第第1010章章 数字式传感器数字式传感器10.110.110.110.1角度角度角度角度- - - -数字编码器数字编码器数字编码器数字编码器10.210.210.210.2光栅传感器光栅传感器光栅传感器光栅传感器 数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.110.1.110.1.110.1.1角度角度角度角度- - - -数字编码器的基本类型数字编码器的基本类型数字编码器的基本类型数字编码器的基本类型v1 1按工作原理分类按工作原理分类按工作原理分类按工作原理分类 角角度度-数数字字编编码码器器按按工工作作原原理理主主要要分分为为绝绝对对式式编编码码器器（码码盘盘式式编码器）、编码器）、增量式增量式编码器（脉冲盘式编码器）两大类。编码器（脉冲盘式编码器）两大类。 角度角度-数字编码器是一种数字编码器是一种旋转式旋转式的数字传感器，它的转轴通的数字传感器，它的转轴通常与被测物连接，随被测轴一起转动，它能将被测轴的常与被测物连接，随被测轴一起转动，它能将被测轴的角位移角位移转转换成二进制编码或一串脉冲。所谓换成二进制编码或一串脉冲。所谓编码器编码器就是将机械转动的模拟就是将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，编码器以其高量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。 v2 2按结构形式分类按结构形式分类按结构形式分类按结构形式分类 角角度度-数数字字编编码码器器按按其其结结构构形形式式有有接接触触式式、光光电电式式、电电磁磁式式等等。三三种种编编码码器器相相比比较较，光光电电式式编编码码器器的的性性价价比比最最高高，最最大大特特点点是是非接触测量，允许高速转动。非接触测量，允许高速转动。数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.210.1.210.1.210.1.2绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器v1 1结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理 绝对式光电编码器主要由安装在旋转轴上的绝对式光电编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘编码圆盘（码盘）、（码盘）、狭缝狭缝、安装在圆盘两边的、安装在圆盘两边的光源光源和和光电元件光电元件以及以及测量电路测量电路等组成，基本等组成，基本结构如图结构如图10-1所示。光电式编码器的码盘是一块圆形的光学玻璃，采所示。光电式编码器的码盘是一块圆形的光学玻璃，采用照相腐蚀工艺，在码盘上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一用照相腐蚀工艺，在码盘上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即定规律排列的透光和不透光部分，即亮区亮区和和暗区暗区。 当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经狭缝后，通过亮区的光线经狭缝后， 由光电晶体管元由光电晶体管元件接收变成电流，经波形整形回路后变成件接收变成电流，经波形整形回路后变成数数字信号字信号，即光电元件的排列与码道一一对应，即光电元件的排列与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号，对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号，前者为前者为“1” ，后者为，后者为“0”。 当码盘旋至当码盘旋至不同位置时，光电元件输出信号的组合，反不同位置时，光电元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的轴的角位移角位移大小。大小。 数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.210.1.210.1.210.1.2绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器绝对式光电编码器v2 2码盘码盘码盘码盘 编码器码盘按其所用码制可分为编码器码盘按其所用码制可分为二进制码二进制码、 十进制码十进制码、 循循环码环码（格雷码）等。（格雷码）等。数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.310.1.310.1.310.1.3增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器v1 1结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理 脉冲盘式编码器只能用于测量脉冲盘式编码器只能用于测量相对于上一次的角度增量相对于上一次的角度增量，因此称，因此称为增量式编码器，增量式编码器通常由光源、光电码盘、光电元件以为增量式编码器，增量式编码器通常由光源、光电码盘、光电元件以及计数和辨向系统组成。及计数和辨向系统组成。 光电码盘的光源最常用的是自身有聚光效果的光电码盘的光源最常用的是自身有聚光效果的LED，光电码盘随，光电码盘随转轴一起转动。当码盘转过转轴一起转动。当码盘转过1/n圈时，光电元件即发出计数脉冲，计数圈时，光电元件即发出计数脉冲，计数器对脉冲的个数进行器对脉冲的个数进行加减增量计数加减增量计数，从而判断出码盘旋转的相对角度，从而判断出码盘旋转的相对角度，记录转动记录转动方向方向和和位移位移。 为了判断转向，才有了加减为了判断转向，才有了加减增量计数的设计，因此增量式编增量计数的设计，因此增量式编码器在工作时为了实现这项功能，码器在工作时为了实现这项功能，实际上会有实际上会有三个脉冲信号三个脉冲信号输出：输出：零位脉冲、零位脉冲、A相脉冲、相脉冲、B相脉冲，相脉冲，其工作形式如图其工作形式如图10-4所示。所示。数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.310.1.310.1.310.1.3增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器增量式光电编码器v2 2码盘码盘码盘码盘 增量式编码器的码盘设立了三个码道，透过的光信号由三个光电增量式编码器的码盘设立了三个码道，透过的光信号由三个光电元件接收，分别产生元件接收，分别产生Z（零位脉冲）、（零位脉冲）、A（增量脉冲）、（增量脉冲）、B（辨向脉冲）（辨向脉冲）三个矩形波列。三个矩形波列。 零位脉冲零位脉冲，是码盘转动的绝对位置，常用于机械原点定位。，是码盘转动的绝对位置，常用于机械原点定位。 信号信号A和信号和信号B是相位是相位相差相差90两列矩形方波，两列矩形方波，即可由即可由A相超前于相超前于B相或相或B相超前于相超前于A相的情况，识相的情况，识别是别是顺时针顺时针旋转，还是旋转，还是逆逆时针时针旋转，从而决定计数旋转，从而决定计数器作器作加计数加计数还是还是减计数减计数。增量式编码器的输出波形增量式编码器的输出波形如图如图10-5所示。所示。 数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.410.1.410.1.410.1.4角度角度角度角度- - - -数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号部部分分绝绝对对式式编编码码器器的的特特性性参参数数 数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.410.1.410.1.410.1.4角度角度角度角度- - - -数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号数字编码器的常用型号部部分分增增量量式式编编码码器器的的特特性性参参数数 数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.510.1.510.1.510.1.5角度角度角度角度- - - -数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用v1 1数字测速数字测速数字测速数字测速 由于光电式编码器的输出信号是由于光电式编码器的输出信号是脉冲形式脉冲形式，因此，可以通过测，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。光电式编码器可代替测速发量脉冲频率或周期的方法来测量转速。光电式编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为电机的模拟测速而成为数字测速数字测速装置。数字测速的方法有装置。数字测速的方法有M法测速法测速和和T法测速法测速等，如图等，如图10-6所示。所示。 数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.510.1.510.1.510.1.5角度角度角度角度- - - -数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用v2 2电梯测距电梯测距电梯测距电梯测距 电梯是智能楼宇的重要设备，安全性、舒适性、准确性是其重电梯是智能楼宇的重要设备，安全性、舒适性、准确性是其重要的技术指标。要的技术指标。 现在楼层控制以及平层功能，多采用光电式编码器测距，来实现在楼层控制以及平层功能，多采用光电式编码器测距，来实现准确停车。当曳引电动机旋转时，编码器即输出脉冲，脉冲数正现准确停车。当曳引电动机旋转时，编码器即输出脉冲，脉冲数正比于电梯的运行距离。例如，设定电梯在比于电梯的运行距离。例如，设定电梯在1楼时为零点，电梯运行到楼时为零点，电梯运行到4楼，编码器会输出楼，编码器会输出9800个脉冲，则在上行过程中，脉冲数为个脉冲，则在上行过程中，脉冲数为7000时时实行减速，脉冲数为实行减速，脉冲数为9800时发出停止命令，这样电梯就会准确停在时发出停止命令，这样电梯就会准确停在4楼。楼。数字式传感器10.110.1角度角度- -数字编码器数字编码器10.1.510.1.510.1.510.1.5角度角度角度角度- - - -数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用数字编码器的应用v3 3电动机速度闭环控制电动机速度闭环控制电动机速度闭环控制电动机速度闭环控制 为了设备运行稳定，电动为了设备运行稳定，电动机的速度经常需要进行机的速度经常需要进行闭环控闭环控制制，编码器结合电子线路可以，编码器结合电子线路可以对电动机在正反转时的不同转对电动机在正反转时的不同转速进行精确控制，其工作原理速进行精确控制，其工作原理如图如图10-7所示。将增量式编码器所示。将增量式编码器输出的输出的A、B信号引入信号处理信号引入信号处理回路，经辨向和累加后，变成回路，经辨向和累加后，变成位移和方向测量脉冲。经频率位移和方向测量脉冲。经频率-电压变换器变成正比于频率的电压变换器变成正比于频率的电压，作为电压，作为速度反馈信号速度反馈信号，供，供给速度控制电路，进行给速度控制电路，进行速度调速度调节节。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.2.1 光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类 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（又称为刻线），这就是光光栅，图栅，图10-8为透射光栅的示意图。为透射光栅的示意图。 图中图中a为栅线的宽度（不透光）为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的称为光栅的栅距栅距（也称光栅常数）。（也称光栅常数）。通常通常a=b=W/2，也可刻成，也可刻成a:b=1.1:0.9。目前常用的光栅每毫。目前常用的光栅每毫米刻成米刻成10、25、50、 100、250条条线条。线条。 数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.2.1 光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类光栅的结构与分类 光栅种类很多，按光栅种类很多，按原理和用途原理和用途分为：计量光栅、物理光栅（衍分为：计量光栅、物理光栅（衍射光栅）；按射光栅）；按工作原理工作原理分为：透射光栅、反射光栅；按分为：透射光栅、反射光栅；按光栅表面的光栅表面的结构和作用原理结构和作用原理为：黑白光栅、闪耀光栅（相位光栅）；按形状和为：黑白光栅、闪耀光栅（相位光栅）；按形状和用途分为：长光栅、圆光栅（径向光栅、切向光栅），长光栅用于用途分为：长光栅、圆光栅（径向光栅、切向光栅），长光栅用于长度测量，又称直线光栅，圆光栅用于角度测量；长度测量，又称直线光栅，圆光栅用于角度测量；新型光栅新型光栅则为：则为：激光全息光栅、偏振光栅。激光全息光栅、偏振光栅。 其中，物理光栅主要利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光其中，物理光栅主要利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波测定，而计量光栅常用于检测中，利用光的透射和反射现象，实波测定，而计量光栅常用于检测中，利用光的透射和反射现象，实现现位移测量位移测量，其次，计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次之，其次，计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次之高，有很高的分辨力，非常适用于高，有很高的分辨力，非常适用于动态测量动态测量。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.2 10.2.2 10.2.2 10.2.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头光栅读数头、光栅数光栅数显表显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。系统。 v1 1光栅读数头光栅读数头光栅读数头光栅读数头 光光栅读数头主要由光光栅读数头主要由标尺光栅标尺光栅、指示光栅指示光栅、光源光源、光路系统光路系统和和光电元件光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样密度的线纹。使用时，指示光栅标尺光栅短得多，但两者刻有同样密度的线纹。使用时，指示光栅相对于光电元件固定，标尺光栅则固定在被测物体上，且随被测物相对于光电元件固定，标尺光栅则固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，两光栅互相重叠，两者之间体一起移动，其长度取决于测量范围，两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条有微小的空隙。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生明暗交替变化，利用光电元件将其转换为电脉冲信号。纹产生明暗交替变化，利用光电元件将其转换为电脉冲信号。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.2 10.2.2 10.2.2 10.2.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器的组成光栅传感器的组成 v2 2光栅数显表光栅数显表光栅数显表光栅数显表 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，但位移是向量，光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，但位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，别位移的方向，进一步提高测量的精度，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作进一步的处理。光栅数必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由显表由整形放大电路整形放大电路、细分电路细分电路、辨向电路辨向电路及及数字显示电路数字显示电路等组成。等组成。 数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.310.2.310.2.310.2.3光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理 把两块栅距相等的光栅（光栅把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅光栅2）相对叠合在一起，中间留有）相对叠合在一起，中间留有很小间隙，并使两者的栅线之间形很小间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的成一个很小的夹角夹角，如图，如图10-9所示，所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现了明暗相间的条纹，这些向上出现了明暗相间的条纹，这些条纹叫条纹叫莫尔条纹莫尔条纹。也即莫尔条纹是。也即莫尔条纹是由两块光栅的遮光和透光效应形成由两块光栅的遮光和透光效应形成的。由图的。由图10-9的的d-d线上，两块光栅线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在图案构成的；在f-f线上，两块光栅线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。是由一些黑色叉线图案组成的。 数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.310.2.310.2.310.2.3光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理 利用莫尔条纹测量位移具有以下特点：利用莫尔条纹测量位移具有以下特点：1）误差的平均效应误差的平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅。莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响。的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响。 2）移动辨向作用移动辨向作用。如光栅。如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着向左移动时，莫尔条纹沿着光栅光栅2的栅线向下移动。的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的的运动进行辨向。运动进行辨向。 3）位移的放大作用位移的放大作用。当光栅每移动一个光栅栅距。当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角与两光栅线纹夹角之间的关系为之间的关系为 （10-1）式中，式中，BH为莫尔条纹的间距为莫尔条纹的间距W为光栅的栅距为光栅的栅距为两光栅刻线的夹角为两光栅刻线的夹角数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.310.2.310.2.310.2.3光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理光栅的工作原理 结论：结论：（1）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，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，相当于把栅距放大了倍，相当于把栅距放大了573倍，说明倍，说明光栅具有位移放大作用光栅具有位移放大作用，从而，从而提高了测量的灵敏度提高了测量的灵敏度。 （2）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线线/mm光栅时，若光栅移动了光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过了（也就是移过了100 x条光栅刻线），条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100x条。由于莫尔条纹比栅距条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别，宽得多，所以能够被光敏元件所识别，将此莫尔条纹产生的电脉冲信将此莫尔条纹产生的电脉冲信号记数号记数，就可知道移动的实际距离就可知道移动的实际距离。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.410.2.410.2.410.2.4辨向与细分辨向与细分辨向与细分辨向与细分v1 1辨向原理辨向原理辨向原理辨向原理 为了能够辨向，需要有相位差为为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。如图的两个电信号。如图10-11所示，在所示，在相隔相隔BH/4间距间距的位置上，放置两个光电元件的位置上，放置两个光电元件1和和2，得到两个相位差，得到两个相位差/2的的电信号电信号u1和和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经整形后得两（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经整形后得两个方波信号个方波信号u1和和u2。 从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，方向移动时，u1经微分电经微分电路后产生的脉冲，路后产生的脉冲， 正好发生在正好发生在u2的的“1”电平时，从而经电平时，从而经Y1输出一个计数输出一个计数脉冲；而脉冲；而U1经反相并微分后产生的脉冲，则与经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的的“0”电平相遇，与门电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，方向移动时，u1的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在u2为为“0”电平时，与门电平时，与门Y1无脉冲输出；而无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在的反相微分脉冲则发生在u2 的的“1”电平时，与门电平时，与门Y2输出一个计数脉冲，则说明输出一个计数脉冲，则说明u2的电平状态作为与的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。这样所产生的脉冲输出。这样就可以根据就可以根据运动方向运动方向正确地给出正确地给出加计数脉冲加计数脉冲或或减计数脉冲减计数脉冲，再将其输入可，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。 数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.410.2.410.2.410.2.4辨向与细分辨向与细分辨向与细分辨向与细分v1 1辨向原理辨向原理辨向原理辨向原理数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.410.2.410.2.410.2.4辨向与细分辨向与细分辨向与细分辨向与细分v2 2细分技术细分技术细分技术细分技术 所所谓谓细细分分，就就是是在在莫莫尔尔条条纹纹信信号号变变化化一一个个周周期期内内，发发出出若若干干个个脉脉冲冲，以以减减小小脉脉冲冲当当量量，如如一一个个周周期期内内发发出出n个个脉脉冲冲，即即可可使使测测量量精精度度提提高高到到n倍倍，而而每每个个脉脉冲冲相相当当于于原原来来栅栅距距的的1/n。由由于于细细分分后后计计数数脉脉冲冲频频率率提提高高到到了了n倍倍，因因此此也也称称之之为为n倍倍频频。光光栅栅细细分分方方法法有有机机械细分和电子细分两类。械细分和电子细分两类。 1）机械细分机械细分。又称位置细分，其优点是对莫尔条纹产生的信号波形。又称位置细分，其优点是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求，电路简单，可用于静态和动态测量系统；缺点则是没有严格要求，电路简单，可用于静态和动态测量系统；缺点则是光电元件安放困难，细分数不能太高。光电元件安放困难，细分数不能太高。 2）电子细分电子细分。电子细分技术的基本原理是正余弦组合技术，又可分。电子细分技术的基本原理是正余弦组合技术，又可分为四倍频细分、电阻电桥细分和电阻链细分（电阻分割）三种。为四倍频细分、电阻电桥细分和电阻链细分（电阻分割）三种。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.410.2.410.2.410.2.4辨向与细分辨向与细分辨向与细分辨向与细分v3 3零位光栅零位光栅零位光栅零位光栅 在增量式光栅中，为了寻找坐标原点、消除误差积累，在测量在增量式光栅中，为了寻找坐标原点、消除误差积累，在测量系统中需要有系统中需要有零位标记零位标记（位移的其始点），因此在光栅尺上除了主（位移的其始点），因此在光栅尺上除了主光栅线外，还必须刻有零位基准的光栅线外，还必须刻有零位基准的零位光栅零位光栅，以形成，以形成零位脉冲零位脉冲，又，又称称参考脉冲参考脉冲。把整形后的零位信号作为。把整形后的零位信号作为计数开始的条件计数开始的条件。 在使用光栅时，要注意运动速度必须在允许的范围内，当速度在使用光栅时，要注意运动速度必须在允许的范围内，当速度过高时，光电元件还来不及响应，造成输出信号的幅值降低，波形过高时，光电元件还来不及响应，造成输出信号的幅值降低，波形变坏。变坏。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.510.2.510.2.510.2.5常用光栅传感器的特性参数常用光栅传感器的特性参数常用光栅传感器的特性参数常用光栅传感器的特性参数 圆光栅是一种精密的测角元件，圆光栅传感器广泛用于跟踪仪圆光栅是一种精密的测角元件，圆光栅传感器广泛用于跟踪仪器、测角仪器、以及数控机床，还可作为精密检测系统中的反馈元器、测角仪器、以及数控机床，还可作为精密检测系统中的反馈元件。件。 光栅位移数字测量系统读数直观、迅速，使用方便，可靠性高，光栅位移数字测量系统读数直观、迅速，使用方便，可靠性高，抗干扰能力强，并且分辨率高，精度高，工作速度快还带有微机误抗干扰能力强，并且分辨率高，精度高，工作速度快还带有微机误差修正的数字显示。常用于数显、数控机床的位移测量；划线机、差修正的数字显示。常用于数显、数控机床的位移测量；划线机、测长机、计量仪器的位置数字测量以及各种位移的数字显示测长机、计量仪器的位置数字测量以及各种位移的数字显示 数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.510.2.510.2.510.2.5常用光栅传感器的特性参数常用光栅传感器的特性参数常用光栅传感器的特性参数常用光栅传感器的特性参数 数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.610.2.610.2.610.2.6光栅传感器的应用光栅传感器的应用光栅传感器的应用光栅传感器的应用 光光栅栅传传感感器器属属于于非非接接触触测测量量方方式式，它它测测量量精精度度高高、动动态态测测量量范范围围广广、易易实实现现系系统统的的数数字字化化和和自自动动化化，在在量量具具、数数控控机机床床的的闭闭环环反反馈馈控控制制、工工作作母母机机的的坐坐标标测测量量等等方方面面，光光栅栅传传感感器器都都起起着着重重要要作作用用，因因而而在在机机械械工工业业中中得到了广泛应用。得到了广泛应用。 图图10-12为为光光栅栅式式万万能能测测长长仪仪的的工工作作原原理理图图。标标尺尺光光栅栅采采用用透透射射式式黑黑白白振振幅幅光光栅栅，光光栅栅栅栅距距W0.01m，指指示示光光栅栅采采用用四四裂裂相相光光栅栅，光光源源采采用用TIL-23红红外外发发光光二二极极管管，其其发发光光光光谱谱为为930nml000nm， LS600光光电电三三极极管管用用于于接接收收，两两光光栅栅之之间间的的间间隙隙为为0.02nm0.035mm，由由于于标标尺尺光光栅栅和和指指示示光光栅栅之之间间的的透透光光和和遮遮光光效效应应，形形成成莫莫尔尔条条纹纹，当当两两块块光光栅栅相相对对移移动动时时，便便可可接接收收到到周周期期性性变变化化的的光光通通量量。利利用用四四裂裂相相指指示示光光栅栅依依次次获获得得sin、cos、-sin和和-cos四路原始信号，以满足辨向和消除共模电压的需要。四路原始信号，以满足辨向和消除共模电压的需要。 由由光光栅栅传传感感器器获获得得的的四四路路原原始始信信号号，经经差差分分放放大大器器放放大大、移移相相电电路路分分相相、整整形形电电路路整整形形、倍倍频频电电路路细细分分、辨辨向向电电路路辨辨向向进进入入可可逆逆计计数数器器计计数数，由由显显示示器器显显示示读读出出。这这后后面面的的过过程程均均由由相相应应的的电电路路来来完完成成，也也可可以以采采用用大大规模集成电路或者微型计算机等来实现以上功能。规模集成电路或者微型计算机等来实现以上功能。数字式传感器10.210.2光栅传感器光栅传感器10.2.610.2.610.2.610.2.6光栅传感器的应用光栅传感器的应用光栅传感器的应用光栅传感器的应用数字式传感器本章小结本章小结 1角度角度-数字编码器是一种旋转式的数字传感器，将被测轴的角位数字编码器是一种旋转式的数字传感器，将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。编码器以其高精度、高分辨率和高可移转换成二进制编码或一串脉冲。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。角度靠性被广泛用于各种位移的测量。角度-数字编码器按工作原理主要分为数字编码器按工作原理主要分为绝对式编码器（码盘式编码器）、增量式编码器（脉冲盘式编码器）两绝对式编码器（码盘式编码器）、增量式编码器（脉冲盘式编码器）两大类。角度大类。角度-数字编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等。数字编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等。 2绝对式编码器不管有无旋转，由于能够给出与每个角位置相对应绝对式编码器不管有无旋转，由于能够给出与每个角位置相对应的完整的数字量输出，所以总能确认其旋转位置。由单个码盘组成的绝的完整的数字量输出，所以总能确认其旋转位置。由单个码盘组成的绝对式编码器，所测得的角位移范围是对式编码器，所测得的角位移范围是0360。绝对式光电编码器主要由。绝对式光电编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、狭缝、安装在圆盘两边的光源和安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、狭缝、安装在圆盘两边的光源和光电元件以及测量电路等组成，码盘按其所用码制可分为二进制码、光电元件以及测量电路等组成，码盘按其所用码制可分为二进制码、 十十进制码、进制码、 循环码（格雷码）等。循环码（格雷码）等。 3增量式编码器只在旋转期间输出和旋转相对应脉冲的型式，在静增量式编码器只在旋转期间输出和旋转相对应脉冲的型式，在静止状态下不输出。它的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进止状态下不输出。它的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减（正向或反向旋转时）累计计数，一般还需要一个基准数据即零行加减（正向或反向旋转时）累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。通常由光源、光电码盘、光电元件以及位基准，才能完成角位移测量。通常由光源、光电码盘、光电元件以及计数和辨向系统组成。计数和辨向系统组成。数字式传感器本章小结本章小结 4编码器除了可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，编码器除了可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，转而用来测量转速。如果通过机械装置，将直线位移转换为角位移，还转而用来测量转速。如果通过机械装置，将直线位移转换为角位移，还可以测量直线位移。可以测量直线位移。 5光栅种类很多，按原理和用途分为：计量光栅、物理光栅（衍射光栅种类很多，按原理和用途分为：计量光栅、物理光栅（衍射光栅）；按工作原理分为：透射光栅、反射光栅；按光栅表面的结构和光栅）；按工作原理分为：透射光栅、反射光栅；按光栅表面的结构和作用原理为：黑白光栅、闪耀光栅（相位光栅）；按用途分为：长光栅、作用原理为：黑白光栅、闪耀光栅（相位光栅）；按用途分为：长光栅、圆光栅（径向光栅、切向光栅）；新型光栅则为：激光全息光栅、偏振圆光栅（径向光栅、切向光栅）；新型光栅则为：激光全息光栅、偏振光栅。计量光栅常用于检测中，主要利用光的透射和反射现象产生得莫光栅。计量光栅常用于检测中，主要利用光的透射和反射现象产生得莫尔条纹进行测量，常用于位移测量，有很高的分辨力，计量光栅的脉冲尔条纹进行测量，常用于位移测量，有很高的分辨力，计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次之高，非常适用于动态测量。读数速率可达每毫秒几百次之高，非常适用于动态测量。 6光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 7从光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，从光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。而移动方向则根据产生脉冲的相位关系来判断。采用细分技术。而移动方向则根据产生脉冲的相位关系来判断。 8介绍了部分数字式传感器的型号、性能指标、适用范围以及典型介绍了部分数字式传感器的型号、性能指标、适用范围以及典型数字式传感器的应用，以供参考。数字式传感器的应用，以供参考。数字式传感器