第十三章 數字式傳感器

第十三章數字式傳感器第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四數字式傳感器與模擬式傳感器相比有以下優(yōu)點:（1）測量精度和分辨率高；（2）穩(wěn)定性好，抗干擾能力強；（3）便于與微機接口，信號易于處理和存儲．適宜遠距離傳輸；（4）可以減少讀數誤差。第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四數字式傳感器的發(fā)展歷史不長，到目前為止它有兩種類型：（1）以編碼方式產生代碼型的數字信號；代碼型數字傳感器又稱編碼器，它輸出的信號是數字代碼，每一個代碼對應一個輸入量的值。這類傳感器有絕對式光電編碼器和接觸式碼盤等.（2）輸出計數型的離散脈沖信號；計數型數字傳感器又稱脈沖數字傳感器，它輸出的脈沖數與輸入量成正比。這類傳感器有增量式光電脈沖編碼器、光柵傳感器等。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四數字式傳感器可以測線位移，也可以測角位移，還可用來計數。如計數型傳感器加上計數器可用來檢測輸送帶上的產品個數。數字式傳感器在自動檢測和自動控制中得到了日益廣泛的應用。本章主要介紹常用的數字式位置檢測傳感器，如光柵傳感器、光電式編碼器和感應同步器等。第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

13．1光柵傳感器

光柵按工作原理和用途可分為：物理光柵和計量光柵。物理光柵是利用光柵的衍射現象，主要用于光譜分析和光波波長的檢測。計量光柵則利用光柵的莫爾條紋現象．主要應用于線位移和角位移的檢測。計量光柵按應用場合不同有：透射光柵和反射光柵。按用途不同有：測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵；按光柵的表面結構不同有幅值(黑白)光柵和相位(閃耀)光柵。

第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．1．1光柵的結構及工作原理1．光柵結構

圖中a為柵線的寬度(不透光)，b為柵線間寬(透光)，“a+b＝w稱為光柵的柵距(也稱光柵常數)。通常a=b＝W／2，也可刻成a：b＝1.1：0.9。目前常用的光柵每毫米刻成l0、25、50、l00、250條等線條。第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四2．光柵測量原理

把兩塊柵距相等的光柵(光柵l，光柵2)面向對替合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，如圖13—2所示。這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

長光柵橫向莫爾條紋兩塊光柵的柵線重合部位，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構成的；兩塊光柵的柵線錯開部位，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應形成的。第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四莫爾條紋測位移具有以下特點：(1)位移的放大作用當光柵每移動一個光柵柵距W時．莫爾條紋便跟著移動—個條紋寬度BH．如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關系為θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1／θ倍。例如θ＝0.1度，則1/θ=573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍．這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四(2)莫爾條紋移動方向反映位移方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之．當光柵l向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。因此根據莫爾條紋移動方向就可以對光柵l的運動進行辨向。(3)誤差的平均效應莫爾條紋由光柵的大量刻線形成．對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用．能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

（4）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化

第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．1.2光柵傳感器的組成

光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數頭、光柵數顯表兩大部分。光柵讀數頭利用光柵原理把輸入量(位移量)轉換成響應的電信號的部分；光柵數顯表是實現細分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四1．光柵讀數頭

光柵讀數頭主要由標尺（主）光柵、指示（副）光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。

指示光柵比標尺光柵短得多．但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊。兩者之間有微小的空隙。標尺光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四從圖看出，兩條暗帶中心線之間的光強變化是從黑暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經漸亮到漸暗，再到最暗的漸變過程。主光柵移動一個柵距W．光強變化一個周期．若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉換為電信號.接近于正弦周期函數，如以電壓輸出．即第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

2．光柵數顯表

光柵讀數頭實現了位移量由非電量轉換為電量，位移是向量．因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應確定其方向。為了辨別位移的方向，進一步提高測量的精度，以及實現數字顯示的目的，必須把光柵讀數頭的輸出信號送入數顯表作進一步的處理。光柵數顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數字顯示電路等組成。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四辨向原理：采用一個光電元件的光柵讀數頭，無論主光柵作正向還是反向移動，莫爾條紋都作明暗交替變化，光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號，不能辨別運動方向。為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個電信號。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四（2)細分技術為提高分辨率和測量比柵距更小的位移量，可采用細分技術。

所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內，發(fā)出若干個脈沖，如一個周期內發(fā)出n個脈沖。即可使測量精度提高到n倍，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。

第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差的電信號、若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內得到四個計數脈沖，實現四倍頻細分。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．2編碼器

將機械轉動的模擬量(位移)轉換成以數字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四編碼器按其結構形式有接觸式、光電式、電磁式等，后兩種為非接觸式編碼器。非接觸式編碼器具有非接觸、體積小和壽命長，且分辨率高的特點。其中光電式編碼器的性價比最高，它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術中得到了廣泛的應用。目前我國已有23位光電編碼器。

第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．2．1光電式編碼器

由安裝在旋轉軸上的編碼圓盤(碼盤)、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。當光源將光投射在碼盤上時，轉動碼盤，通過亮區(qū)的光線經窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件輸出信號的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數字量。第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四二進制碼盤具有以下主要特點:(1)一個n位二進制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為(2)二進制為有權碼，編碼Cn,Cn-1’….,C1對應于有零位算起的轉角為；（3）碼盤轉動中，CK變化時，所有的Cj(j<K)應同時變化。

第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數的粗誤差。這主要是因為二進制碼當某一較高的數碼改變時，所有比它低的各位數碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。為了消除粗誤差，可采用雙讀數頭法，或用循環(huán)碼代替二進制碼。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四（1）循環(huán)碼是一種無權碼，（2）從任何數變到相鄰數時，僅有一位數碼發(fā)生變化，如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現讀數誤差．產生的誤差最多等于最低位的一個比特。（3）對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進制碼一樣，具有種不同編碼，最小分辨率為

第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四因為循環(huán)碼是一種無權碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉換成二進制碼然后再譯碼。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．2．2磁編碼器

由磁鼓與磁阻探頭組成。

第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

13.3感應同步器

感應同步器是利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理，將直線位移或角位移轉換成電信號。第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．3．1結構原理

感應同步器有直線式和旋轉式兩種，分別用于直線位移和角位移測量，兩者原理相同。直線式(長)感應同步器由定尺和滑尺組成。在定尺和轉子上的是連續(xù)繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，在空間相差90度相角，故又稱為正弦、余弦繞組。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四13．3．2信號處理方式

按信號處理方式來分．可分為鑒相和鑒幅方式兩種。特征是用輸出感應電動勢的相位或幅值來進行處理。下面以長感應同步器為例進行敘述。1．鑒相方式

滑尺的正余弦繞組在空間位置上錯開l/4定尺節(jié)距，激勵時加上等幅等頻，相位差為90度的交流電壓，即分別以sinwt和coswt來激勵，這樣，就可根據感應電勢的相位來鑒別位移量，故叫鑒相型。

第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四當正弦繞組單獨激勵時勵磁電壓為感應電勢為式中：k為耦合系數。當余弦繞組單獨激勵時(勵磁電壓)，感應電勢為

第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四按疊加原理求得定尺上總感應電動勢為

式中的θ＝2πx/w稱為感應電動勢的相位角，它在一個節(jié)距W之內與定尺和滑尺的相對位移有一一對應的關系，每經過一個節(jié)距，變化一個周期(2π)。

第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四2．鑒幅方式

如在滑尺的正弦、余弦繞組加以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據感應電勢振幅來鑒別位移量，