移动一个节距 感生电动势变化一个周期规律：在一个节节距内：检测 的变化，即可检测一个节距内的位移量 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正弦绕组余弦绕组则定尺上的感应电势 和 可用下式表达：或：其中： ——耦合系数；——与位移 等值的电角度，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 数字式传感器1.鉴相法 ——根据感应电势的相位来测量位移数字式传感器给滑尺的S和C绕组以等频、等幅、相位差为 的电压分 别激磁，就可根据感应电势的相位来鉴别位移量。
角变化为 ,其总感应电动势 与两尺的相对位移若定尺节距为 (标准为 )，机械位移 引起的电相关系为：2.鉴幅法 ——根据感应电势的幅值来测量位移若在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和 相位相同、但幅值不等的正弦激磁电压，则可根据感应 电势的幅值来鉴别位移量：数字式传感器感应电势的幅值即幅值与 有关10.1.3 数字测量系统1.鉴相法测量系统计数显示位移—相位转换模—数转换通过感应同步器将位移量转换为电的相位移将代表位移量 (定尺输 出电压的相位)的变化再 转换为数字量数字式传感器移动方向数字式传感器REFAD2S90SINCOSAGND DGNDVSSVDDDIR正弦波 发生器功放数字式传感器数字式传感器2.鉴幅法测量系统－将代表位移量的电压幅值转换成数字量数字式传感器10.1.4 感应同步器的接长使用标准型直线式感应同步器定尺的长度为250mm当测量长度超过250mm时，需要用多块定尺接长使用定尺接长后全行程的测量误差大于单块定尺的最大 误差，这是因为接缝处的误差与每块定尺的误差曲线 的不一致性所致定尺接长输出电势减小精度：测长时误差约为测角时误差约为数字式传感器数字式传感器磁栅传感器磁栅磁头磁尺(非导磁性材料)励磁绕组感应绕组节距数字式传感器工作原理静态磁头在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率 为 或 ，幅值约为 。
励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内 发生两次磁饱和磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁 芯，输出绕组不产生感应电动势只有在励磁电流每周两次过零时，磁芯才能导磁，磁栅 上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势 可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而 的 包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到 磁芯漏磁通的大小成正比数字式传感器容栅传感器定尺反射极板接收极板动尺发射极板ABCDEFGHABCDEFGHABCDEFGHABCDEFGH数字式传感器当动尺向右移动距离 时，发射电极与反射电极间的相对 面积发生变化，反射电极上的电荷量发生变化，并将电荷 感应到接收电极上，则在接收电极上累积的电荷 为：电荷系数位移对应的相位角激励信号频率相位角 为： 数字式传感器容栅传感器的测量电路振荡器时钟 电路纽扣 电池电压 测量升压 电路显示 驱动鉴相器解调器运算器LCD 显示器自动延 时断电 8 相 驱 动 器容栅传感器10.2 光栅由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相问排 列构成的光器件物理光栅刻线细密光的衍射现象， 光谱分析和光波长测定等光栅的莫尔条纹，位移的 精密测量与控制。
计量光栅应用透射光栅和反射光栅长光栅：测量线位移圆光栅：测量角位移表面结构幅值(黑白)光栅：栅线与缝隙黑白相间相位(闪耀)光栅：横断面呈锯齿状偏振光栅、全息光栅数字式传感器10.2.1 光栅的结构与测量原理1.莫尔条纹数字式传感器10.2.1 光栅的结构与测量原理1.莫尔条纹常用的光栅每毫米10、25、50和100条线为刻线宽度， 为缝隙的宽度， 为栅距(节距)一般数字式传感器莫尔条纹具有三个特点：①莫尔条纹具有位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距 与栅距 及光栅夹角 具 有如下关系：令放大倍数为 ，则：对于100线/mm的光栅，栅距为0.01mm，当夹角为 0.06°时：放大了1000倍数字式传感器②莫尔条纹移动与光栅移动的对应关系指示光栅不动，主光栅沿 轴平移时，莫尔条纹沿近似 垂直于光栅移动方向(即近似沿 轴方向)移动当光栅改变移动方向时，莫尔条纹随之也改变移动方向——可通过莫尔条纹的移动方向来判别光栅的移动方向移动距离 ：刻线数当 和 一定时， 与移动的距离 成正比 数字式传感器③误差减小作用光栅在制造过程中，必然会引入刻画误差莫尔条纹 是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有 平均作用，从而在很大程度上消除栅距的局部误差及短 周期误差的影响。
刻画误差是随机误差设单个栅距误差为 ，形成莫 尔条纹的区域内有 条刻线，则综合误差 为：数字式传感器2.光电转换光电元件的输出电压 (或电流 )由直流分量和幅值为 的交流分 量叠加而成，即：数字式传感器10.2.2 数字转换原理1.辨向原理数字式传感器2.电子细分（倍频）细分方法锁相细分四倍频细分电桥细分：细分数12～60电平切割细分：细分数<100调制信号细分 细分数可达1000微处理器细分：细分数可变测量就是将被测量与标准量进行比较，标准量是用 标准器来体现的被测量通常不会恰好是标准器分划 值的整数倍为了比较正确地反映出被测量中不足一个分划值的 那部分，必须对标准器进行插值或称细分，才能获得 高的精度数字式传感器10.3 编码器（码盘）特点：高精度、高分辨率和高可靠性直线式编码器旋转式编码器结构形式 数字式角位移测量传感器10.3.1基本结构与原理旋转式编码器：①增量编码器②绝对编码器一个 位的码盘，它的分 辨角度为：数字式传感器数字式传感器接触式 光电式 电磁式Ø 码盘基片上有多圈码道，各码道的等分数相等；Ø 对应每圈都有传感器；Ø 输出信号的路数与码盘圈数一致；Ø 检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的 转动角度。
10019010110110111001112101113011114111115000181110701106101050010411003010021000100000二进制编码器结构+5V导体,接地 二进制码盘分辨角度数字式传感器10019010110110111001112101113011114111115000181110701106101050010411003010021000100000数字式传感器二进制编码的特点：Ø 编码循序与位置循序相一致；Ø 易产生非单值性误差 10119111110011111010112110113100114000115001180010710106111050110401003110021000100000+5V导体,接地格雷码盘分辨角度数字式传感器格雷码（循环码）编码器结构+ 01110 右移一位并舍去格雷码（循环码）编码器结构数字式传感器特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把 误差控制在最小单位上但编码与位置循序无直接规律 格雷码的编码方法：从二进制码转换而来，转换规则为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码做不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)。
例：二进制码1110 → 格雷码 1110 二进进制码码1001 格雷码码10.3.2旋转式光电编码器1.绝对编码器编码：格雷码光源：发光二极管光敏元件：硅光电池或光电晶体管光学码盘：照相腐蚀法精度：10-8绝对编码器在转轴的任意位置都可给出一个固定的 与位置相对应的数字码输出对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必 须有n条码道数字式传感器利用光学分解技术可以获得更高的分辨率数字式传感器2.增量编码器增量编码器，一般只需三条码道增量码道(S1)辨向码道(S2)基准扇形区的多少决定了 编码器的分辨率，扇 形区越多分辨率越高扇形区与外圈码 道数目相同，但 错开半个扇形区脉冲信号将给计数系统提供一 个初始的零位(清零)信号S1S2Z 正转反转数字式传感器2.增量编码器数字式传感器3.光电增量编码器的应用LEC型小型光电编码器最大允许转速：5000r/min 最高分辨力：2048脉冲/转 电源电压：5V、12V、15V 输出方式：电压输出、集电极 开路输出(OC门)、差分线性驱 动器输出光电编码器+5V+-(1)典型产品数字式传感器(2)测量转速 方法1：在给定的闸门时间内对编码器的输出脉冲进行 计数，它所测量的是平均转速。
分辨率随被测 转数而变，其 测量精度取决 于闸门时间码盘转速计数值分辨率60r/min3601/3606000/min360001/36000360脉冲/转,闸门时间为lSec适应测平均转速数字式传感器方法2：计数器的计数脉冲来自较高频率时钟，而计数 器的闸门信号是编码器输出脉冲码盘转速时钟周期计数值分辨率100/min0.006s60001/60006000/min0.0001s1001/100编码器:100脉冲/转，时钟频率为1MHz随转速升高 分辨率降低适应测瞬时转速数字式传感器(3)测量线位移须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10.3.3 测量电路传感检测元件、光敏元件、输出信号调理电路一般都 整体封装，只要加上计数与细分电路(统称测量电路)就 可组成一个位移测量系统测量电路一般有计数电路和细分电路，现在一般采用 专用的集成电路芯片和微处理器来构建，具有可靠性高 ，接口灵活和固件可升级的特点随着大规模集成电路的普及，各厂家都推出了系列的 用于数字信。