传感器原理及应用-第9章 - 数字式传感器资料

1、 第九章 数字式传感器 随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用，信号的检测、随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用，信号的检测、控制和处理已进入的数字化时代。控制和处理已进入的数字化时代。 通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用A/DA/D转换器将信号转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种方法简便易行。方法简便易行。 缺点缺点： 系统的构成复杂。系统的构成复杂。 数字式传感器数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测把被测模

2、拟量直接转换成数字信号输出模拟量直接转换成数字信号输出。 数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。 第九章 数字式传感器 数字式传感器的特点：数字式传感器的特点： 测量精度高，分辨率高；测量精度高，分辨率高； 易于处理与存储；易于处理与存储； 抗干扰能力强，便于远距离传输。抗干扰能力强，便于远距离传输。 可以减少读数误差可以减少读数误差；常用的数字式传感器常用的数字式传感器 栅栅式数字传感器；式数字传感器； 编码器；编码器； 频率频率/ /数字输出式数

3、字传感器；数字输出式数字传感器； 感应同步器式的数字传感器。感应同步器式的数字传感器。9.1 光栅传感器光栅传感器9.2 编码器编码器9.3 数字式传感器的应用数字式传感器的应用第九章 数字式传感器 光栅：光栅： 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。条纹（又称为刻线），这就是光栅。一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器透射光栅示意图透射光栅示意图abW目前常用的光栅每毫米刻成目前常用的光栅每毫米刻成1010、2525、5050、 100100、250250

4、条线条。条线条。光栅传感器：光栅传感器：主要用于主要用于线位移线位移和和角位移角位移的测量。的测量。一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器光栅传感器的原理：光栅传感器的原理：莫尔条纹莫尔条纹一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅莫尔条纹形成莫尔条纹形成 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应微小的夹角时，由于挡光效应( (当线纹密度当线纹密度5050条条/mm/mm时时) )或光的衍射作用或光的衍射作用( (当线纹密度当线纹密度

5、100100条条/mm/mm时时) )，在与光栅线纹大致垂直的，在与光栅线纹大致垂直的方向上方向上( (两线纹夹角的等分线上两线纹夹角的等分线上) )产生出亮、产生出亮、暗相间的条纹暗相间的条纹称为称为“莫尔条纹莫尔条纹”。光栅传感器的原理：光栅传感器的原理：莫尔条纹莫尔条纹一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器2sin2HWWB莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器2sin2HWWB 越小，越小，BH越大，这相当于把栅距越大，这相当于把栅距W放大了放大了1/倍。例如倍。例如=0.1

6、，则，则1/573，即莫尔条纹宽度，即莫尔条纹宽度BH是栅距是栅距W的的573倍，倍， 这相当于把栅距放大了这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。从而提高了测量的灵敏度。 莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器 光栅光栅1 1沿着刻线垂直方向向右移动沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅时，莫尔条纹将沿着光栅2 2的栅线的栅线向下移动；向下移动； 当光栅当光栅1 1向左移动时，莫尔条纹沿向左移动时，莫尔条纹沿着光栅着光栅2 2的栅线向上移动。

7、的栅线向上移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅以对光栅1 1的运动进行辨向。的运动进行辨向。莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器 其放大倍数可通过使其放大倍数可通过使角连续变化，角连续变化， 从而获得任意粗细的莫尔条纹。从而获得任意粗细的莫尔条纹。莫尔条纹位移测量原理莫尔条纹位移测量原理一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号转换为

8、电信号( (电压或电流电压或电流) )输出。输出。莫尔条纹位移测量原理莫尔条纹位移测量原理一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器光栅位移与光强、输出电压关系光栅位移与光强、输出电压关系莫尔条纹位移测量原理莫尔条纹位移测量原理一、光栅传感器的结构及工作原理一、光栅传感器的结构及工作原理9.1 光栅传感器 将该电压信号将该电压信号放大放大、整形整形使其变为使其变为方波方波，经，经微分电路微分电路转换成转换成脉冲信号脉冲信号，再经过，再经过辨向电路辨向电路和和可逆计数器计数可逆计数器计数，则可在显示，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。器上以数字

9、形式实时地显示出位移量的大小。二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器光栅读数据头结构示意图光栅读数据头结构示意图光栅读数据头光栅读数据头：实现了位移量由非电量转换为电量。：实现了位移量由非电量转换为电量。二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器光栅数显表光栅数显表： 由于位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。由于位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了为了辨别位移的方向辨别位移的方向，进一步，进一步提高测量精度提高测量精度，以及实现数，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入数显表字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入

10、数显表作进一步的处理。作进一步的处理。 光栅数显表由光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辩向电路及数字整形放大电路、细分电路、辩向电路及数字显示电路显示电路等组成等组成。二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器为何要辩向？为何要辩向？二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器为何要辩向？为何要辩向？ 当可动当可动光栅无论光栅无论向前或向后移动向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别同样的计数脉

11、冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向因而必须在测量电路中加入辨向电路电路。 在相隔在相隔1/4BH莫尔条纹间距的位置莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得上安放两个光电元件，获得相位相位差为差为90的两个信号的两个信号辨向辨向。二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器Y1Y2AAAABB3124uu1u20 xW4HB4W2W43W1u2u1u2u辨向逻辑工作原理辨向逻辑工作原理 1 1、22光电元件；光电元件；3 3、44光栅；光栅；二、光栅传感器的组

12、成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器AAuu1u20 xW4W2W43W1u2uY1Y21u2u 当光栅沿当光栅沿A方向移动时，方向移动时，u1经经微分电路后产生的脉冲微分电路后产生的脉冲, 正好正好发生在发生在u2的的“1”电平时，从而电平时，从而经经Y1输出一个计数脉冲；输出一个计数脉冲； 而而u1经反相并微分后产生的脉经反相并微分后产生的脉冲，则与冲，则与u2的的“0”电平相遇，电平相遇，与门与门Y2被阻塞，无脉冲输出。被阻塞，无脉冲输出。辨向逻辑工作原理辨向逻辑工作原理 二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器Y1Y21u2uAAuu1u20 xW4W2W43W1

13、u2u辨向逻辑工作原理辨向逻辑工作原理 二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器Y1Y21u2u 说明说明u2的电平状态作为与门的的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移控制信号，来控制在不同的移动方向时，动方向时，u1所产生的脉冲输所产生的脉冲输出出。这样。这样就可以根据运动方向就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲数脉冲，再，再将其输入可逆计数将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参器，实时显示出相对于某个参考点的位移量考点的位移量。AAuu1u20 xW4W2W43W1u2u辨向逻辑工作原理辨向逻辑工作原理 二、光栅传感器的

14、组成二、光栅传感器的组成9.1 光栅传感器 若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力分辨力为为光栅栅距光栅栅距。 为了为了提高分辨力提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术细分技术。 细分思想细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内内, 发出发出n脉冲脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细。由于细分后计数脉冲频率提高了分后计数脉冲频率提高了n倍倍, 因此也称之为因此也称之为n倍频倍频。细分技术细分技术二、光栅传感器的组成二、光栅传感器的组

15、成9.1 光栅传感器9.1 光栅传感器光栅传感器9.2 编码器编码器9.3 数字式传感器的应用数字式传感器的应用第九章 数字式传感器 9.2 编码器编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：()码盘式编码器（绝对脉冲盘式编码器增量编码器编码器）编码器光电式编码器电磁式编码器接触式编码器 脉冲盘式编码器脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关不能直接输出数字编码，需要增加有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。 码盘式编码器码盘式编码器能直接输出某种码制的数码。码盘式编码能直接输出某种码制的数码。码盘式编码器也称为器也称为绝对编码器绝

16、对编码器，它将，它将角度角度或或直线坐标直线坐标转换为数字转换为数字编码。编码。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。9.2 编码器一、光电式编码器工作原理一、光电式编码器工作原理光电式编码器的工作原理示意图光电式编码器的工作原理示意图11光源；光源；22透镜；透镜；33码盘；码盘；44窄缝；窄缝；55光电元件组光电元件组33码盘码盘9.2 编码器一、光电式编码器工作原理一、光电式编码器工作原理光电式编码器的工作原理示意图光电式编码器的工作原理示意图11光源；光源；22透镜；透镜；33码盘；码盘；44窄缝；窄缝；55光电元件组光电元件组 当光源将光投射在码盘上时，转动码盘

17、，通过亮区的光线经窄缝后，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，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对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为光敏元件输出的信号，前者为“1”1”，后者为，后者为“0”0”。 当码盘旋至不同位置当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。码盘轴的角位移大小。 33码盘码盘9.2 编码器二、码制与码盘二、码制与码盘窄缝窄缝例：例：假设狭缝方向如

18、图所示，假设狭缝方向如图所示，则编码输出为：则编码输出为：9.2 编码器C4C3C2C1二、码制与码盘二、码制与码盘9.2 编码器窄缝窄缝为了为了达到达到11的分辨率，的分辨率，至少需要采用多少位的码盘？至少需要采用多少位的码盘？二、码制与码盘二、码制与码盘9.2 编码器二进制码为二进制码为有权码有权码，编码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：对应于由零位算起的转角为：1112niiiC 采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成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。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某

19、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。如果由于刻划误差时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因，等原因， 某一较高位提前或延后改变，就会造成某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差粗误差。例：例：由二进制码由二进制码0111过渡到过渡到1000时，即由时，即由7变为变为8时，如果刻度时，如果刻度机械加工误差，此时就可能会出现机械加工误差，此时就可能会出现815间的某个数字。间的某个数字。二、码制与码盘二、码制与码盘9.2 编码器消除粗误差方法：采用消除粗误差方法：采用代替二进制码代替二进制码 位位循环码码盘具有循环码码盘具有2n种不同编码；种不同编码； 循环码循环码为为无权码无权码； 循环码循环码码盘转到相邻区域时，码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生编码中只有一位发生变化变化，不会不会产生粗误差。产生粗误差。 二、码制与码盘二、码制与码盘9.2 编码器四位二进制码与循环码对照表四位二进制码与循环码对照表1nniiiCRCCR1iiiRCC或或9.2 编码器单盘单盘与与多盘编码器多盘编码器二、码制与码盘二、码制与码盘 全部全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当