第14章 数字式传感器 14. 数字式传感器 14.1 概述 1）数字式传感器的定义 数字式传感器是把被测模拟量直接转换成数字量输出的 传感器。即数字式传感器能够直接将非电量转换成数字量， 不需要A/D转换，直接用数字表示。 2）数字式传感器的特点 相对模拟式传感器的特点： 具有高抗干扰能力和高信噪比 数据可高速远距离传输，而不会引入动态迟后。 能同时做到高测量精度和大测量范围。 易于与计算机接口。 数字式传感器就可达到很高的控制精度和响应速度。 与数字式执行器配合使用，特别适用于重复性的工作中。 数字式传感器便于动态及多路测量，使用方便。 工作可靠性高，安装方便，维护简单。 14.1 概述 3）数字式传感器的分类 n 按照输出信号的形式，常用的数字式传感器可分为三类： 脉冲输出式数字传感器（如光栅传感器、感应同步器、增量 编码器等），编码输出式数字传感器（如绝对编码器等）， 频率输出式数字传感器。 n 此外，数字式传感器也可分为直接数字式传感器和准数字 式传感器两大类。 n 直接数字式传感器是指它的输出为二元形式（0-1）的信 号准数字式传感器是指以频率形式输出的谐振式传感器。 14. 数字式传感器 14.2 编码器 n 编码器因为该精度、高分辨力和高可靠性而广泛应用于多 种检测系统中。它能把角位移或线位移转换为数字量。相应 的编码器是角度数字编码器(码盘)和直线位移编码器(码尺)。 n 编码器的种类很多，根据编码器的结构形式、编码方式、 检测方式以及光路方式不同而分成不同的类型，如图所示。 n 其中，用于角位移测量的旋转式光电编码器是最直接和最 有效的数字式传感器。 14. 数字式传感器 14.2 编码器 1）光电式编码器的结构与分类 n 用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉 冲 n 按结构形式分为直线式的线性编码器和旋转式的轴角编 码器，按编码方式分为增量式和绝对式两种。 2）光电式编码器的工作原理 (1) 增量式编码器 n 如图所示为增量式编码器的结构图。光源通过码盘上有三 个码道，由三个光电元件接收，其对应输出Z(零位脉冲)、 A(增量脉冲)及 B(辨向脉冲)三 位脉冲信号。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 (2) 绝对式编码器 n 绝对式编码器将被测角转换成相应的代码，指示其绝对 位置，这种编码器通过读取编码盘上的图案来确定数值。 n 绝对式编码器光源发射的光线经柱面透镜变成一束平行 光，照射在编码盘上。编码盘上有一环环间距不同并按一定 编码规律刻画的透光和不透光扇形区，称为码道。 n 图a为光电式绝对式编码器的码盘，是四位二进制编码。 n 普通二进制编码盘 由于相邻两扇区图案 变化时使用中易产生 较大误差，因而在实 际应用中大都采用图 b所示格雷(循环)编码。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 根据码盘的起始和终止位置确 定转角，与转动的中间过程无关。 二进制码盘的特点*： n位(n个码道)的二进制码盘具有 2n种不同编码，称其容量为2n，其 最小分辨力:13600/2n，最外圈角 节距为21； 二进制码为有权码, 编码Cn, Cn-1, ，C1对应于由零位算起的转 角为： 码盘转动中，CK变化时，所有 Cj(jK)应同时变化。 存在问题：相邻两扇区刻 线偏差或读数误差影响大 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 循环码盘的特点*： n位循环码码盘有2n种不同编码； 循环码盘有轴对称性，其最高位相 反(对称轴不同)，其余各位相同； 循环码为无权码； 循环码码盘转到相邻区域时，码中 只有一位变化，不会产生粗差。 循环码是无权码，直接译码困难 ，一般先转换为二进制码，再译码。 14.2 编码器 2）光电式编码器的工作原理 二进制码与循环码的转换* 4位二进制码与循环码的对照表 式中 R循环码； C二进制码； i所在的位数, i=0n-1； 不进位“加”，即异或。 14.2 编码器 3）光电式编码器分辨率的提高方法 (1) 倍频法 n 在增量式编码器中，采用电路细分技术，不改变编码器 内部结构，对输出脉冲进行倍频电路处理来提高分辨率和抗 干扰能力。 n下图为4倍频电路。 n 来自编码器的方 波信号A,B相差90， 用RC电路在一个周 期内获得4个边沿， 从而实现倍频。 顺时针转 ，输出f+； 反时针转 ，输出f- 14.2 编码器 3）光电式编码器分辨率的提高方法 n 在增量式编码器中，为提高分辨率采用电路细分和光学分 解相结合的技术方法，又称为插值法。下图所示为在已具有 14条（位）码道的码盘上增加1条专用附加码道。 n14.2 编码器 4）光电编码器的应用 n 光电编码器的结构常见有空心轴和实心轴两种形式 ，空 心轴编码器体积较大，一般用于电极和装置；实心轴编码器 体积较小，通常用于小巧和高精度装置中。 n 增量式编码器输出脉冲数/转常见2005000,3600108000 和202500等几类。 n 下图是光电码器测角装置原理图，光源1通过大孔径非球 面聚光镜2形成狭长的光束照到码盘3上。由码盘转角位置决 定位于狭缝4后的光电 器件5所输出的信号。 输出信号经放大，鉴 幅、整形以及加纠错 和寄存电路，再经当 量变换，最后译码显示。 14.3 光栅式传感器 光栅式传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅 ，主要用于位移测量及与位移相关的物理量（如：速度、加 速度、振动、质量、表面轮廓等方面）测量。 1）光栅的基本结构 （1）光栅 n 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等 间距的刻线。这些刻线有透明的和不透明，或者是对光反射 的和不反射的。 图所示为黑白 型长光栅，光 栅上的刻线称 为栅线。 14.3 光栅式传感器 1）光栅的基本结构 (2) 光栅的分类 n 光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两 种。 n 计量光栅其分类如图所示。 14.3 光栅式传感器 (2) 光栅的分类 长光栅 n 刻线在玻璃尺上的光栅称为长光栅（也称为光栅尺）， 用于测量长度或直线位移，其结构如图所示。 n 根据栅线型式的不同，长光栅分为黑白光栅和闪耀光栅 。黑白光栅指只对入射光波的振幅或光强调制的光栅(又称 振幅光栅)其栅线密度为20125线/mm。闪耀光栅是对入射光 波的相位调制(又称相位光栅)， 闪耀光栅的线槽断面分对称 形和不对称形， 长度测量主要 采用对称形， 栅线密度:150 2400线/mm。 14.3 光栅式传感器 (2) 光栅的分类 长光栅 根据光线的走向，长光栅分为透射光栅 和反射光栅。 透射光栅是在透明的玻璃上均匀地刻划 间距、宽度相等的条纹而形成的光栅；透射 光栅的主光栅一般用普通工业用的白玻璃， 而指示光栅用光学玻璃。 反射光栅是在具有强反射能力的基体 （不锈钢或玻璃镀金属膜）上均匀 地刻划间距、宽度相等的条纹而形 成的光栅。 14.3 光栅式传感器 （2）光栅的分类 圆光栅 n 下图是圆光栅的结构图，它是刻划在玻璃盘上的光栅（ 又称光栅盘），用来测量角度或角位移。 14.3 光栅式传感器 2）光栅式传感器的结构 n光栅式传感器主要是由光源、透镜、光栅 副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件 等组成（如图所示）。 n光源主要是供给光栅传感器工作所需的光 能，它有单色光和普通白光两种。 n透镜主要是将光源发出的点光转换成平行 光，通常采用单个凸透镜。 n光栅副主要是由主光栅和指示光栅组成， 是光栅传感器的核心部分。 14.3 光栅式传感器 2）光栅式传感器的结构 主光栅是测量的基准（又称为标尺光栅），其长度由测 量范围确定；而指示光栅一般比主光栅短得多，为一小块， 只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可，通常刻有与主光 栅同样密度的线纹（如图所示）。 光电接收元件是 将光栅副形成的莫尔 条纹的明暗强度变化 转化为电量输出，主 要包括有光电池和光 敏三极管。 14.3 光栅式传感器 3）光栅传感器工作原理 (1) 莫尔条纹形成的原理 n 光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的 。莫尔条纹：指把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠 合(片间留很小的间隔)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持 很小夹角 ，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间条 纹。 n 横向莫尔条纹的斜率为： tan=tan/2 n 横向莫尔条纹（宽带与暗 带）的间距为: 14.3 光栅式传感器 3）光栅传感器工作原理 （1）莫尔条纹形成的原理 n 可见，莫尔条纹的宽度由光栅常数与光栅的夹角决定。对 于给定光栅常数的两光栅，夹角愈小，条纹宽度愈大，条纹 愈稀，通过调整夹角，可使条纹宽度具有任何所需要的值。 （2）莫尔条纹的特性 n运动对应关系 n 莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅 的位移量和位移方向有严格的对应关系。 n位移放大作用 n 莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为： n减小误差作用 n 莫尔条纹是由光栅的大量栅线(常为数百条)共同形成的， 对栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距的局 部误差和短周期误差的影响。 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） n 在光栅传感器中，用来照明和接收莫尔条纹信号的光学 系统有多种型式。 n直接接收式光学系统 n左图所示为一般的透射光路，右图所示为一般的反射光路 。 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） 影像式光学系统 n 右上图所示为最简单的影 像式光学系统 n 右下图所示为没有指示光 栅的影像式光学系统 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） 分光式光学系统 n 分光式光学系统只适用于细栅距的 相位光栅。 n 右图所示为一典型的透射分光式光 学系统。 n 左下图所示是四分透镜分光式光路。 n 右下图为反射分光式光学系统。 14.3 光栅式传感器 4）光栅常用的光学系统（光路） 粗细栅距组合的光学系统 n左下图所示是粗细栅距组合的光学系统。 相位调制型光学系统 n右下图所示是利用光学机械原理的相位调制型光学系统。 14.3 光栅式传感器 5）光栅辨向原理 n 实用中，大部分被测物体的移 动非单向，即有正、反向运动。 n 单个光电元件缺乏辨向能力，从 正向移n个栅距得n个信号脉冲，反 向移m个栅距得m个信号脉冲，总 计n+m个脉冲。这和单向移n+m个 栅距的脉冲数相同，因而结果不正 确。如能根据正、反向移动，对脉 冲进行加、减计数，可得正确结果。 n 完成上述任务的电路是辨向电路。 为了辨向，在相距四分之一条纹间 距的位置上设光电元件1和2，得两 个相位互差90的莫尔条纹正弦信号， 然后送辨向电路处理。 14.3 光栅式传感器 6）细分技术 n 所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出多 个脉冲，以减小脉冲当量值从而提高分辨率。 n 常用的电子细分有直接细分法、电阻电桥细分法和电阻 链细分法三种。 14.3 光栅式传感器 7）光栅传感器的应用 n 光栅传感器在检测技术领域中有着广 泛应用，目前较成熟的应用范围有： 长度和角度的精密测量 复合参数测量 数控机床的伺服系统、数控系统的位 置检测 其他物理量检测。如速度、加速度、 振动、应力、应变、三维面形的检测。 n左上图为万能比长仪的工作原理图 n右下图为三坐标测量机中光栅部件的 工作原理图