《D数字式传感器》PPT课件
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细分前 细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 脉冲的频率提高了4
细分后 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。
光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
由计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（180 ）
由于莫尔条纹间距较大，因此可以用小 面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
光栅的输出信号（TTL）
余弦信号 （超前） 正弦信号 零位信号
光栅输出信号（电压正弦波）
余弦信号 细分点 正弦信号 零位信号
脉冲细分
360
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二 进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基 本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。
一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。
透光区
不透光区绝对式码盘与增量式 Nhomakorabea盘有何区别？
编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用
细分后 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。
光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
由计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（180 ）
由于莫尔条纹间距较大，因此可以用小 面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
光栅的输出信号（TTL）
余弦信号 （超前） 正弦信号 零位信号
光栅输出信号（电压正弦波）
余弦信号 细分点 正弦信号 零位信号
脉冲细分
360
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二 进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基 本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。
一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。
透光区
不透光区绝对式码盘与增量式 Nhomakorabea盘有何区别？
编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用
《数字式传感器》课件
未来数字式传感器将进一步实现多功能化和集成化，能够同时测量多个物理量，并与其他设备集成在一起。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。
《数字式传感器》PPT课件
Ussinωt和uc＝Ucsinωt，则定尺上的感应电势es和ec 可用下式表达：
其中：K——耦合系数； θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁， 其输出信号的处理方式有: 1.鉴相法 2.鉴幅法 3.脉冲调宽法 三种。
第10章 数字式传感器
鉴幅法测量系统
此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电 压幅值转换成数字量。
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
三、感应同步器的接长使用
感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静 态和动态测量。
在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常 用它作为测量元件。
与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要 求低，机械结构简单，接长方便。
目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误 差约为±0.5”。
第10章 数字式传感器
第二节 光 栅
光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均 匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光 栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理 光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和 光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔 条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制 中。
第10章 数字式传感器
鉴相法
所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量 位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的 正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同， 但 相 位 差 为 V2 的 正 弦 激 磁 电 压 ， 即 us＝
Um·sinωt和uc＝Umcosωt。
第10章 数字式传感器
其中：K——耦合系数； θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁， 其输出信号的处理方式有: 1.鉴相法 2.鉴幅法 3.脉冲调宽法 三种。
第10章 数字式传感器
鉴幅法测量系统
此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电 压幅值转换成数字量。
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
三、感应同步器的接长使用
感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静 态和动态测量。
在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常 用它作为测量元件。
与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要 求低，机械结构简单，接长方便。
目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误 差约为±0.5”。
第10章 数字式传感器
第二节 光 栅
光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均 匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光 栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理 光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和 光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔 条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制 中。
第10章 数字式传感器
鉴相法
所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量 位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的 正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同， 但 相 位 差 为 V2 的 正 弦 激 磁 电 压 ， 即 us＝
Um·sinωt和uc＝Umcosωt。
第10章 数字式传感器
数字式传感器PPT课件
(10-7)
电桥平衡条件
R2u1+R1u2=0 令 2x/W=，则式（10-6）改写为
u1=Umsin 和u2=Umcos ，代入上式，得
tan= R1/R2
（10-8）
R1/R2
x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/ 2
可编辑
图10-6
电阻电桥细分原理
15ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10.1 光栅传感器
细分。
可编辑
14
10.1 光栅传感器
（2）电阻电桥细分
图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所 示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载
电阻无穷大，则电桥输出电压uo为
uo
u1 R1 R2
R2
u2 R1 R2
R1
R2u1 R1u2 R1 R2
W
2 2
W
（10-1）
图10-2 光栅和横向
莫尔条纹
可编辑
6
10.1 光栅传感器
2. 莫尔（Moire）条纹的基本特性 （1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应 移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对 应关系； （2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间 距B，由B=W/知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于 此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移； （3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合 效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果； （4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分 技术，提高测量分辨率。
可编辑
7
10.1 光栅传感器
数字式温度传感器PPT课件
数字式温度பைடு நூலகம்感器
Digital temperature sensor
2021/7/24
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
2021/7/24
课程内容 Course Contents
2021/7/24
个人观点供参考，欢迎讨论
9~12位数字量方式串行传送
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20测温原理：
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20应用电路：
THANK YOU
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.2 DS18B20结构与特点
DS18B20结构：
DS18B20特点： （1）单总线接口实现双向通信 （2）测量温度范围为-55 ~+125℃ （3）支持多点组网功能 （4）掉电保护功能 （5）测量结果即可通过程序设定
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.1 数字式温度传感器分类
数字式温度传感器定义： 数字式温度传感器是一种直接将温度变化转换为数字信号，并通过 串行通信方式输出的传感器。 数字式温度传感器分类： 单总线数据格式 三总线数据格式 RS232\485\数据格式 CAN总线数据格式 ZIGBEE数据格式
Digital temperature sensor
2021/7/24
2021/7/24
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1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
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9~12位数字量方式串行传送
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1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20测温原理：
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DS18B20应用电路：
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1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.2 DS18B20结构与特点
DS18B20结构：
DS18B20特点： （1）单总线接口实现双向通信 （2）测量温度范围为-55 ~+125℃ （3）支持多点组网功能 （4）掉电保护功能 （5）测量结果即可通过程序设定
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.1 数字式温度传感器分类
数字式温度传感器定义： 数字式温度传感器是一种直接将温度变化转换为数字信号，并通过 串行通信方式输出的传感器。 数字式温度传感器分类： 单总线数据格式 三总线数据格式 RS232\485\数据格式 CAN总线数据格式 ZIGBEE数据格式
DIS传感器简介 ppt课件
数字信号
各类信息
传感器
数据采集器
计算机
ppt课件
15
数据采集过程：一、信息的转换
力 温度 压强 声音 磁场 光 加速度
湿度 ……
非电量物理量
各 类
传 电信号
感 器
传感器将各类信息转换成模拟 电量（电压、电流、频率等） 。
ppt课件
16
信号1 信号2 信号3 信号4
采样开关
二、多路采样
输出信号
单片机定时控制
先对第一通道的信号进行采
样和处理，再采集处理第二通
1
4
道的信号，周而复始。
2 3
ppt课件
17
三、信号放大
放大
将微弱的电压信号进行高精度放大。
四、A / D 转换
模拟信号
采样
保持
量化
编码
数字信号
ppt课件
18
五、数据存储
将经过A／D转换后的数字信号存储在采集器的微处理 器内，等待计算机索取数据。
U
8
7
6
5
4
3
2
1 0
t
t1
t2
t3
t4
t5
采样时刻 采样
t1
采样电压 4.4
量化 近似值
4
量化值/v
8 7 6 5 4 3 2 1 0
t2
t3
t4
t5
6.7 1.9 2.3
3.6
7
2
2
4
量pp化t课件信号
t
采集频率越高，误差越小。 10
量化信号 → 二进制代码
量化值/v
8 7 6 5 4 3 2 1 0
第11章数字式传感器
a
b
W 图14.9 透射长光栅
2. 光栅测量原理
把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起， 中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小 的夹角θ，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明 暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d线上，两块 光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它 是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的栅 线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成 的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应 形成的。
电源线
复位 机构
图14.15 轴环式数显表外形
t
时钟
复位 控制逻辑
（a）脉冲频率法测转速
复位 脉冲间隔 控制电路 编码器脉冲
（b）脉冲周期法测转速
n N1 60 Nt
n 60 2N2 N T
11.3.2 计量光栅的应用
主光栅
透镜
发
指示光栅
光
放分整辨细计显
二
大相形向分数示
极
光电三极管
3
2
4
1
5
1—光 源 ； 2—透 镜 ； 3—标 尺 光 栅 ； 4—指 示
5—光 电 元 件
x
图11.11 光栅读数头结构示意图
莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间
的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从
最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一
个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条 纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于
正弦周期函数如以电压输出，即
uo
Uo
Um
sin
数字式传感器PPT课件
28
10.2 磁栅传感器
若采用鉴幅方式，则先经检波去掉高频载波，得
e'o1
EO
sin
2x ;
e'o2
EO
cos
2x
(10-15)
再送相关电路进行细分、辨向后输出。
可编辑
29
10.2 磁栅传感器
若采用鉴相方式，用两个相差/4的激磁信号激励，则输
出信号为
eo1
EO
sin
2x
10.1.3零位光栅和绝对零位
光栅测量系统是一个增量式测量系统，在测量过程中，它 只有相对零位。实际测量过程中需确定一个基准点，即绝对 零位。
零位光栅确定系统的绝对零位。零位光栅是在标尺光栅和 指示光栅的原有刻线之外另行刻制的，最简单的零位光栅刻 线是一条单独刻制的透光亮线。
圆光栅传感器结构原理与直线光栅相仿，它用于角位移测 量。
24
10.2 磁栅传感器
静态磁头的工作原理如图10-18所示。激磁绕组相当于 一个非线性电感，激磁电流也是非线性的。磁芯回路中的 和Rm随激磁电流工作的磁化曲线不同区段而变化。磁阻 Rm在磁芯中的作用相当于一个“磁开关”，对磁尺产生
的 磁通起“导通”和“阻断”作用，从而引起输出绕组的磁
芯回 路中的磁通变化，产生感应电动势。每一激磁电压周期内 有两次磁通变化，感应电动势频率是激磁电压频率的2 倍，幅值与磁尺所产生的磁通量大小成比例。
图10-13 透射长光栅传感器
可编辑
19
10.2 磁栅传感器
10.2.1磁栅传感器的结构和工作原理
结构：磁栅传感器有磁栅（磁尺或磁盘）、磁头和检测电 路等组成，如图10-14所示。
图10-14 磁栅传感器 示意图
数字式传感器-PPT课件
光电式编码器
第13章 数字式传感器 脉冲盘式编码器的，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。绝对编码器不需 要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应 的固定数字码输出， 能方便地与数字系统（如微机）连接。
第13章 数字式传感器
（1） 辨向原理 采用图13-3中一个光电元件的光栅读数头， 无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化， 光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运 动方向。为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。 图 13-5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置 上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信号u1和 u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两 个方波信号u1′和u2′。
第13章 数字式传感器 图13 – 1 透射光栅示意图
第13章 数字式传感器
2. 光栅测量原理
把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一 起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小 的夹角θ，如图13-2所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向 上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图13 - 2可见， 在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹 的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光 栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组 成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形 成的。
第13章 数字式传感器 13.2.1 光电式编码器
光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构 如图13-6所示。码盘由光学玻璃制成，其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，即亮区 和暗区。码盘构造如图13-7所示，它是一个6位二进制码盘。当 光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝 后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应， 对应 于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 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，代表了码盘轴的角位移大小。
第13章 数字式传感器 脉冲盘式编码器的，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。绝对编码器不需 要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应 的固定数字码输出， 能方便地与数字系统（如微机）连接。
第13章 数字式传感器
（1） 辨向原理 采用图13-3中一个光电元件的光栅读数头， 无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化， 光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运 动方向。为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。 图 13-5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置 上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信号u1和 u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两 个方波信号u1′和u2′。
第13章 数字式传感器 图13 – 1 透射光栅示意图
第13章 数字式传感器
2. 光栅测量原理
把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一 起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小 的夹角θ，如图13-2所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向 上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图13 - 2可见， 在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹 的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光 栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组 成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形 成的。
第13章 数字式传感器 13.2.1 光电式编码器
光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构 如图13-6所示。码盘由光学玻璃制成，其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，即亮区 和暗区。码盘构造如图13-7所示，它是一个6位二进制码盘。当 光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝 后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应， 对应 于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 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，代表了码盘轴的角位移大小。
《数字式传感器》PPT课件 (2)
数，则上式为
(
单根振弦测压力时的非线性误差d 为
(
为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两 弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个 弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦 的频率差，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为 减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。
振弦式加速度传感器结构原理图示于图8-15中，1
缺点： 要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期 长，成本较高,价格贵。另外，其输出频率与被测 量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保 证良好的精度。
10.1 原理与类型
种类： 按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原 子的三类。
这里分析机械式谐振传感器。
10.1 原理与类型
工作核心： 将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中 振动部分被称为振子。
应用： 测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、 液位等。 它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、 石油等行业中。
机械振子的基本类型
振弦式
振筒式
振梁式
差动式振弦传感器原理
精选ppt
13
电流法电路
1.基本原理
振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下
式表示 (
式中：k ──振子材料的刚度；me──振子的
故
项可忽略。
当由系上数式可a和得b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，
式中:
──压差灵敏度系数，与振筒的
材料性质及尺寸有关；
r、h、 、E ──振筒的内半径、厚度、泊松
比、弹性模量。
可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频
率之间近似成抛物线关系。
由上式得到
因为 f/f0< < 1，相比之下( f/f0)2可
(
单根振弦测压力时的非线性误差d 为
(
为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两 弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个 弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦 的频率差，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为 减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。
振弦式加速度传感器结构原理图示于图8-15中，1
缺点： 要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期 长，成本较高,价格贵。另外，其输出频率与被测 量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保 证良好的精度。
10.1 原理与类型
种类： 按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原 子的三类。
这里分析机械式谐振传感器。
10.1 原理与类型
工作核心： 将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中 振动部分被称为振子。
应用： 测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、 液位等。 它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、 石油等行业中。
机械振子的基本类型
振弦式
振筒式
振梁式
差动式振弦传感器原理
精选ppt
13
电流法电路
1.基本原理
振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下
式表示 (
式中：k ──振子材料的刚度；me──振子的
故
项可忽略。
当由系上数式可a和得b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，
式中:
──压差灵敏度系数，与振筒的
材料性质及尺寸有关；
r、h、 、E ──振筒的内半径、厚度、泊松
比、弹性模量。
可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频
率之间近似成抛物线关系。
由上式得到
因为 f/f0< < 1，相比之下( f/f0)2可
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光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成 窄光束照射在光电元件上；
2021/3/12
4
编码器
每个码道有一个光电元件，光电元件受光照为 “0”，不受光照为“1”；
转动码盘，转角α即可转换成几位二元码。
pa
2.码制
二进制码、循环
d
m
码、十进制码、六十 l
e
进制码、四位二进制
码，格雷码。
ih
2021/3/12
5
编码器
1）四位二进制码盘：最内圈码道为第一码道， 半圈透亮，半圈不透亮。 p a
对应最高位C4
d m
l
e
ih
最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应最 低位C1，最小分辨率为α=360°/2n
2021/3/12
6
编码器
当狭缝对准a,b,c,…p位置时，得到的数码将是 0000,0001,0010,…1111
上述过程，依次可得Rn，Rn-1，……，R2，R1。
2021/3/12
17
编码器
Cn Rn
由循环码转换为二进制码的电路： Ci Ci1 Ri
Rn
Cn
Rn-1
+
Cn-1
J
Ri
Q
Rn-2
+
Cn-2
+
Ci
K
D
R1
+
C1
CP
RD
并行转换电路
串行转换电路
2021/3/12
18
编码器
串行转换电路的工作过程为：将JK触发器RD复0，Q ＝0，Rn加到J、K，再加CP脉冲，则Q＝Cn＝Rn；
C0 1 0 1 0 10 1 0 1 1 1 0 1 0
循0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 环0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 码0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
R0 1 1 0 0 11 0 0 1 1 0 0 1 1 0
2021/3/12
15
编码器
二进制码可转换为循环码：
转换关系 Cn＝Rn Ri Ci1 Ci Ci Ci 1 Ri
举例：二进制码→循环码
+ 不进位加法
C4 C3 C2 C1 + C3 C2 C1
R4 R3 R3 R1
0110 + 110
0101
1110 + 110
1001
2021/3/12
型号
轴径
PAL φ8 实心轴
PAL1 φ10 实心轴
PZX φ10 实心轴
PNL φ6 φ8 实心轴
输出码
精度
二进制码或格雷码 8位 9位 10位
二进制码或格雷码 8位 9位 10位 11位
循环二进制码 180分度
格雷码
4 6 8 10 12位
2021/3/12
20
编码器
二、增量编码器—— 脉冲盘式数字传感器
2021/3/12
12
编码器
与二进制码不同之处: ➢第二道码也是一半透光一半不透光 ➢第i码道分为2i－1(i≥2)个黑白间隔,如i＝2, 则等于2；i＝3，则等于4；i＝4，则等于8个 间隔，第i码道的黑白分界线与第i－1码道的 黑折分界线错开360°/2i(i≥2) ➢循环码是无权码。 ➢循环码转到相邻区域时，编码中只有一位发 生变化。
16
编码器
Cn Rn
由二进制码转换为循环码的电路： Ri Ci1 Ci
Cn
Rn
+
Rn-1
Cn-1 Cn-2
+
Rn-2
C2 C1
+
R1
并行转换电路
Ci D CP
Q+
Ri
D2
D1
RD
串行转换电路
串行转换电路的工作过程为：D1置0，即Q=0。Ci端送
入Cn，异或门D2输出Rn＝Cn 0＝Cn；随后加CP脉冲， 使Q＝Cn；在Ci端加Cn-1，D2输出Rn-1＝Cn-1 Cn。重复
➢以脉冲形式输出，如光栅,磁栅等
➢以频率形式输出
pa
。
。。
。。
m
d
l
e
。 。。 。。
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ih
2
编码器
➢直接编码器：（绝对式） 直接将角位移或线性位移转换为二元码（即
“0”或“1”）
➢增量编码器
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3
编码器
一、光电式直接编码器（绝对式）
1.构成： 由光学玻璃制成的圆形
；
pa
码盘转角与转换出的二进制
码C1，C2…… Cn的关系
d
m
n
ci 2i1 N
l
e
i 1
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ih
7
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8
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9
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10
编码器
2）二进制码的缺点： 由于黑白分界线刻划不精确造成粗误差。
a
C1 1
0
C2 1
0
C3 1
0
C4 1
0
a
理想位置分界线aa: 0111→1000
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21
编码器
（2）工作原理
脉冲式数字传感器一般只有3道码道，光电元件 也只有3个。
最外圈码道上：提供初始的零位脉冲
中间圈： 增量码道 均有m个透光和不透光的扇区
最里圈： 辨向码道 但彼此错开900/m
增量编码器的分辨率：
第13章 数字式传感器
将被测模拟量转换成数字输出的传感器。
优点 ➢ 测量精度和分辨率更高 ➢ 抗干扰能力强，稳定性好 ➢ 测量范围大 ➢ 易于与计算机接口实现智能化 ➢ 便于传输、存储和信号处理 ➢ 电路便于集成化
2021/3/12
1
数字传感器
数字传感器的三大类
➢直接以数字量形式输出，如直接编码器
设Q端为Ci+1，J、k端加Ri；
当Ri＝“1”，则加CP后，Q＝ C i+1，
当Ri＝“0”，则加CP后，Q＝Ci+1，
其逻辑关系为：
Q Ci Ri • Ci1 Ri • Ci1 Ci1 Ri
重复上述步骤，可依次获得：Cn，Cn-1，……，C2， C1
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19
绝对式编码器
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13
编码器
当狭缝对准a,b,c,…p 位置时，得到的数码将 是：0000,0001,0011， 0010…1000。
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14
编码器
3.二进制码与循环码的转换
十0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1
进
012345
制
二 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 11 进 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 11 制0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
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编码器
当C4的白分界线不清时，转动码盘时， 输出由0111→0000 →1000，其中出现错误码 “0000”；
当C4的黑分界线不清时，转动码盘时，输 出由0111→1111 →1000，其中出现错误码 “1111”。
3）循环码盘 与二进制码相同之处： 码道数等于数码位数，最小分辨率相同； 最内圈也是半圈透光，半圈不透光；
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编码器
每个码道有一个光电元件，光电元件受光照为 “0”，不受光照为“1”；
转动码盘，转角α即可转换成几位二元码。
pa
2.码制
二进制码、循环
d
m
码、十进制码、六十 l
e
进制码、四位二进制
码，格雷码。
ih
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编码器
1）四位二进制码盘：最内圈码道为第一码道， 半圈透亮，半圈不透亮。 p a
对应最高位C4
d m
l
e
ih
最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应最 低位C1，最小分辨率为α=360°/2n
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编码器
当狭缝对准a,b,c,…p位置时，得到的数码将是 0000,0001,0010,…1111
上述过程，依次可得Rn，Rn-1，……，R2，R1。
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编码器
Cn Rn
由循环码转换为二进制码的电路： Ci Ci1 Ri
Rn
Cn
Rn-1
+
Cn-1
J
Ri
Q
Rn-2
+
Cn-2
+
Ci
K
D
R1
+
C1
CP
RD
并行转换电路
串行转换电路
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编码器
串行转换电路的工作过程为：将JK触发器RD复0，Q ＝0，Rn加到J、K，再加CP脉冲，则Q＝Cn＝Rn；
C0 1 0 1 0 10 1 0 1 1 1 0 1 0
循0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 环0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 码0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
R0 1 1 0 0 11 0 0 1 1 0 0 1 1 0
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编码器
二进制码可转换为循环码：
转换关系 Cn＝Rn Ri Ci1 Ci Ci Ci 1 Ri
举例：二进制码→循环码
+ 不进位加法
C4 C3 C2 C1 + C3 C2 C1
R4 R3 R3 R1
0110 + 110
0101
1110 + 110
1001
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型号
轴径
PAL φ8 实心轴
PAL1 φ10 实心轴
PZX φ10 实心轴
PNL φ6 φ8 实心轴
输出码
精度
二进制码或格雷码 8位 9位 10位
二进制码或格雷码 8位 9位 10位 11位
循环二进制码 180分度
格雷码
4 6 8 10 12位
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编码器
二、增量编码器—— 脉冲盘式数字传感器
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编码器
与二进制码不同之处: ➢第二道码也是一半透光一半不透光 ➢第i码道分为2i－1(i≥2)个黑白间隔,如i＝2, 则等于2；i＝3，则等于4；i＝4，则等于8个 间隔，第i码道的黑白分界线与第i－1码道的 黑折分界线错开360°/2i(i≥2) ➢循环码是无权码。 ➢循环码转到相邻区域时，编码中只有一位发 生变化。
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编码器
Cn Rn
由二进制码转换为循环码的电路： Ri Ci1 Ci
Cn
Rn
+
Rn-1
Cn-1 Cn-2
+
Rn-2
C2 C1
+
R1
并行转换电路
Ci D CP
Q+
Ri
D2
D1
RD
串行转换电路
串行转换电路的工作过程为：D1置0，即Q=0。Ci端送
入Cn，异或门D2输出Rn＝Cn 0＝Cn；随后加CP脉冲， 使Q＝Cn；在Ci端加Cn-1，D2输出Rn-1＝Cn-1 Cn。重复
➢以脉冲形式输出，如光栅,磁栅等
➢以频率形式输出
pa
。
。。
。。
m
d
l
e
。 。。 。。
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编码器
➢直接编码器：（绝对式） 直接将角位移或线性位移转换为二元码（即
“0”或“1”）
➢增量编码器
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编码器
一、光电式直接编码器（绝对式）
1.构成： 由光学玻璃制成的圆形
；
pa
码盘转角与转换出的二进制
码C1，C2…… Cn的关系
d
m
n
ci 2i1 N
l
e
i 1
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10
编码器
2）二进制码的缺点： 由于黑白分界线刻划不精确造成粗误差。
a
C1 1
0
C2 1
0
C3 1
0
C4 1
0
a
理想位置分界线aa: 0111→1000
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编码器
（2）工作原理
脉冲式数字传感器一般只有3道码道，光电元件 也只有3个。
最外圈码道上：提供初始的零位脉冲
中间圈： 增量码道 均有m个透光和不透光的扇区
最里圈： 辨向码道 但彼此错开900/m
增量编码器的分辨率：
第13章 数字式传感器
将被测模拟量转换成数字输出的传感器。
优点 ➢ 测量精度和分辨率更高 ➢ 抗干扰能力强，稳定性好 ➢ 测量范围大 ➢ 易于与计算机接口实现智能化 ➢ 便于传输、存储和信号处理 ➢ 电路便于集成化
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数字传感器
数字传感器的三大类
➢直接以数字量形式输出，如直接编码器
设Q端为Ci+1，J、k端加Ri；
当Ri＝“1”，则加CP后，Q＝ C i+1，
当Ri＝“0”，则加CP后，Q＝Ci+1，
其逻辑关系为：
Q Ci Ri • Ci1 Ri • Ci1 Ci1 Ri
重复上述步骤，可依次获得：Cn，Cn-1，……，C2， C1
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绝对式编码器
2021/3/12
13
编码器
当狭缝对准a,b,c,…p 位置时，得到的数码将 是：0000,0001,0011， 0010…1000。
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14
编码器
3.二进制码与循环码的转换
十0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1
进
012345
制
二 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 11 进 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 11 制0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
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编码器
当C4的白分界线不清时，转动码盘时， 输出由0111→0000 →1000，其中出现错误码 “0000”；
当C4的黑分界线不清时，转动码盘时，输 出由0111→1111 →1000，其中出现错误码 “1111”。
3）循环码盘 与二进制码相同之处： 码道数等于数码位数，最小分辨率相同； 最内圈也是半圈透光，半圈不透光；