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1、第十一章第十一章 数字式传感器数字式传感器随随着着计计算算机机技技术术的的迅迅速速发发展展和和广广泛泛的的渗渗透透，对对信信号号的的检测、控制和处理，必然进入检测、控制和处理，必然进入数字化数字化阶段。阶段。比较常用方法：比较常用方法：利利用用模模拟拟式式传传感感器器和和A/D转转换换器器将将信信号号转转换换成成数数字字信信号，然后由微机或其它数字设备处理。号，然后由微机或其它数字设备处理。优点：简便、适用。优点：简便、适用。缺缺点点：A/D转转换换器器的的转转换换精精度度受受到到参参考考电电压压精精度度的的限限制而不可能很高，系统的总精度将受到限制。制而不可能很高，系统的总精度将受到限制。一
2、、定义一、定义数数字字式式传传感感器器：一一种种能能把把被被测测模模拟拟量量直直接接转转换换成成数数字字量的输出装置。量的输出装置。皇钒遏守末摘扼快罢铭谰炳鹊想常刨细龚剃炎夕肠浊旅义尚僧胞莱批大梦第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛数字式传感器数字式传感器特点特点： 测量的精度和分辨率更高，测量的精度和分辨率更高， 抗干扰能力更强，稳定性更好，抗干扰能力更强，稳定性更好， 易于与微机接口，易于与微机接口， 便于信号处理和实现自动化测量。便于信号处理和实现自动化测量。二、二、编码器编码器（一）定义（一）定义 将机械转动的模拟量转换为
3、旋转角切割的数字信号以将机械转动的模拟量转换为旋转角切割的数字信号以进行角位移检测的传感器。进行角位移检测的传感器。编码器主要分为：脉冲盘式，码盘式。编码器主要分为：脉冲盘式，码盘式。脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器不不能能直直接接输输出出数数字字编编码码，需需要要增增加加有有关关数字电路才可能得到数字编码数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器能直接输出某种码制的数码码盘式编码器能直接输出某种码制的数码 。 瓶荐山撤眺读裹安颓月浚州够恃辊瞒瀑眠粗椭汕襄纵蜕访糕之匆具肆芍钻第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛编码器编码器 脉冲盘式编码
4、器脉冲盘式编码器码盘式编码器码盘式编码器（绝对编码器）（绝对编码器） 接触式编码器接触式编码器电磁式编码器电磁式编码器光电编码器光电编码器这两种形式的数字传感器，由于它们的高精度、高分这两种形式的数字传感器，由于它们的高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。（二）码盘式编码器（绝对编码器）（二）码盘式编码器（绝对编码器）将将角角度度转转换换为为数数字字编编码码，能能方方便便地地与与数数字字系系统统（如如微微机）联接。机）联接。按按其其结结构构可可分分为为接接触触式式、光光电电式式和和电电磁磁式式三三种种。后后两两种为非接触式编
5、码器。种为非接触式编码器。目前，使用最多的是光电编码器目前，使用最多的是光电编码器 。路羡昧膊柿帖苟收欧襟碎智命凰优炸利虹荧逐虎壁镰划艾信宫滇荒敌糙换第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛1、接触式编码器、接触式编码器 结构与工作原理结构与工作原理接触式编码器组成：码盘，电刷接触式编码器组成：码盘，电刷码码盘盘利利用用制制造造印印刷刷电电路路板板的的工工艺艺，在在铜铜泊泊板板上上，制制作作某某种种码码制制图图形形（如如8-4-2-1码码，循循环环码码等等）的的盘盘式式印印刷刷电路板。电路板。电电刷刷是是一一种种活活动动触触头头结结构
6、构，在在外外界界力力的的作作用用下下，旋旋转转码码盘盘时时，电电刷刷与与码码盘盘接接触触处处就就产产生生某某种种码码制制的的某某一一数数字编码输出字编码输出。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儡苹主适煌凄土琢水妈钦鸦炎卵兹嗅替胳恰珐侣宠铺狰胯婿队甜虾旅怜吗第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛一个四位一个四位8-4-2-1码制的编码器的码盘示意图。码制的编码器的码盘示意图。四位二进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，四位二进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电
7、阻接地，四个电刷沿某一径向安装。电刷经电阻接地，四个电刷沿某一径向安装。涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位（“1”）。）。空白处为绝缘区，为低电位（空白处为绝缘区，为低电位（“0”）。）。当码盘转动某一角度后，电刷就输出一个数码。当码盘转动某一角度后，电刷就输出一个数码。码盘转动一周电刷就输出码盘转动一周电刷就输出16种不同的四位二进制数码。种不同的四位二进制数码。 唆筑当厢彰级篓兔梢吹若挪泵熬祁山苑尺您械篆蛛雇裤浓枉狈戈鹃珠短惮第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛二进制码盘所能分辨的
8、二进制码盘所能分辨的旋转角度旋转角度为为 =360/2n；若若n=4，则，则 =22.5；位数越多，分辨的角度越小。位数越多，分辨的角度越小。取取n=8，则，则 =1.4。分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。严格。当当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，这种接触式码盘将难以制作。难以制作。8-4-2-1码制的码盘，由于正、反向旋转时，因为电刷码制的码盘，由于正、反向旋转时，因为电刷安装不精确引起的机械偏差，会产生安装不精确引起的机械偏差，会产生非单值误差非单值误差。威嫉爪裔亡刮真罩谆贤充贿凹兼祝币帮
9、卜动烫弗番版亿雅象诉薄剔搞苇蒜第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛例如例如: 当电刷由二进制码当电刷由二进制码01110111过渡到过渡到10001000时，本来是时，本来是7 7变为变为8 8；如果电刷进入导电区或绝缘区先后不一致，可能会出现：如果电刷进入导电区或绝缘区先后不一致，可能会出现：8 8到到1515之间的任一十进制数，产生之间的任一十进制数，产生“非单值误差非单值误差”。采用采用8-4-2-18-4-2-1码制的码盘，虽然比较简单，码制的码盘，虽然比较简单，对码盘的制作和安装要求严格，否则会产生错码。对码盘的制作和安
10、装要求严格，否则会产生错码。若使用循环码制即可避免此问题。若使用循环码制即可避免此问题。 循环码循环码的特点的特点: : 相邻两个数码间只有一位变化相邻两个数码间只有一位变化，避免了制造或安装不精，避免了制造或安装不精确而带来的非单值误差。确而带来的非单值误差。由由循循环环码码的的特特点点可可知知，即即使使制制作作和和安安装装不不准准，产产生生的的误误差最多也只是一个差最多也只是一个bitbit。采用循环码盘比采用采用循环码盘比采用8-4-2-18-4-2-1码盘的精度高。码盘的精度高。意漏蒜里蔷亥暖驶零再拱蚜笑判帧台疚壕鸿宅柞幻俐弥镑亥俯骡椰慧鄂幼第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展
11、和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛（三）（三）光电式编码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。接触式编码器的分辨率受电刷的限制，不可能很高。光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元光电元件件代替机械的代替机械的接触电刷接触电刷，其测量精度和分辨率能达到，其测量精度和分辨率能达到很高水平，所以它在自动控制和自动测量技术中得到很高水平，所以它在自动控制和自动测量技术中得到了广泛的应用。了广泛的应用。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：光电编码器的最大特点：非接触
12、式非接触式。使用寿命长，可靠性高。使用寿命长，可靠性高。它是一种它是一种绝对编码器绝对编码器。即：。即：几位编码器其码盘上就有几位码道。几位编码器其码盘上就有几位码道。编码器在转轴的任何位置都可以输出：编码器在转轴的任何位置都可以输出：一个固定的一个固定的与位置相对的数字码与位置相对的数字码。 潜衰恿班侮燃游枕躯模瓦液敝庐戮吱充味忌宿载皇掳忻吠钡筐养既翱域杆第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛光电编码器的光电编码器的码盘码盘：在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形，几在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形，几位编码器其码盘
13、上就有几位码道。位编码器其码盘上就有几位码道。在几个码道旁，装有在几个码道旁，装有相同个数的光电转换元件相同个数的光电转换元件代替接代替接触式编码器的电刷。触式编码器的电刷。将接触式码盘上的高、低电位用将接触式码盘上的高、低电位用光源光源代替。代替。 延赴蹄漠火串咳序桐筑烘硕绎贼缆违款洒诌释瞩赵外捧犬庆源法尹惑羡眺第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛当当光光源源经经光光学学系系统统形形成成一一束束平平行行光光投投射射在在码码盘盘上上时时，转转动动码码盘盘，光光通通过过码码盘盘的的透透光光和和不不透透光光区区，在在码码盘盘的的另另一
14、一侧侧就就形形成成了了光光脉脉冲冲，脉脉冲冲照照射射在在光光电电元元件件上上就就产产生生了了与与光脉冲相对应的光脉冲相对应的电脉冲电脉冲。码盘上的码盘上的码道数码道数就是该码盘的就是该码盘的数码位数数码位数。由由于于每每一一个个码码位位有有一一个个光光电电元元件件，当当码码盘盘旋旋至至不不同同位位置置时时，各各个个光光电电元元件件根根据据受受光光照照与与否否，就就能能将将间间断断光光转转换换成电脉冲信号。成电脉冲信号。厂驼象冤料泵协谋虎汉宵挡捎颤娟肆发棉铸村瓜厩奉诲芦崎舅氮哉怨轩梯第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛光电编码器的精
15、度和分辨率取决于：光电编码器的精度和分辨率取决于：光码盘的精度和分辨率（取决于光码盘的精度和分辨率（取决于刻线数）刻线数）。光光电电编编码码器器比比接接触触式式的的码码盘盘编编码码器器精精度度要要高高很很多多个个数数量量级级。如如果果再再进进一一步步采采用用光光学学分分解解技技术术，可可获获得得更更多多位的光电编码器。位的光电编码器。光电编码器与接触式码盘编码器一样，通常采用：光电编码器与接触式码盘编码器一样，通常采用：循环码循环码作为最佳码形，解决非单值误差的问题。作为最佳码形，解决非单值误差的问题。光电码盘的优点光电码盘的优点：没有触点磨损，允许高速转动。：没有触点磨损，允许高速转动。缺点
16、：其结构较为复杂，光源寿命较短。缺点：其结构较为复杂，光源寿命较短。 （二）提高分辨率的方法（二）提高分辨率的方法插值法插值法为了提高测量的精度和分辨率，为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法常规的方法：增加码盘的码道数，即增加刻线数。增加码盘的码道数，即增加刻线数。当刻度数多到一定数量后，工艺就难以实现。当刻度数多到一定数量后，工艺就难以实现。 嗅冯署妇杂奔擎绊毫墓铬揍用推诧曰湘窍上槽痈翼匡谋奴巴了流烫约搭酣第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛插值法设计思想插值法设计思想：19位光电编码器，位光电编码器，若码盘已具有若码盘已具有
17、14条（位）码道，在条（位）码道，在14位码道上增加一条专用位码道上增加一条专用附加码道附加码道。附加码道的形状和光学的几何结构与前附加码道的形状和光学的几何结构与前14位有所差异，位有所差异，且使之与光学分解器的多个且使之与光学分解器的多个光敏元件光敏元件相配合，产生较相配合，产生较为理想的正弦波输出，通过平均电路进一步处理，获为理想的正弦波输出，通过平均电路进一步处理，获得更得更理想的正弦和余弦信号理想的正弦和余弦信号。砷鸟堆疯后钧脖渐艺寅咽芽歼媳顷摩族奋驾埃崭分程乙凋琳准翰詹葡威废第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛附加码道
18、输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的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，形成系数叠加在一起，形成3232个相移不同的正弦信号个相移不同的正弦信号，每两每两个正弦信号之间的相位差为个正弦信号之间的相位差为 /16，各正弦波信号再经过各正弦波信号再经过零比较器转换为一系列脉冲。零比较器转换为一系列脉冲。通过插值器通过插值器细分了细分了附加码道的光电元件输出的信号，经附加码道的光电元件输出的信号，经过双稳触发器产生了过双稳触发器产生了附加的低位的附加的低位的5 5位有效数位位有效数位，使编使编码器分辨率从码器分辨率从2-14提高到提高到2-19。 弘谎闽穷罐司淄圣稼矗
19、妈霖八旨临祈辞丽末址效卯蟹棠挨惭急上解氓站寇第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛实例：实例：1、光电位移传感器的应用、光电位移传感器的应用要求：对物体位移的要求：对物体位移的起始起始和和终止点终止点的位置进行准确测量。的位置进行准确测量。传感器选型：光电断续器传感器选型：光电断续器2、利用、利用增量式增量式光电编码盘光电编码盘测转速测转速特点：数据处理电路简单，检测精度高，特点：数据处理电路简单，检测精度高， 抗震性差，不耐冲击及振动。抗震性差，不耐冲击及振动。揪只走檀蓬白购吼泄卞钧翅宁汰骋圾层歌秘派档隘秽辙浙颂账灯够锡渍础第十一
20、章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛增量式光电编码盘组成：增量式光电编码盘组成： 与电机同轴相连的码盘与电机同轴相连的码盘 码盘上有三圈透光细缝，码盘上有三圈透光细缝，A、B道细缝数相等，位置道细缝数相等，位置相错相错90电角度，输出波形为互错电角度，输出波形为互错90的脉冲。第三圈的脉冲。第三圈只有一个细缝，码盘转一圈才有一个只有一个细缝，码盘转一圈才有一个C脉冲。脉冲。由光敏元件构成的脉冲产生电路（产生测速脉冲）由光敏元件构成的脉冲产生电路（产生测速脉冲）电机正、反转的检测电路电机正、反转的检测电路农挠参降疼钱狰筐饱放扬鬃祈诺姓猎尝
21、瘸肚人就屠摇陆喻怔垮垛歹指脂堪第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛利用码盘和接口电路可以计算转速。利用码盘和接口电路可以计算转速。测量方法测量方法：脉冲积分法，脉冲间隔法脉冲积分法，脉冲间隔法（1）脉冲积分法脉冲积分法（M法）法）在一定的在一定的采样间隔时间采样间隔时间Ts内，将来自编码器的脉冲串用内，将来自编码器的脉冲串用计数器累计，计算转速。计数器累计，计算转速。 n=6000m/MTsm:在在Ts时间内的脉冲数，时间内的脉冲数，M: 码盘每圈的脉冲数码盘每圈的脉冲数脉冲积分法缺点：脉冲积分法缺点：低速时测速受到限制。低速时测
22、速受到限制。采用该方法可测平均转速。采用该方法可测平均转速。罚兵即塑伶泵齿驼径仅任睹痒彻亮梅持碉忠纵菇霓屉忍登渝衔柒余撑等珐第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛（2）脉冲间隔法脉冲间隔法（T法）法）在码盘在码盘2个脉冲的间隔个脉冲的间隔Tw内插入内插入已知频率的高频脉冲已知频率的高频脉冲，计数脉冲个数，从而计算转速。计数脉冲个数，从而计算转速。 n=6000fc/MNfc : 插入高频脉冲的频率插入高频脉冲的频率M: 码盘每圈的脉冲数码盘每圈的脉冲数N：在：在Tw时间内的高频脉冲个数时间内的高频脉冲个数采用该方法可测瞬时转速。采用该方法可测瞬时转速。脉冲间隔法缺点：脉冲间隔法缺点：高速时上限测速受到限制。高速时上限测速受到限制。解决方法：解决方法：若在大范围内测速，可采用分段方式，在高速使采用脉若在大范围内测速，可采用分段方式，在高速使采用脉冲积分法，低速时采用脉冲间隔法。冲积分法，低速时采用脉冲间隔法。瞅刚宠哦审概航详妥黄扭镍霄旗趋恍蓑冰悲桓蔑疑指攻凿济剥肠净媳锋慑第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛第十一章数字式传感器随着计算机技术的迅速发展和广泛
