第13章数字式传感器 在测量连续变化参量时，传感器的输出信号可分为模拟信号和数字信号两大类。能 够将被测模拟量转换为数字信号输出的传感器成为数字式传感器。由于数字信号便于处 理和储存，便于和计算机连接实现智能化，电路便于集成化，而且数字化测量可以达到 较高的分辨率和测量精度，因此数字式传感器时传感器的发展方向之一。 数字式传感器具有的特点：具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力 强，稳定性好；信号便于处理，传送和自动控制；便于和计算机连接，便于集成化；便 于动态及多路测量；直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。 目前在测量和控制系统中广泛应用的三类数字式传感器：一是直接以数字量形式输 出的传感器，如绝对编码器；二是以脉冲形式输出的传感器，如增量编码器感应同步器 光栅和磁栅；三是以频率形式输出的传感器。 本章部分内容具体介绍：角度数字编码器、光栅及电子细分部分、感应同步器等。 13.1角度-数字编码器 角度数字编码器结构最为简单这种结构的传感器主要用于数控机械系统中，按工 作原理可以分为脉冲盘式和码盘式两种
第 13 章 数字式传感器 在测量连续变化参量时，传感器的输出信号可分为模拟信号和数字信号两大类。能 够将被测模拟量转换为数字信号输出的传感器成为数字式传感器。由于数字信号便于处 理和储存，便于和计算机连接实现智能化，电路便于集成化，而且数字化测量可以达到 较高的分辨率和测量精度，因此数字式传感器时传感器的发展方向之一。 数字式传感器具有的特点：具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力 强，稳定性好；信号便于处理，传送和自动控制；便于和计算机连接，便于集成化；便 于动态及多路测量；直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。 目前在测量和控制系统中广泛应用的三类数字式传感器：一是直接以数字量形式输 出的传感器，如绝对编码器；二是以脉冲形式输出的传感器，如增量编码器感应同步器 光栅和磁栅；三是以频率形式输出的传感器。 本章部分内容具体介绍：角度数字编码器、光栅及电子细分部分、感应同步器等。 角度-数字编码器结构最为简单这种结构的传感器主要用于数控机械系统中，按工 作原理可以分为脉冲盘式和码盘式两种
第13章数字式传感器 ·279 13.1.1脉冲盘式角度-数字编码器（增量式编码器） 13.1.1.1结构 脉冲盘式角度一数字编码器又称增量式编码器，它由检测头、脉冲编码器以及发光 二极管的驱动电路和光敏三极管的光电检测电路组成。在一个圆盘的边缘上开有相等角 度的细缝（分透明和不透明两种），在开缝圆盘两边安装光源及光敏元件。其结构如图 131所际。 13.1.1.2工作原理 在圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光 敏元件就产生一次电信号的变化，再经过整形放大，可以得到一定幅度和功率的电脉冲 输出信号（脉冲数-转过的细缝数，将脉冲信号送到计数器中去进行计数，则计数码就 能反映圆盘转过的转角 光 光栏片×2 检测头 齿 图131脉冲编码盘的结构图
13 ·279· 13.1.1.1 结构 脉冲盘式角度—数字编码器又称增量式编码器，它由检测头、脉冲编码器以及发光 二极管的驱动电路和光敏三极管的光电检测电路组成。在一个圆盘的边缘上开有相等角 度的细缝（分透明和不透明两种），在开缝圆盘两边安装光源及光敏元件。其结构如图 13-1 所示。 13.1.1.2 工作原理 在圆盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光 敏元件就产生一次电信号的变化，再经过整形放大，可以得到一定幅度和功率的电脉冲 输出信号（脉冲数=转过的细缝数）。将脉冲信号送到计数器中去进行计数，则计数码就 能反映圆盘转过的转角。 图 13-1 脉冲编码盘的结构图
·280- 传感器技术设计与应用 13.1.1.3旋转方向判断 (1)变相环节框图 图13-2给出了辨向环节的逻辑电路框图。采用两套光电转换装置，这两套光纯转换 装置在空间的相对位置有一定的关系，保证它们产生的信号在相同位置上相差#(14周 期)，将得到的两路信号（相位相差90°）经放大整形后，脉冲编码器输出两路方波信号。 入9 图132辨向环节的逻辑电路框图 (2)变相原理 正转时，光敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门D1有输出，将加减控制器触 发器0=1,0=0使可逆计数器的加减母线为高电位。同时，D1的输出脉冲又经或门送 到可逆计数器的输入端，计数器进行加法计数。 反转时，光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数这样就可以区别 旋转方向，自动进行加法减法计数，它每次反映的都是相对于上次角度的增量。波形如 图13-3所示
·280· 13.1.1.3 旋转方向判断 （1）变相环节框图 图 13-2 给出了辨向环节的逻辑电路框图。采用两套光电转换装置，这两套光电转换 装置在空间的相对位置有一定的关系，保证它们产生的信号在相同位置上相差#（1/4 周 期），将得到的两路信号（相位相差 900）经放大整形后，脉冲编码器输出两路方波信号。 图 13-2 辨向环节的逻辑电路框图 （2）变相原理 正转时，光敏元件 2 比光敏元件 1 先感光，此时与门 DA1 有输出，将加减控制器触 发器 = = 1, 0 使可逆计数器的加减母线为高电位。同时，DA1 的输出脉冲又经或门送 到可逆计数器的输入端，计数器进行加法计数。 反转时，光敏元件 1 比光敏元件 2 先感光，计数器进行减法计数。这样就可以区别 旋转方向，自动进行加法减法计数，它每次反映的都是相对于上次角度的增量。波形如 图 13-3 所示
第13章数字式传感器 ·281· 好出出 正转 人Y人Y Y人Y人Y人 DA以人人 DA, 人人人 图13-3波形图 13.1.2码盘式角度一数字编码器 13.1.2.1码盘式编码器 码盘式角度一数字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 在检测轴上，按结构可把它分为：接触式、充电式、电磁式等几种。它们的工作原理相 同，差别仅是敏感元件。这里简述应用 较多的光电式编码器其工作原理如图 13-4。图中LS.B表示低数码道，1.S.B 表示1数码道2.S.B表示2数码道.， 黑色部分表示高电平1，实用时将这部 分挖掉，让光源投射出去，以便通过接 图134码盘式编码器的工作原理
13 ·281· 图 13-3 波形图 — 13.1.2.1 码盘式编码器 码盘式角度—数字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 在检测轴上，按结构可把它分为：接触式、充电式、电磁式等几种。它们的工作原理相 同，差别仅是敏感元件。这里简述应用 较多的光电式编码器，其工作原理如图 13-4。图中 L.S.B 表示低数码道，1.S.B 表示1数码道，2.S.B表示2数码道，. ， 黑色部分表示高电平 1，实用时将这部 分挖掉，让光源投射出去，以便通过接 图 13-4 码盘式编码器的工作原理
·282· 传感器技术设计与应用 收元件转换为电脉冲；白色部分表示低电平0，实用时这部分遮断光源，以便接收元件 转换为低电平脉冲。在A0直线上，每个数码道设置一个光源，如发光二极管。编码盘 的转轴0可直接利用待测物的转轴。待测的角位移可由各个码道上的二进制数表示，如 OB直线上的三个数码道所代表的二进制数码为010.但在直线O位置上时，二进制数 码可能产生较大误差。在低数码道L、.B时，这种误差仅为1和0之间的误差，如在数 码道2.S.B时，有可能出现000,111和110等误差。这种现象称错码，码盘设计时可通 过编码技术和扫描方法解决。 上述码盘的码盘结构如图135所示，A是光敏元件，B是可有窄缝的光阑，C是码 盘，D是光源（发光二极管），E是旋转轴。 图135编码盘的结构图 码盘式角度一数字编码器的主要性能参数是分辨率，即可检测的最小角度值或360 的等分数。若码盘的码道数为n,则其左码盘上的等分数为2。其能分辩的角度为
·282· 收元件转换为电脉冲；白色部分表示低电平 0，实用时这部分遮断光源，以便接收元件 转换为低电平脉冲。在 AO 直线上，每个数码道设置一个光源，如发光二极管。编码盘 的转轴 O 可直接利用待测物的转轴。待测的角位移可由各个码道上的二进制数表示，如 OB 直线上的三个数码道所代表的二进制数码为 010.但在直线 OA 位置上时，二进制数 码可能产生较大误差。在低数码道 L.S.B 时，这种误差仅为 1 和 0 之间的误差，如在数 码道 2.S.B 时，有可能出现 000，111 和 110 等误差。这种现象称错码，码盘设计时可通 过编码技术和扫描方法解决。 上述码盘的码盘结构如图 13-5 所示，A 是光敏元件，B 是可有窄缝的光阑，C 是码 盘，D 是光源（发光二极管），E 是旋转轴。 图 13-5 编码盘的结构图 码盘式角度—数字编码器的主要性能参数是分辨率，即可检测的最小角度值或 3600 的等分数。若码盘的码道数为 n，则其左码盘上的等分数为 2n。其能分辨的角度为
第13章数字式传感器 ·283 a-9 (13-1) 位数越大，能分辨的角度越小，测量也越精确。当n=20时，则对应的最小角度 单位为124". 13.1.2.2码盘式编码器的几点说明 (1)接触式四位二进制码盘 a)涂黑部分是导电区所以导电部分连在一起接高电位：空白部分代表绝缘区； b)每圈码边上都有一个电刷，电刷经电阻接地； 当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现响应的电位，对应一定的数码。 (2)分辨角度 若采用n位码盘，则能分辨的角度a-30,n越大→能分辨的角度越小，测量也 2 越精确。 (3)特点 该编码盘的结构虽然结构较简单，但对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要 求十分严格，否则就会出储。 例如：当电刷由h(0111)→i(1000)过度时，如电刷位置安装不准，可能出现8一15 之间的任一十进制数，这种误差属于非单值性误差。 h→i过渡时： 有可能①由h→i1 ②③④h→i111(1111)2-(15)o
13 ·283· 0 360 2 n = （13-1） 位数 n 越大，能分辨的角度越小，测量也越精确。当 n=20 时，则对应的最小角度 单位为 1.24''。 13.1.2.2 码盘式编码器的几点说明 （1）接触式四位二进制码盘 a）涂黑部分是导电区—所以导电部分连在一起接高电位；空白部分代表绝缘区； b）每圈码边上都有一个电刷，电刷经电阻接地； 当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现响应的电位，对应一定的数码。 （2）分辨角度 若采用 n 位码盘，则能分辨的角度 0 360 2 n = ，n 越大 → 能分辨的角度越小，测量也 越精确。 （3）特点 该编码盘的结构虽然结构较简单，但对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要 求十分严格，否则就会出锗。 例如：当电刷由 h（0111） → i（1000）过度时，如电刷位置安装不准，可能出现 8—15 之间的任一十进制数，这种误差属于非单值性误差。 h i → 过渡时： 有可能①由 h i → 1 ②③④ h i → 111 (1111)2=(15)10
·284. 传感器技术设计与应用 也可能①②③④都由h→1(1000)2=(8)10 (4)清除非单值误差的方法 方法1：采用双电刷、工艺电路上都比较复杂，故很少采用. 方法2：采用循环码代替二进制码。由于循环码的相邻的两个数码间只有一位时变 化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。 (5)循环码与二进制码的转换 由于循环码的各位没有固定的权，因此需要把它转换成二进制码。用R表示循环码 用C表示二进制码，二进制码转换为循环码的法则是 将二进制码与其本身右移一位后并舍未位的数码做不进位加法，所得结果就是循环码。 例题：二进制码1000(8)所对应的循环码为1100，因为 1000 二进制码 ⊕100 左移一个并舍去未数 1100 循环码 其中⊕表示不进位相加。二进制码变循环码的一般形式为 CiC.C3.C 二进制码 ⊕CCC_ 右移一位即二进制舍去C。 RRRR循环码 由此得
·284· 也可能①②③④都由 h i → (1000)2=(8)10 （4）清除非单值误差的方法 方法 1：采用双电刷、工艺电路上都比较复杂，故很少采用。 方法 2：采用循环码代替二进制码。由于循环码的相邻的两个数码间只有一位时变 化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。 （5）循环码与二进制码的转换 由于循环码的各位没有固定的权，因此需要把它转换成二进制码。用 R 表示循环码， 用 C 表示二进制码，二进制码转换为循环码的法则是： 将二进制码与其本身右移一位后并舍末位的数码做不进位加法，所得结果就是循环码。 例题：二进制码 1000（8）所对应的循环码为 1100，因为 1000 二进制码 100 左移一个并舍去末数 1100 循环码 其中 表示不进位相加。二进制码变循环码的一般形式为 1 2 3. C C C Cn 二进制码 1 2 1 . C C Cn− 右移一位即二进制舍去 Cn 1 2 3 4 R R R R . 循环码 由此得
第13章数字式传感器 ·285· (R=C R=C2⊕C R=C,⊕Ca 从上式也可以导出循环码变二进制码的关系式 C=R C,=R⊕Ca 上时表示，由循环码R变二进制码C时，第一位（最高位）不变，以后从高位开始 依次求出其余各位即本位循环码R,于已经求得的相邻高位二进制码C,作不进位相加 结果就是本位二进制码。因此两相同数码作不进位相加，其结果为0，故C式还可写成 C=R C=RCH+RC 表13-1给出了十进制数、 二进制数及四位循环码对照表。用与非门构并行循环码 二进制码编码器。这种并行转换器的转换速度较快，缺点是所用元件较多，N位码需用 n-1单元。 表13！十进制数、二进制数及四位循环码对照表 十讲制数 一讲数(C) 循环码R) 0000 0000 1 0001 0001 4 0100 0110 5 0101 0111 1000 1100 9 1001 1101 1100 1010 13 1101 1011
13 ·285· 1 1 2 2 1 1 . . i i i R C R C C R C C − = = = 从上式也可以导出循环码变二进制码的关系式 1 1 i i i 1 C R C R C − = = 上时表示，由循环码 R 变二进制码 C 时，第一位（最高位）不变，以后从高位开始 依次求出其余各位，即本位循环码Ri于已经求得的相邻高位二进制码 Ci-1作不进位相加， 结果就是本位二进制码。因此两相同数码作不进位相加，其结果为 0，故 Ci 式还可写成 1 1 1 1 i i i i i C R C R C R C − − = = + 表 13-1 给出了十进制数、二进制数及四位循环码对照表。用与非门构成并行循环码- 二进制码编码器。这种并行转换器的转换速度较快，缺点是所用元件较多，N 位码需用 n-1 单元。 表 13-1 十进制数、二进制数及四位循环码对照表 十进制数 二进制数（C） 循环码(R) 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 10 1010 1111 11 1011 1110 12 1100 1010 13 1101 1011
·286· 传感器技术设计与应用 100 1111 1000 13.1.3激光式角度传感器 13.1.3.1结构原理 激光式角度传感器的结构原理如图13-6所示，这一装置是麦克尔逊干涉仪的变型， M是反射镜，它至于参考光束I中，使光速I和Ⅱ平行。和2是两个可逆反射器，二 者距离d,设置在同一转台上。S是分光镜，它将激光束投到M、F2和聚光镜D上。P 是光电接收器，它将光的干涉条纹变为电信号。 图13-6激光式角度传感器的结构原理 光束1、Ⅱ之间的光#程差和转角α关系 1=dsina (13-2) 1还跟干涉条纹数目K、激光波长#和所射系数n有如下关系。 (13-3)
·286· 14 1110 1001 15 1111 1000 13.1.3.1 结构原理 激光式角度传感器的结构原理如图 13-6 所示，这一装置是麦克尔逊干涉仪的变型。 M 是反射镜，它至于参考光束 I 中，使光速 I 和 II 平行。F1 和 F2 是两个可逆反射器，二 者距离 d，设置在同一转台上。S 是分光镜，它将激光束投到 M、F2 和聚光镜 D 上。P 是光电接收器，它将光的干涉条纹变为电信号。 图 13-6 激光式角度传感器的结构原理 光束Ⅰ、Ⅱ之间的光#程差和转角 关系 l d = sin （13-2） l 还跟干涉条纹数目 K、激光波长#和所射系数 n 有如下关系。 2 k l n = （13-3）
第13章数字式传感器 ·287· 由式(13-2)（13-3)得 a=cn编 (13-4) 2.检测范围：±450 3.特点：分辨率高 分辨率：。=2相应于光电探测器上接收一条条纹的变化。 4,应用：主要应用于角度仪的计量装置。 13.2光栅传感器 光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角 度的精密测量，也可用来测量转换成长度或角度的其他物理量。如：位移、尺寸、转 速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光 栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。 13.2.1光栅传感器的结构与测量原理 狭义来讲：平行等宽而有等间隔的多狭缝即为衍射光栅。广义上讲：任何装置只要 它能起等宽而又等间隔的分割波阵面的作用，则均为衍射光栅。简单说，光栅好似一块 尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。 13.211光栅 图13-7给出的是直线光栅尺。图中，a-透光的缝宽；b-不透光的缝宽；wW=a+b光栅
13 ·287· 由式（13-2）、（13-3）得 arcsin( ) 2 k nd = （13-4） 2. 检测范围： 45 0 3. 特点：分辨率高。 分辨率： 0 2nd = 相应于光电探测器上接收一条条纹的变化。 4. 应用：主要应用于角度仪的计量装置。 光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角 度的精密测量，也可用来测量转换成长度或角度的其他物理量。例如：位移、尺寸、转 速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光 栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。 狭义来讲：平行等宽而有等间隔的多狭缝即为衍射光栅。广义上讲：任何装置只要 它能起等宽而又等间隔的分割波阵面的作用，则均为衍射光栅。简单说，光栅好似一块 尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。 13.2.1.1 光栅 图 13-7 给出的是直线光栅尺。图中，a-透光的缝宽；b-不透光的缝宽；w=a+b 光栅