數(shù)字式傳感器

傳感器與檢測技術

朱啟兵zhuqib@163.com傳感器與檢測技術第11章數(shù)字式傳感器光柵1.2感應同步器11.111.2編碼器11.3頻率式傳感器11.4數(shù)字式傳感器

隨著微型計算機的迅速發(fā)展和廣泛應用泛應用，信號的檢測、控制和處理已進入的數(shù)字化時代。通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用微機和其他數(shù)字設備處理進行處理，這種方法簡便亦行，但系統(tǒng)的構(gòu)成也很復雜。數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問題而出現(xiàn)的，它能把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。數(shù)字式傳感器具有下列特點：1.具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；2.抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；3.信號易于處理、傳送和自動控制；4.便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；5.安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。

目前，常用的數(shù)字式傳感器有四大類：(1)柵式數(shù)字傳感器；(2)編碼器；(3)頻率/數(shù)字輸出式數(shù)字傳感器；(4)感應同步器式的數(shù)字傳感器。數(shù)字式傳感器感應同步器感應同步器時20世紀60年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。工作原理：電磁感應定律結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)是兩個平面形的矩形線圈，它們相當于變壓器的初、次級繞組，通過兩個繞組間的互感量隨位置變化來檢測位移量的。分類：①線位移感應同步器（標準型，窄型，帶型）；②圓盤感應同步器。工作特點：感應同步器是一種多極感應元件，由于多極結(jié)構(gòu)對誤差起補償作用，所以用感應同步器來測量位移具有精度高、工作可靠、抗干擾能力強、壽命長、接長便利等優(yōu)點。數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器直線式感應同步器的基本結(jié)構(gòu)它由定尺和滑尺兩部分組成。定尺和滑尺可利用印刷電路板的生產(chǎn)工藝，用覆銅板制成?；呱嫌袃蓚€繞組，彼此相距π/2或3π/4。當定尺柵距為W2時，滑尺上的兩個繞組間的距離L1應滿足如下關系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0時相差π/2，n=1時相差3π/4，n=2時相差5π/4。W2=2(a2+b2)W1=2(a1+b1)W1=W2正弦繞組余弦繞組數(shù)字式傳感器感應同步器的工作原理矩形載流線圈中通過直流電流I時的磁場分布示意圖如左下圖所示，線圈內(nèi)外的磁場方向相反。如果線圈中通過的電流為交流電流i(i=Isinωt)，并使一個與該線圈平行的閉合的探測線圈貼近這個載流線圈從左至右(或從右至左)移過，如右下圖所示。在(a)、(c)兩圖所示的情況下，通過閉合探測線圈的磁通量和恒為零，所以在探測線圈內(nèi)感應出來的電動勢為零；在(b)圖所示的情況下，通過閉合探測線圈的（交變）磁通量最大，所以在探測線圈內(nèi)感應出來的交流電壓也最大。載流線圈所產(chǎn)生的磁場載流線圈所產(chǎn)生的磁場I數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器定尺中的感應電勢隨滑尺的相對移動呈周期性變化；定尺的感應電勢是感應同步器相對位置的正弦函數(shù)。若在滑尺的正弦與余弦繞組上分別加上正弦電壓us＝Ussinωt和uc＝Ucsinωt，則定尺上的感應電勢es和ec可用下式表達：

其中：K——耦合系數(shù)；

θ——與位移x等值的電角度，θ＝2πx／W2數(shù)字式傳感器對于不同的感應同步器，若滑尺繞組激磁，其輸出信號的處理方式有:

1.鑒相法

2.鑒幅法

3.脈沖調(diào)寬法

三種。數(shù)字式傳感器所謂鑒相法就是根據(jù)感應電勢的相位來測量位移。采用鑒相法，須在感應同步器滑尺的正弦和余弦繞組上分別加頻率和幅值相同，但相位差為pi/2的正弦激磁電壓，即us＝Um·sinωt和uc＝Umcosωt。鑒相法根據(jù)式（10－2），當余弦繞組單獨激磁時，感應電勢為

同樣，當正弦繞組單獨激磁時，感應電勢為

數(shù)字式傳感器鑒幅法就是根據(jù)感應電勢的幅值來測量位移，此時感應同步器滑尺的正弦繞組和余弦繞組上分別加頻率和相位相同，但幅值不同的正弦激勵信號根據(jù)疊加原理，感應電勢為

鑒幅法若調(diào)整激勵電壓的則總感應電勢等于零數(shù)字式傳感器脈沖調(diào)寬法則在滑尺的正弦和余弦繞組上分別加周期性方波電壓,可認為感應電勢為脈沖調(diào)寬法數(shù)字式傳感器數(shù)字測量系統(tǒng)鑒相法測量系統(tǒng)圖10－9為鑒相法測量系統(tǒng)的原理框圖。它的作用是通過感應同步器將代表位移量的電相位變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。鑒相法測量系統(tǒng)通常由位移－相位轉(zhuǎn)換，模一數(shù)轉(zhuǎn)換和計數(shù)顯示三部分組成。

數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器位移－相位轉(zhuǎn)換的功能是通過感應同步器將位移量轉(zhuǎn)換為電的相位移。模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要功能是將代表位移量θ（定尺輸出電壓的相位）的變化再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。鑒相器是一個相位比較裝置，其輸人來自經(jīng)放大、濾波、整形后的輸出信號e，以及相對相位基準輸出信號θ’o。相對相位基準（脈沖移相器）實際上是一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、它是把加。減脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為電的相位變化。模數(shù)轉(zhuǎn)換的關鍵是鑒相器。

數(shù)字式傳感器

由以上分析可見鑒相法測量系統(tǒng)的工作原理是：當系統(tǒng)工作時，θ≈θ’，相位差小于一個脈沖當量。若將計數(shù)器置‘0’，則所在位置為“相對零點”。假定以此為基準，滑尺向正方向移動，Δθ的相位發(fā)生變化，θ與θ’之間出現(xiàn)相位差，通過鑒相器檢出相位差Δθ，并輸出反映θ’滯后于θ的高電平。該兩輸出信號控制脈沖移相器，使其產(chǎn)生相移，θ’趨近于θ。當?shù)竭_新的平衡點時，相位跟蹤即停止，這時θ≈θ’。在這個相位跟蹤過程中，插人到脈沖移相器的脈沖數(shù)也就是計數(shù)脈沖門的輸出脈沖數(shù)，再將此脈沖數(shù)送計數(shù)器計數(shù)并顯示，即得滑尺的位移量。另外，不足一個脈沖當量的剩余相位差，還可以通過模擬儀表顯示。數(shù)字式傳感器鑒幅法測量系統(tǒng)

此系統(tǒng)的作用是通過感應同步器將代表位移量的電壓幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光器件。按工作原理，有物理光柵和計量光柵之分，前者的刻線比后者細密。物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象，通常用于光譜分析和光波長測定等方面；計量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，它被廣泛應用于位移的精密測量與控制中。按應用需要，計量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，而且根據(jù)用途不同，可制成用于測量線位移的長光柵和測量位移的圓光柵。光柵

數(shù)字式傳感器透射式計量光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理計量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。它們是在一塊長條形光學玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線，如圖11-1所示。常用的光柵每毫米有10、25、50、100和250條線。主光柵的刻線一般比指示光柵長。若劃線寬度為a縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距W為W＝a+b。通常取a=b＝W/2。

若將兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個很小的角度θ，如右圖所示。由于遮光效應，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋。數(shù)字式傳感器如果改變θ角，兩條莫爾條紋問的距離B也隨之變化。由下圖可知，條紋間距B與柵距W和夾角θ有如下關系：當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個W，莫爾條紋也移動一個間距B。

θ越小，B越大，θ當小于1°以后，可使B>>W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應關系，就可以容易地測量莫爾條紋移動數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。數(shù)字式傳感器

1．光電轉(zhuǎn)換主光柵和指示光柵作相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信弓轉(zhuǎn)換成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如右圖(a)所示。當兩塊光柵作相對移動時，光敏元件上的光強光柵式傳感器的測量電路隨莫爾條紋移動而變化。在a處兩光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大；c處由于光被遮去一半，光強減?。籨處的光全被遮去的成全黑，光強為零；若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強又逐漸增大，因而形成了如上圖(b)所示的輸出波形。光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述：式中U0—輸出信號的直流分量；

Um—輸出信號的交流信號幅值；

x—光柵的相對位移量。數(shù)字式傳感器

2．辨向原理為了辨別主光柵是向左還是向右移動，可在相隔1/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，這兩只光敏元件輸出信號U1、U2的相位差將為π/2，可以根據(jù)它們超前/滯后的關系判別出指示光柵的移動方向，如下圖所示。兩種信號經(jīng)整形后得到方波U1/和U2/。U2/作為門控信號同U1/的微分信號一起輸入到與門Y1、同U1/倒相后的微分信號一起輸入到與門Y2。光柵右移時，U2/超前U1/，則先于U1/的微分信號打開了Y1，可從Y1得到向右移動脈沖輸出（Y1稱為右移動脈沖輸出端）；而U1/倒相后的微分信號到達Y2時Y2已關閉，則Y2（左移動脈沖輸出端）沒有輸出，反之亦然。這樣就實現(xiàn)了主光柵左右移動的方向辨別和移動脈沖的輸出。數(shù)字式傳感器

3．細分原理如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；倘若要讀出位移為0.1μm，勢必要求每毫米到線1萬條，這是目前工藝水平無法實現(xiàn)的。如果采用柵距細分技術可以獲得更高的測量精度。常用的細分方法有直接倍頻細分法、電橋細分法等。這里僅以四倍頻細分為例介紹直接倍頻細分法。在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下圖(a)所示，得到相位分別相差π/2四個正弦周期信號。用適當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖(b)所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了1/4個莫爾條紋寬度。用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細分法。若再增加光敏元件，同理可以進一步地提高測量分辨率。數(shù)字式傳感器電橋細分第10章數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器10.3編碼器編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類：

脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。而碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼(后面將詳細說明)。這兩種形式的數(shù)字傳感器，由于它們具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被廣泛應用于各種位移量的測量。目前，使用最多的是光電編碼器，本節(jié)將重點予以介紹。碼盤式編碼器也稱為絕對編碼器，它將角度或直線坐標轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機)聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼數(shù)字式傳感器電刷輸出16種不同的四位二進制數(shù)碼。由此可知，二進制碼盤所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度為α＝360/2n，若n＝4，則α＝22.5°。位數(shù)越多，可分辨的角度越小，若取n＝8，則α＝1.4°。當然，可分辨的角度越小，對碼盤和電刷的制作和安裝要求越嚴格。當n多到一定位數(shù)后（一般為n＞8），這種接觸式碼盤將難以制作。容易存在錯碼原因：需要同時改變多個狀態(tài)接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器光電式編碼器接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。

1．光電式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理光電編碼器的最大特點是非接觸式的。因此，它的使用壽命長，可靠性高。它是一種絕對編碼器，幾位編碼器的碼盤上就有幾個碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可以輸出一個固定的與位置相對的數(shù)字碼。這一點，與接觸式碼盤編碼器是一樣的。不同的是光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕直線坐標編碼示意圖數(shù)字式傳感器

2．用插值法提高分辨率為了提高測量的精度和分辨率，常規(guī)的方法就是增加碼盤的碼道數(shù)，即增加刻線數(shù)。但是，由于制造工藝的限制，當刻度數(shù)多到一定數(shù)量后，就難以實現(xiàn)了。在這樣的情況下，可以采用一種用光學分解技術(插值法)來進一步提高分辨率。數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器2.增量編碼器增量編碼器的圓盤上等角距地開有兩道縫隙，內(nèi)外圈(A、B)的相鄰兩縫錯開半條縫寬；另外在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外），開有一狹縫，表示碼盤的零位。在它們相對的兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件，如下圖所示。當轉(zhuǎn)動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙每轉(zhuǎn)過一周就將有多少個相差90°的兩相（A、B兩路）脈沖脈沖和一個零位(C相)脈沖輸出。增量編碼器的精度和分辨率與絕對編碼器一樣，主要取決于碼盤本身的精度。增量碼道辨向碼道數(shù)字式傳感器測量轉(zhuǎn)速

增量編碼器除直接用于測量相對角位移外，常用來測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡單的方法就是在給定的時間間隔內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進行計數(shù)，它所測量的是平均轉(zhuǎn)速。

數(shù)字式傳感器測量線位移

利用一套機械裝置把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測量系統(tǒng)的精度將主要取決于機械裝置的精度數(shù)字式傳感器圖10－27（a）表示通過絲桿將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導程為6mm的絲桿，可達到4μm的分辨力。為了提高精度，可采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機構(gòu)。圖（b）是用齒輪齒條來實現(xiàn)直線－旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說，這種系統(tǒng)的精度較低。圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動和摩擦傳動來實現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于需要進行長距離位移測量及某些環(huán)境條件惡劣的場所。無論用哪一種方法來實現(xiàn)線位移－角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時，編碼器的零位基準已失去作用。為計數(shù)系統(tǒng)所必須的基準零位，可由附加的裝置來提供。如用機械、光電等方法來實現(xiàn)。數(shù)字式傳感器計數(shù)和辨向為了辨別碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可以采用下圖所示的電路利用A、B兩相脈沖來實現(xiàn)。光電元件A、B輸出情號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生P1和P2脈沖。將它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，由于A、B兩相脈沖(P1和P2)脈沖相差90°，D觸發(fā)器FF在CP脈沖(P2)的上升沿觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時P1脈沖超前P2脈沖，F(xiàn)F的Q＝“1”表示正轉(zhuǎn)；當反轉(zhuǎn)時，P2超前P1脈沖，F(xiàn)F的Q＝“0”表示反轉(zhuǎn)?？梢杂肣作為控制可逆計數(shù)器是正向還是反問計數(shù)，即可將光電脈沖變成編碼輸出。C相脈沖接至計數(shù)器的復值端，實現(xiàn)每碼盤轉(zhuǎn)動一圈復位一次計數(shù)器的目的。碼盤無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的增量，故這種測量稱為增量法。

數(shù)字式傳感器四倍頻細分電路原理圖如圖10－29（a）所示。輸出x1與x2信號作為計數(shù)器雙時鐘輸人信號。按電路圖可得如下邏輯表達式：細分電路

數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器

Q1、Q2、Q3和Q4分別與S1、、S2和相對應。當正向轉(zhuǎn)動時，S1信號超前S2相位π/2。電路各點的波形如圖10－29（b）所示，與門輸出Y1、Y2、Y3和Y4的脈沖寬度僅為S1或S2信號脈沖寬度的一半，相位差為π/2。單穩(wěn)電路輸出Q1、Q2、Q3和Q4的脈沖寬度應盡可能窄，至少要小于S1信號最小脈沖寬度的1／2，但同時要滿足與Y1、Y2、Y3和Y4相“與”的要求。由圖10－29可知，在S1信號的一個周期內(nèi)，得到了四個加計數(shù)脈沖輸出，這樣就實現(xiàn)了四倍頻的加計數(shù)。由于光柵與光電增量編碼器的輸出基本相同，上述測量電路同樣可用作光柵測量電路。數(shù)字式傳感器頻率式數(shù)字傳感器

頻率式數(shù)字傳感器是能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對應的、便于處理的頻率信號。頻率式數(shù)字傳感器一般有兩種類型：