第14章 数字式传感器及工程应用

第14章数字式传感器及工程应用14.1数字式传感器概述14.2编码器14.3数字式温度传感器14.4光栅传感器14.5数字式传感器工程应用案例返回主目录14.1数字式传感器概述按传感器的输出信号分类，传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器两大类。若传感器的输出信号为模拟信号则称作模拟式传感器，若传感器的输出信号为数字信号则称作数字式传感器。随着微型计算机的迅速发展及应用的广泛普及，微型计算机也进入了检测、控制领域。由于前面介绍的传感器都是模拟式传感器，要与计算机等数字系统配接，必须经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号才行。这样既增加了系统的复杂性，又使控制精度受到A/D转换精度和参考电压精度的限制。而数字式传感器能够直接将被测参数转变成数字量，共计算机使用。

数字式传感器与模拟式传感器相比具有如下特点：①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；②抗干扰能力强，稳定性好；③数字信号便于远传、处理和存储；④便于和计算机数字系统连接，构建庞大的测量、控制系统；⑤硬件电路便于集成化；⑥安装方便，维护简单，工作可靠性高。数字式传感器发展历史不长，在测量和控制中，广泛应用的主要有两类：一类是直接以数字代码形式输出的传感器，如码盘式编码器、数字式温度传感器等；另一类是以脉冲形式输出的传感器，如脉冲盘式编码器、感应同步器、光栅和磁栅等。本章主要介绍几种常用的数字式传感器。14.2编码器

将机械转动的模拟量转换成数字量的传感器称作编码器。它主要分为脉冲盘式编码器(又叫增量编码器)和码盘式编码器(又叫绝对编码器)两大类。而码盘式按其结构又可分为接触式和非接触式两种，其中非接触式又有光电式、电磁式等多种。它们的分类关系如下所示：下面仅介绍几种应用比较广泛的编码器。14.2.1增量编码器1.光电式增量编码器的工作原理光电式增量编码器的工作原理如图14‑1所示。它是在一个不透光的圆盘边缘上，做上一圈圆心角相等的缝隙。在开有缝隙的圆盘两边分别安装光源及光电接收元件。图14‑1光电式增量编码器工作原理把开有缝隙的圆盘安装在被测转轴上，当转轴转动时，圆盘每转过一个缝隙，在光敏元件上就发生一次光线的明暗变化，光敏元件就把光线的明暗变化变成一个电脉冲信号输出。再经过放大整形，就可以得到具有一定幅度的矩形脉冲信号，并且该矩形脉冲的个数等于圆盘转过的缝隙数。将矩形脉冲信号送到计数器中去进行计数，则计数码的大小就能反映圆盘转过的转角大小。显然，圆盘上缝隙数的多少，代表了脉冲盘式编码器的精度和分辨率。通常把圆盘上的一圈缝隙称作一个码道。具有码道的圆盘称作码盘。2.旋转方向判别电路由图14‑1可知，该码盘可以把角位移转变成电量，但它不能给出转动的方向和零位。为了辨别角位移的方向，必须把它进行改进。改进后的码盘具有等角距的内外两个码道，并且内外码道的相邻两缝距离错开半条缝宽，另外在内外码道（通常在外码道）之外，开一狭缝，表示码盘的零位，并在该码盘的某一径向位置两侧安装光源、窄缝和光电转换元件组，其结构如图14‑2所示。显然，它将转过的角位移转换成A、B两路矩形脉冲输出信号，并且被测转轴的转向不同，则A、B两路矩形脉冲的输出相位也不一样(见图14‑2(b))，利用这个相位差就可实现辨向计数。图14‑2光电式增量编码器的结构图14‑3光电式增量编码器辨向计数电路及输出波形常见的辨向计数电路结构如图14‑3(a)所示。设内码道比外码道超前半条缝宽，且透光缝隙和不透光缝隙宽度相等。当正转时，光敏元件2比光敏元件1先感光，经放大整形后输出B脉冲比A脉冲超前90˚如图14‑3(b)所示。由于他们分别接到D触发器的CP端和D端，则D触发器在B脉冲的上升沿触发，使D触发器的Q端始终是零(即Q=0)。而Y输出端则是码盘每转过一条缝隙就输出一个脉冲。当反转时，光敏元件1比光敏元件2先感光，A脉冲比B脉冲超前90˚，使D触发器的Q端始终是1(即Q=1)。而Y输出端则仍然是码盘每转过一条缝隙就输出一个脉冲。将Q接到可逆计数器的加减控制端M，Y经延时后接到可逆计数器的脉冲输入端CP，则当Q=0时可逆计数器加法(正转)计数，而当Q=1时可逆计数器减法(反转)计数。将零位脉冲信号接到可逆计数器的复位端，实现了码盘每转动一圈就复位一次的目的。这样无论正传还是反转，计数器每次反应的都是相对于上次转角的增量，故又把它称作增量式编码器。14.2.2码盘式编码器码盘式编码器是按角度直接进行编码的传感器。这种传感器是把码盘装在被检测的转轴上，它的特点是可把转轴的任意位置给出一个与位置相对应的固定数字编码输出，能方便与数字系统（如微机）连接。码盘式编码器按其结构可分为接触式和非接触式两种。接触式编码器的数字信号通过码盘上的电刷输出，长时间使用容易造成电刷磨损。非接触式编码器无电刷，而且体积小、寿命长，分辨率高，在自动测量和控制系统中得到了广泛应用。下面仅介绍码盘式编码器中性价比最高的光电式编码器(a)光电式编码器结构示意图(b)四位二进制码盘结构示意图图14‑4光电式编码器光电式编码器属于非接触式，其基本结构如图14‑4(a)所示。其中码盘是由光学玻璃制成的，上面刻有许多同心码道，每一条码道上都刻有透光和不透光两种区域，如图14‑4(b)所示。码盘的编码规则按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等多种。图14‑4(b)所示是一个四位二进制码盘，最内圈是二进制数的最高位，只有0和1，故码道一半黑、一半白；四位二进制数的最小数是0，而最大数是15，故最外圈是24=16个大小相等而黑白相间的区域。其最小分辨角度α=360˚/24=22.5˚。由此可知，一个n位二进制码盘的最小分辨角度α=360˚/2n。且n越大，能分辨的角度越小，测量精度也就越高。二进制码盘虽然结构简单，但对码盘的制作和安装要求十分严格，否则就会出错。例如：当码盘由（0111）向（1000）过度时，如果由于刻线误差或安装误差等原因，使某一位提前或延后改变，就会出现较大误差。为了避免较大误差，通常采用循环码盘代替二进制码盘。一个四位循环码盘的结构如图14-5所示。图14‑5四位循环码码盘结构示意图

表14-1给出了四位二进制码和四位循环码的对照表。从表中看出，由于循环码相邻的两个数码间只有一位变化，因此，即使制作和安装不准，产生的误差最多等于最低位的一个比特。从而大大提高了准确度。十进制数(D)二进制码(B)循环码(C)十进制数(D)二进制码(B)循环码(C)000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000表14‑1四位二进制码与四位循环码对照表

由于循环码的各位没有固定的权，通常需要把它转换成二进制码，然后再译码输出。用C(C4C3C2C1)表示循环码，用B(B4B3B2B1)表示二进制码，从表14‑1中可以找出循环码转换成二进制码的法则是

将它推广到n位，则n位循环码转换成n位二进制码的法则是：

(14-1)(14-2)这种并行转换器的转换速度较快，缺点是所用元件较多。n位循环码需用n-1个异或门。若用存储芯片设计这种转换器较为简单。

根据式(14-1)设计一个四位循环码转换成二进制码的电路，即可用循环码盘实现转角的精确测量。设计这种转换电路的方法很多，用异或门设计的转换器如图14-6所示。图14‑6循环码—二进制码转换器14.3数字式温度传感器数字式温度传感器是近几年发展起来的一种新型温度传感器，它的特点是直接将温度信号转化为数字信号输出，使用方便，测得的温度更加准确，便于和微机连接等。典型数字式温度传感器是DS18B20，它是美国DALLAS半导体公司生产的，工作电压是3.0~5.5V/DC，测量温度范围为-55~+125°C，测温分辨率为9~12位用户可编程，最高精度可达±0.5°C。采用“一线总线”接口方式。现场温度直接以“一线总线”的串行数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。14.3.1DS18B20的内部结构

图14‑7是DS18B20的三种封装形式，是三引脚器件。其中DQ为数字信号输入/输出端；GND为地端；VDD为外接电源输入端，当采用寄生电源供电时，此端接地；NC为空引脚端。图14‑7DS18B20的封装形式

图14-8是DS18B20的内部结构。它主要由64位光刻ROM、高速暂存RAM，温度传感器、EEPROM（存放高温报警值TH、低温报警值TL及配置寄存器值）四部分组成。图14‑8DS18B20的内部结构框图1.光刻ROM光刻ROM中的64位数码是出厂前被光刻好的，称作DS18B20的序列号，这个序列号可以看作是该DS18B20的地址码。以便实现一根总线上挂接多个DS18B20。64位光刻ROM的排列是：前8位是单线系列编码，后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56位的CRC码（冗余校验）。2.EEPROMEEPROM是一个非易失性的可电擦除存储器，共3个字节，分别存放高温报警值TH、低温报警值TL和配置寄存器值，掉电后数据不丢失。并在RAM中都存在镜像。在EEPROM中，TH、TL寄存器的数据格式如下所示。其中S是符号位，0代表正，1代表负。配置寄存器的数据格式如下所示，它的作用是设置DS18B20的模式和分辨率。

其中，TM是模式设置位，TM=0代表工作模式，TM=1代表测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动它。R1和R0是用来设置分辨率的，其数值与分辨率的关系列于表14‑2中。表14‑2DS18B20数字温度传感器分辨率设置表3.高速暂存RAM它共有九个字节，每个字节都有一个地址。其中地址0和1存放温度转换后的数值；地址2和3是TH、TL的拷贝；地址4则是配置寄存器的拷贝。地址2、3、4的内容在每一次上电复位时被刷新。地址5、6、7是计数寄存器，也是内部温度转换、计算的暂存单元。地址8存放的是前八个字节的CRC码。其中地址0存放温度值的低字节数值，地址1存放温度值的高字节数值，不用的高位都作符号位。现以12位分辨率为例，说明各位的定义及数据的存放形式。下图是各位的定义：其中S为符号位，0代表正，1代表负。当DS18B20完成对温度的测量后，就把它转换成一个二进制数存放到RAM的地址0和1字节中。并且这个二进制数是用16位符号扩展的二进制补码形式提供，它的几个典型数值对应关系如表14-3所示。表14‑3DS18B20典型温度值与二进制数的对应关系14.3.2DS18B20芯片指令介绍

1.ROM操作指令（共5条）1）ReadROM（读ROM）[33H]

这个指令是读取DS18B20的64位ROM值。当总线上只存在一个DS18B20的时候才可以使用此指令。2）MatchROM（指定匹配芯片）[55H]

这个指令后面紧跟着由单片机发出的64位序列号，当总线上有多只DS18B20时，只有与单片机发出的序列号相同的芯片才做出反应。这条指令适应单芯片和多芯片挂接。3）SkipROM（跳过ROM指令）[CCH]这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单芯片的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。4）SearchROM（搜索芯片）[F0H]在芯片初始化后，当总线上挂接多芯片时，可用搜索指令识别所有器件的64位ROM值。5）AlarmSearch（报警芯片搜索）[ECH]在多芯片挂接的情况下，报警芯片搜索指令只对符合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片做出反应。只要芯片不掉电，报警状态将被保持，直到再一次测得温度达不到报警条件时为止。2.RAM存储器操作指令（共6条）

1）WriteScratchpad（向RAM中写数据）[4EH]这是向RAM中写入数据的指令。首先把TH值写入RAM的地址2字节，然后把TL值写入RAM的地址3字节，最后把配置寄存器值写入RAM的地址4字节。数据从最低有效位开始传送。写入过程中可以用复位信号中止。上述三个字节的写入必须发生在总线控制器发出复位命令前，否则会中止写入。

2）ReadScratchpad（从RAM中读数据）[BEH]这是从RAM中读数据指令，从地址0开始一直读到地址8，完成整个RAM数据的读出。芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。3）CopyScratchpad[48H]这是将RAM中的数据存入EEPROM中指令，以使数据掉电不丢失。此后由于芯片忙于EEPROM储存处理，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。4）ConvertT[44H]此指令是温度转换指令，收到此指令后芯片将进行一次温度转换，并将转换的温度值放入RAM的地址0和1字节里。温度转换期间，总线上输出“0”，当转换储存工作完成时，总线将输出“1”。在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻启动强上拉，并保持一定时间（比如11位分辨率时应至少保持375ms）来维持芯片工作。

5）RecallEEPROM

[B8H]此指令将EEPROM中的报警寄存器值（TH和TL）及配置寄存器值复制到RAM中的地址2、3、4字节里。此后由于芯片忙于复制处理，总线上输出“0”，当复制工作完成时，总线将输出“1”。另外，此指令将在芯片上电复位时被自动执行。这样RAM中的两个报警字节和配置寄存器字节里将始终为EEPROM中数据的镜像。6）ReadPowerSupply（工作方式切换）[B4H]此指令发出后，芯片会返回它的电源状态字，“0”为寄生电源状态，“1”为外部电源状态。14.3.3DS18B20与微控制器的连接电路DS18B20与微控制器（单片机）的硬件连接电路如图14-9所示，其中，图14-9(a)是DS18B20采用外部电源供电方的连接电路；图14-9(b)是DS18B20采用寄生电源供电方式的连接电路图14-9DS18B20与微控制器的连接电路14.3.4DS18B20的读/写时间隙：DS18B20的数据读/写是通过时间隙处理位和命令字来确认信息交换的。1.写时间隙：

写时间隙分为写“0”和写“1”，时序如图14-10所示。图14-10

写时间隙时序

总线控制器要产生一个写时序，必须把数据线拉到低电平然后释放。若在写时序开始后的15μs内释放总线。总线被5K的上拉电阻拉至高电平，则表示控制器写“1”。而后则是芯片对总线数据的采样时间，采样时间为15~60μs。若在写时序开始后的15μs内不释放总线，并持续保持至少60μs，则表示控制器写“0”。每一位的发送都应该有一个至少15μs的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45μs内完成。整个位的发送时间应该保持在60~120μs，否则不能保证通信的正常。

2.读时间隙：读时间隙也分为读“0”和读“1”两种情况，时序如图14-11所示。读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时序也是必须先由主机产生至少1μs的低电平，表示读时间的起始。图14-11

读时间隙时序随后在总线被释放后的15μs中DS18B20会发送内部数据位，这时控制器如果发现总线为高电平则表示读出数据是“1”，如果总线为低电平则表示读出数据是“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。14.3.5单片机对DS18B20操作流程若要读出当前的温度数据，需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过ROM指令、执行温度转换存储器操作指令、等待500ms温度转换时间。紧接着执行第二个周期为复位、跳过ROM指令、执行读RAM的存储器操作指令、读数据（最多为9个字节，中途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。具体过程如下：①复位：复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480μs的低电平信号。②存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60μs后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240μs的低电平信号。③控制器发送ROM指令：ROM指令共有5条，每条指令长度为8位，每一个工作周期只能发一条，它们的功能是对片内64位光刻ROM进行操作。④控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着就是发送存储器操作指令了。⑤执行或数据读写：存储器操作指令结束后，就进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。14.3.6DS18B20使用注意事项较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个，在实际应用中并非如此。连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。14.4光栅传感器

光栅按其工作原理和用途分类，有物理光栅和计量光栅之分。物理光栅是利用光栅的衍射现象工作的，主要用于光谱分析和光波长的检测；计量光栅则是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，在坐标测量仪和数控机床的伺服系统中有着广泛的应用。14.4.1光栅的结构及测量原理1.光栅的结构

在镀膜玻璃上均匀刻制许多明暗相间、等间距分布的细小条纹，就称作光栅。光栅又分为长光栅和圆光栅两类。每一类又分为透射式和反射式两种。图14-12所示为透射式长光栅结构示意图。它好象一把尺子，故通常又把光栅称作光栅尺。a为不透光的缝宽，b为透光的缝宽；w=a+b称为栅距（也称作光栅常数），对于光栅尺来说是一个重要的参数。通常a=b=w/2，有的是a:b=1.1:0.9。图14-12透射式长光栅结构示意图2.莫尔条纹将两块栅距相等的黑白型长光栅尺面对面相叠合，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，如图14-13所示，这样就可以看到在近于垂直的栅线方向形成明暗相间的条纹，这些条纹被称作莫尔条纹。其中，两条相邻亮条纹（或暗条纹）之间的距离，称作莫尔条纹的间距，记作BH图14-13莫尔条纹的形成点击进行莫尔条纹移动演示可动光栅固定光栅

3.测量原理实验证明，当一块光栅不动，另一块光栅沿着水平方向每移动一个微小的栅距w时，莫尔条纹就在垂直方向也相应的移动一个较大的条纹间距BH。当光栅反向移动时，条纹移动方向也反向。其演示实验如下图所示。从图14‑13(b)可以看出，线段AB=BH，线段BC=w/2。在两块光栅的栅线夹角θ较小时，莫尔条纹的间距BH与光栅的栅距w和栅线夹角θ之间有下列关系。

此式说明，莫尔条纹把栅距w放大了1/θ倍，且θ越小，放大倍数就越大(如w=0.02mm,θ=0.0017453rad(即0.1)，则BH=11.459mm)。也就是莫尔条纹的间距越大。由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同作用产生，所以对光栅刻线误差有一定的平均抵消作用，能消除短周期误差的影响。其次，因大间距容易测量和细分，可大大提高光栅的灵敏度。(14-3)综上分析可知，莫尔条纹具有一下三个特点：①莫尔条纹具有位移放大作用。即将较小的位移间距放大成较大的莫尔条纹间距，便于测量和细分，提高测量精度。②莫尔条纹的移动方向与可动光栅的移动方向有关。即当可动光栅沿着水平方向移动时，莫尔条纹就在垂直方向也相应的移动。当可动光栅反方向移动时，莫尔条纹的移动方向也反向。③莫尔条纹具有光栅刻线误差的平均抵消作用。由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同产生，所以对光栅刻线误差有一定的平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。14.4.2光栅传感器的结构

1.光栅读数头光栅读数头主要由标尺光栅(又称主光栅)、指示光栅(又称副光栅)、光路系统和光电器件等组成。其长光栅读数头的结构如图14-14所示。图14-14

长光栅读数头结构

其中主光栅较长，它的有效长度即为测量范围；副光栅较短，但两者具有相同的栅距。光路系统和光电器件与副光栅固定为一体。使用时一般副光栅固定不动，而主光栅安装在被测物体上，并随被测物体一起移动。光栅读数头的主、副光栅通过光路系统就把被测物体的微小位移量转变成了莫尔条纹的亮暗变化。并且当被测物体每移动一个微小栅距w时，莫尔条纹的亮度就明暗变化正好一个周期。光电器件的作用就是把莫尔条纹的这种明暗变化转变成正弦变化的电信号，从光电器件输出。

2.光栅数显表光栅读数头把位移量转变成了一个正弦电量输出，要实现位移的测量和显示还需要一个光栅数显表。光栅数显表主要有放大整形电路、辨向电路、细分电路及计数显示电路等组成。放大整形电路的工作原理比较简单。下面着重介绍辨向电路和细分技术的结构及工作原理。1）辨向电路及辨向原理辨向电路的作用是判别位移的方向。由图14-14可知，无论主光栅向左还是向右移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一变化规律的正弦电信号，无法辨别移动方向。图14-15

辨向电路及辨向原理为了判断位移的方向，在相隔1/4条纹间距（即BH/4）的位置上各放置一个光电器件，如图14-15（a）所示。假设主光栅向右移动时，莫尔条纹向下移动，这样，两个光电元件输出的正弦电信号u1和u2将出现π/2的相位差。经过放大整形后得到两个方波信号u1'和u2'，如图14-15（b）所示。经微分电路变成脉冲信号，如图14-15（c）所示。从图中波形的对应关系可以看出，当主光栅沿A方向移动时，u1'经微分电路后产生的脉冲，正好发生在u2'为“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1'经反相微分后产生的脉冲，则与u2'的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞,故Y2无脉冲输出。同理可知，当光栅沿A反方向移动时，与门Y1无脉冲输出，与门Y2输出一个计数脉冲，如图14-15（d）所示。

2）细分技术所谓细分技术，就是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，发出若干个脉冲，来提高分辨率。细分方法目前有机械细分和电子细分两大类。这里仅介绍四倍频电子细分方法。在上述辨向原理中，由于在莫尔条纹1/4的间距上安置了两只光电元件，那么在这两只光电元件上输出的电压交流分量u1和u2将出现π/2的相位差。若将这两个信号反向，在一个栅距内就可以获得四个依次相差π/2的交流电信号，当光栅作相对运动时，再经微分电路，就可以根据运动方向，在一个栅距内得到四个正向计数脉冲，或四个反向计数脉冲。实现四倍频细分。当然，也可以在相差B/4的位置上安装四个光电器件来得到。14.4.3光栅传感器的精度1.光栅传感器的精度长光栅传感器的误差可控制在0.2~0.4μm/m，分辨率为0.1μm，电路允许的计数速度为200mm/s。圆光栅传感器的精度为0.1″~0.2″，分辨率为0.1″，电路允许的计数速度可达13.8°/s。2.光栅传感器的应用范围长度与角度的精确测量，主要应