数字式位置传感器
传感器的分类(频率式和数字式)
第5章 频率式和数字式传感器 5.2.2
1. 接触式码盘
图5-3（a）为一个四位接触式码盘。 涂黑部分为导电区， 输出为“1”，空白部分为不导电区，输出为“0”。 所有导电部 分连在一起，接高电位。 图示码盘共有四圈码道，在每圈码道 上都有一个电刷，电刷经电阻接地。 当码盘与被测物转轴一起 转动时，电刷上出现的电位对应一定的数码。若有n条码道， 则角度分辨率为
第5章 频率式和数字式传感器
第5章 频率式和数字式传感器
5.1 振弦式频率传感器 5.2 数字编码器 5.3 感应同步器 5.4 磁栅传感器 5.5 光栅传感器 5.6 容栅传感器 5.7 球同步器(球栅)
第5章 频率式和数字式传感器
5.1 振弦式频率传感器
5.1.1 振弦式频率传感器的结构原理
振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件， 其结构
节距为W（标准为2 mm）， 机械位移x
2 x， 其总感应电动势e与两尺的相对位移x关系为
W
e
kU
m
sin(t
)
kU
m
sin(t
2π W
x)
（5-3）
第5章 频率式和数字式传感器 2. 鉴幅型 如果给滑尺的正、余弦绕组以同频、 同相但不等幅的电
压激磁时， 则可根据感应电势的幅值来鉴别位移量，称为鉴 幅型。 正、余弦同时激磁时的总感应电势为
360 Q 2n
（5-2）
第5章 频率式和数字式传感器
图5-3 码盘式转角（a） 接触式8421码盘； （b） 接触式格雷码盘；（c) 光电式角编码器
第5章 频率式和数字式传感器 2. 光电式码盘
光电式码盘亦称脉冲式角度—数字编码器， 其结构示意图 如图5-3（c）所示。 在一个圆盘上按码道开有相等角距的缝 隙， 在码道上分为透明区和不透明区 ， 分别代表“1”和 “0”， 相当于接触式码盘的导电区和不导电区。 在开缝圆盘 两边分别安装光源及光敏元件， 相当于接触式码盘的电源和 电刷。 其测量方法与接触式码盘相似。
数字式传感器及应用
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电磁编码器的基本结构
电磁式编码器 由于精度高， 寿命长，工作 可靠，对环境 条件要求较低， 但成本较高。
1—磁鼓 2—气隙 3—磁敏传感部件 4—磁敏电阻
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10.2.4 脉冲盘式数字传感器
• 脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有3个码道，它不能直接产生编码输出，故它不具有 绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。
• 感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。它的基本结构由两个平面矩形线圈组成， 它们相当于变压器的初、次级绕组，通过这两个绕组间的互感值随位置变化来检测位移量。
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1.载流线圈所产生的磁场
矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图
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辨 向 电 路
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3.细分技术
• 为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。另 一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫 尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由于细 分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫做倍频。
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脉冲盘式编码器示意图
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2.旋转方向的判别
• 码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。
位移传感器
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有 多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b） 所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一 个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时， 次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之 间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位 置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1> e2 ， ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往 复变化，其输出电压ey，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。
2. 数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同
特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输 出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲
就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数 字式传感器的工作原理。 1）光栅位移传感器
光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它 的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般 为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相 差很多，其结构如图3-8所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光 栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角 度 ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
位移传感器
A
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机械位移传感器分类
A
3
电位器式位移传感器
电位器式位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成 与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
A
4
电位器转轴上的电刷将电
阻体电阻R0分为R12和R23 两部分，输出电压为U12。
改变电刷的接触位置，电
阻R12亦随之改变，输出电 压U12也随之变化。
器线圈。
A
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电涡流涂层厚度仪
电涡流表面探伤
A
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数字位移传感器
数字式位置传感器主要测量轴的旋转角度位置、速度变 化和直线位移等。现在主要介绍以下几种数字式位移传感 器。
➢ 旋转编码器 ➢ 光栅位移传感器 ➢ 磁栅位移传感器 ➢ 容栅位移传感器
A
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旋转编码器
旋转编码器也称为脉冲编码器，是一种位置检测元件，用 以测量轴的旋转角度位置和速度变化，其输出为电脉冲。
空气介质变极距式 电容传感器工作原 理图。1个电极板 固定不动，称为固 定极板，极板的面
积为Ａ，另一极板
可左右移动，引起 极板间距离d相应 变化。
A
10
变极距式电容传感器的初始电容C0:
C0=ε0A / d0
只要测出电容变化量⊿C，便可计算得到极板间距的变化 量，即极板的位移量⊿d。
除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电 容传感器测角位移。
限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70℃。 与线绕电位
器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使
用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，
阻值范围窄，一般在10～100 Ω。 由于这些缺点， 限制了它的使用范
传感器应用技术智慧树知到课后章节答案2023年下淄博职业学院
传感器应用技术智慧树知到课后章节答案2023年下淄博职业学院淄博职业学院项目一测试1.属于传感器静态特性指标的是（）A:临界频率 B:灵敏度 C:阻尼比 D:固有频率答案:灵敏度2.在传感器及检测系统的静态特性指标中，表达其对输入量变化的反应能力的是（）A:重复性 B:量程 C:灵敏度 D:线性度答案:灵敏度3.传感器中直接感受被测量的部分是（）A:转换元件 B:敏感元件 C:转换电路 D:调理电路答案:敏感元件4.下列指标中，属于传感器动态特性指标的是（）A:过载能力 B:线性度 C:幅频特性 D:灵敏度答案:幅频特性5.传感技术的研究内容主要包括：（）A:信息处理 B:信息获取 C:信息传输 D:信息转换答案:信息获取;信息传输;信息转换项目二测试1.欲测量应力选择的传感器是（）A:光栅式 B:应变式 C:压阻式 D:霍尔式答案:应变式2.当应变片的主轴线方向与试件轴线方向一致，且试件轴线上受一维应力作用时，应变片灵敏系数K的定义是（）。
A:应变片电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比 B:应变片电阻与试件主应力方向的应变之比 C:应变片电阻相对变化与试件作用力之比 D:应变片电阻相对变化与试件主应力之比答案:应变片电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比3.由（）、应变片以及一些附件(补偿元件、保护罩等)组成的装置称为应变式传感器。
A:敏感元件 B:信号采集电路 C:调理电路 D:弹性元件答案:弹性元件4.在金属于箔式应变片差动单桥测力实验中不需要的实验设备是（）。
A:低通滤波器 B:差动放大器 C:电压表 D:直流稳压电源答案:低通滤波器5.下列那一个不属于电位器式传感器的特点（）A:分辨力高B:受环境因素影响小 C:结构简单尺寸小 D:输出信号大答案:分辨力高项目三测试1.在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（）是线性的关系。
A:变极距型 B:变面积型 C:变介电常数型 D:其余选项都不对答案:变面积型2.为了减小电容式传感器的测量非线性误差，我们应该将两个相同的电容式传感器，联接成（）形式。
1-4 位移传感器解析
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4.1.1 光栅传感器
放大
圆光栅还有一个 参数叫栅距角 γ 或称 w 放大 a b 节距角 , 它是指圆光 栅上相邻两条栅线 的夹角。
a w
b
(a ) 长光栅
(b ) 圆光栅
4.1.1 光栅传感器
2. 莫尔条纹原理
莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮 光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅 （通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多微小的 窗口排列而成。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
微窗单元为一长方形, 中间有一透光孔, 透光 孔内光强透过率为一常数C, 孔以外区域光强透过 率为零或接近于零, 透光孔的内边缘沿y 方向的跨 度Δ y是一个变量，可表示为 h y 1 sin 2 x W 2
5
4.1.1 光栅传感器
1.光栅位移传感器的结构 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透 光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅， 或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和 漫反射的条纹，称为反射光栅。
利用光栅的一些特点可进行线位移和角位 移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长 度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的 光栅为圆形，称之为圆光栅。
如果滑尺相对于 定尺自某初始位置算 起的位移量为x。则x机 械位移引起的电角度 变化θ＝2πx/W。
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4. 感应同步器信号处理方式
当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uos= K us cos K— 电磁感应系数 —定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uoc = K uc cos（ + π /2） =－K ucsin
数字式传感器与模拟式传感器的区别
数字式传感器与模拟式传感器的区别数字式传感器的性能区别于模拟式汽车衡，主要有以下几点：(1)解决模拟式传感器信号弱的问题模拟式传感器的输出信号最大一般在几十毫伏，最低时只有百万分之几毫伏。
在电缆传输这些弱信号过程中，很容易受到干扰，从而造成系统工作不稳定或计量性能降低。
而数字式传感器的输出信号均在3～4V左右，其抗干扰能力远大于模拟信号的百万倍。
(2)解决射频干扰问题模拟式称重传感器的低电压信号极易受到电子干扰及其它天线电信号的干扰，而数字式称重传感器在设计时已考虑到这些抗干扰能力，它们可以在高干扰区域，并保证计量性能。
(3)解决防潮、防腐问题数字式传感器采用100%不锈钢焊接壳体。
密封、防水、防潮湿、防腐蚀，适用于各种恶劣工作环境，计量性能不受任何影响，防护等级达到IP68。
(4)解决防雷击问题数字式传感器具有防雷击和大电流放电能力，在室外安装使用时，这一点尤其重要。
METTLER-TOLEDO数字式汽车衡系统通过美国权威机构Lightning Technologies，INC的雷击测试。
(5)解决偏载/温度影响问题数字式称重传感器能自动补偿和调整因偏载和温度变化而产生影响。
(6)解决时间效应—蠕变问题当负荷时间加在-称重传感器上时，其输出常有较大变化，数字式称重传感器通过内部微处理器里的软件，自动补偿了蠕变。
(7)数字式汽车衡称重精度、稳定性和可靠性更高，减少模拟式汽车衡经常引起的误差由于经校正后的称重数据是以数字形式存储在每个传感器内部的，因此就减少了模拟信号引起的积累误差。
这些误差通常都是由于模拟信号在传输过程中由接头、接线排(端子)、电位器、开关及长电缆等因素造成的。
数字式称重传感器的补偿/修正参数存储在传感器内部的永久性存储器中，因此，省掉了开关/电位器等元器件。
(8)具有自诊断功能数字式传感器具有自诊断功能。
它不断对内部工作状况进行检测，当检测到出现故障时，会发出错误代码，这就大大降低了漏检故障的可能性，这也是模拟式称重传感器无法做到的。
数字式传感器
莫尔条纹
图 10-17 光栅的莫尔条纹 （a） 光栅 （b） 莫尔条纹 1-主光栅 2-指示光栅
当夹角θ很小时，B >> W，即莫尔条纹具有放大作 用，读出莫尔条纹的数目比读刻线数便利的多。 根据光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系， 通过测量莫尔条纹移过的距离，就可以测出小于 光栅栅距的微位移量。 由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的， 光电元件接收的光信号是进人指示光栅视场的线 纹数的综合平均结果。若某个光栅有局部误差或 短周期误差，由于平均效应，其影响将大大减弱。 并削弱长周期误差。 此外，由于θ角可以调节，从而可以根据需要来调 节条纹宽度，这给实际应用带来了方便。
目前构成频率式传感器最简单的方法有两种： 一种是利用电子振荡器的原理，只要使振 荡电路中某个部分由于被测量的变化而改 变，就可改变振荡器的振荡频率。典型例 子如改变LRC振荡电路中的电容，电感或 电阻；另一种方法是利用机械振动系统， 通过其固有振动频率的变化来反映被测参 数的值。
振弦式频率传感器
ec KU m sin t cos
当正弦绕组单独激磁时，感应电势为
es KU m cos t sin
正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理， 总感应电势为
e ec es KU m sin t cos KU m cos t sin
K U m cos t K U m cos t 2x / W2
振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度ρ和内应力σ，可用下式表示：
1 f0 / 2l
图10-24激振方式原理框图 （a）连续激励方式 （b）间断激励方式
图10-25振弦式力传感器 1、5—振弦；2—支座；3、11—激励； 4—柱体；10、9—拾振器；7—弹性模片 8、10—放大\震荡电路；12—混频器； 13 —滤波整形电路
传感器应用技术智慧树知到期末考试章节课后题库2024年淄博职业学院
传感器应用技术智慧树知到期末考试答案章节题库2024年淄博职业学院1.MQN型气敏电阻可测量（）的浓度，TiO2型气敏电阻的浓度。
答案:锅炉烟道中剩余的氧气###气体打火机间的有害气体2.电感式传感器可以对（）等物理量进行测量。
答案:位移###振动###压力###流量3.传感技术的作用主要体现在：（）。
答案:传感技术在系统安全经济运行监测中得到了广泛应用###传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步###传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分###传感技术是产品检验和质量控制的重要手段4.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的压电效应；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的逆压电效应。
答案:对5.有一温度计，它的测量范围为0～200℃，准确度为0.5级，当示值为20℃时的示值相对误差为5％，100℃时的示值相对误差为1℃。
答案:对6.欲探测埋藏在地下的金银财宝，应选择直径为500mm左右的电涡流探头。
欲测量油管表面和细小裂纹，应选择直径为5mm左右的探头。
答案:对7.光敏二极管属于内光电效应，光电池属于光生伏特效应。
答案:对8.对处于钢板深部的缺陷宜采用超声波探伤；对处于钢板表面的缺陷宜采用电涡流探伤。
答案:对9.用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为10mV/pC，试确定输入3g（平均值）加速度时，电荷放大器的输出电压（平均值，不考虑正负号）；答：2100mV。
并计算此时该电荷放大器的反馈电容Cf 。
答：100pF 答案:对10.大面积钢板探伤时，耦合剂应选自来水为宜；机床床身探伤时，耦合剂应选机油为宜；给人体做B超时，耦合剂应选液体石蜡。
答案:对11.公式EH=KHIBcosq 中的角q 是指答案:磁力线与霍尔薄片的垂线之间的夹角12.答案:（a）和 (d)13.为了得到尽可能大的电荷输出，我们应该将多个压电晶片（）使用。
数字式传感器
易于集成与智能化
数字式传感器通常具有较小的体积和 重量，易于集成到各种设备和系统中， 方便安装和使用。
数字式传感器支持多种编程接口和协 议，能够与微控制器、PLC等控制器 进行配合，实现智能化控制和数据处 理。
03
数字式传感器的应用场景
工业自动化
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生产监控
数字式传感器可以实时监测生产过程中的各种参数，如温度 、压力、流量、振动等，确保生产过程的稳定性和安全性。
智能照明
数字式传感器可以监测环境的光线强 度和色温，实现智能照明控制和节能 减排。
物联网应用
智能城市
数字式传感器可以应用于智能交 通、智能安防、智能环保等领域， 提高城市的管理效率和公共服务
水平。
智能农业
数字式传感器可以监测土壤的湿 度、养分等参数，实现精准农业
和水肥一体化管理。
智能物流
数字式传感器可以监测物品的位 置、温度和湿度等参数，实现物
工作原理
感应
传感器通过敏感元件感应被测量，如压力、温 度、湿度等。
转换
敏感元件将感应的物理量转换为模拟信号。
数字化
模拟信号经过模数转换器（ADC）转换为数字信 号。
分类与应用
分类
根据被测量类型，数字式传感器可分 为温度传感器、压力传感器、湿度传 感器、位移传感器等。
应用
数字式传感器广泛应用于工业自动化、 环境监测、智能家居、医疗设备等领 域。
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数字式传感器
目 录
• 数字式传感器概述 • 数字式传感器的优势 • 数字式传感器的应用场景 • 数字式传感器的技术发展 • 数字式传感器的挑战与未来展望
01
数字式传感器概述
数字式位置传感器ISA3的使用说明书
文件No.PS※※-OMT0001CN-C数字式位置传感器ISA3-※※A/B-※·开关2输出型OUT1：距离检测OUT2：压力检测 or 距离检测二选一使用前 安全注意事项 2关于产品 产品特征 7型式表示·型号体系 8 产品各部分名称及功能 14规格15规格表(ISA3) (15)规格表(减压阀) (17)规格表(2通电磁阀) (17)特性图 (18)外形尺寸图 (21)设置方法 安装.设置28配管方法 (28)设置方法 (31)配线方法 (36)构成图 (41)使用方法 设定方法概要 44测量模式 (45)临界值的设定 47 OUT1：临界值、OUT2：压力设定值变更模式 (47)OUT1出厂时的设定状态 (47)OUT2出厂时的设定状态 (48)设定前的准备 (49)设定方法 (49)功能设定 50功能选择模式 (50)出厂时的设定状态 (50)键盘锁定(设定密码) 64故障时 维护 65忘记密码的情况 66故障一览表67报警显示 (68)供给压力和显示的关系 (69)安全注意事项此处所示的注意事项是为了确保您能安全正确地使用本产品，预先防止对您和他人造成危害和伤害而制定的。
这些注意事项，按照危害和伤害的大小及紧急程度分为“注意”“警告”“危险”三个等级。
无论哪个等级都是与安全相关的重要内容，所以除了遵守国际规格(ISO/IEC)、日本工业规格(JIS)※1)以及其他安全法规※2)外，这些内容也请务必遵守｡*1) ISO 4414: Pneumatic fluid power -- General rules relating to systemsISO 4413: Hydraulic fluid power -- General rules relating to systemsIEC 60204-1: Safety of machinery -- Electrical equipment of machines (Part 1: General requirements) ISO 10218: Manipulating industrial robots-SafetyJIS B 8370: 空气压系统通则JIS B 8361: 油压系统通则JIS B 9960-1: 机械类的安全性-机械的电气装置（第1部：一般要求事項)JIS B 8433: 产业用操作机器人-安全性等*2) 劳动安全卫生法 等注意 误操作时，有人员受伤的风险，以及物品损坏的风险｡警告 误操作时，有人员受到重大伤害甚至死亡的风险。
工业机器人技术题库1
工业机器人技术.题库11、工业机器人一般有四个坐标系，下列不属于机器人坐标系的是（）A、基坐标系Afm案）B、关节坐标系C、工具坐标系D、外部坐标系2、使用焊枪示教前,检查焊枪的均压装置是否良好,动作是否正常,同时对电极头的要求是（）。
A、更换新的电极头B、使用磨耗量大的电极头C、新的或旧的都行D、电极头无影响3、我国最早的机器人是在什么时候？（）A、唐朝B、清朝后期C、解放后D、西周时期:确笞案）4、下面哪种传感器不属于触觉传感器（）A、接近觉传感器B、接触觉传感器C、压觉传感器D、热敏电阻5、A1、A2和A3三轴（轴1、轴2和轴3）称为（）,用以保证末端执行器达到工作空间的任意位置。
A、腕部轴B、次轴C^主轴6、机器人中主轴的作用（）A、用以保证末端执行器达到工作空间的任意位置B、用以实现末端执行器的任意空间姿态C、用以保证末端执行器达到的任意位置D、用以实现末端执行器的任意空间变化7、机器人能力的评价标准不包括：（）A、智能B、机能C、动能D、物理能8、传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个关节和动作部位，实现机器人平稳运动。
常见的传动机构有：齿轮传动、丝杠传动机构、皮带传动和链传动机构、流体传动（分为液压和气压传动）、连杆传动。
（）主要用于改变力的大小、方向和速度。
A、皮带传动和链传动机构B、电动C、齿轮传动｛D、杆传动9、对机器人进行示教时,模式旋钮打到示教模式后,在此模式中，外部设备发出的启动信号（）.A、无效B、有效C、延时后有效10、以下不属于RV减速器特点的是（）A、高的刚度和疲劳强度B、高寿命C、回差精度稳定D、随着使用时间的增长运动精度会显著降低Ik由数控机床和其它自动化工艺设备组成的（），可以按照任意顺序加工一组不同工序与不同节拍的工件，并能适时地自由调度和管理。
A、刚性制造系统B、柔性制造系统（H）C、弹性制造系统D、挠性制造系统12、依据压力差不同，可将气吸附分为（）。
位移传感器
位移传感器一、简介位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。
在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。
按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。
模拟式又可分为物性型和结构型两种。
常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。
这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
二、工作原理电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。
但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。
电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。
物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。
阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。
通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。
线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。
如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。
因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。
电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。
它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
位置传感器工作原理
位置传感器工作原理
位置传感器是一种用于测量物体位置的装置，它可以将物体的位置转换成电信号或数字信号，以便于计算机或控制系统进行处理。
位置传感器的工作原理主要包括接收信号、转换信号和输出信号三个步骤。
首先，位置传感器通过不同的方式接收物体的位置信息。
常见的位置传感器包括光电传感器、电容传感器、磁性传感器等。
光电传感器利用光电效应来检测物体的位置，当物体遮挡了光源和光电二极管之间的光线时，光电二极管的电阻值发生变化，从而产生电信号。
电容传感器则是通过测量物体与电容传感器之间的电容变化来获取位置信息。
而磁性传感器则是利用物体产生的磁场对传感器产生影响，从而检测物体的位置。
其次，位置传感器将接收到的位置信息转换成电信号或数字信号。
这一过程通常涉及到信号的放大、滤波和数字化处理。
信号放大可以增强传感器接收到的信号强度，使其更容易被处理和识别。
信号滤波则可以去除噪声干扰，提高信号的准确性和稳定性。
数字化处理则是将模拟信号转换成数字信号，以便于计算机或控制系统进行处理和分析。
最后，位置传感器将转换后的信号输出给计算机或控制系统。
这些信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，根据不同的应用场景和需求来选择。
计算机或控制系统会根据接收到的信号来判断物体的位置，并进行相应的控制或处理。
总的来说，位置传感器的工作原理是通过接收、转换和输出信号来实现对物体位置的测量和控制。
不同类型的位置传感器有着不同的工作原理和特点，但其核心的工作原理都是类似的。
位置传感器在工业自动化、机器人控制、汽车导航等领域有着广泛的应用，为现代化生产和生活提供了便利和支持。
第八章 数字式位移传感器(光栅)
8.1.1 光栅传感器的类型与结构
1．光栅传感器的分类
（a）直射光栅
（b）反射光栅
1—光源 2—透镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件 6—聚光镜 图8-1 光栅传感器的基本结构
第八章 数字式位移传感器
8.1 光栅传感器
8.1.1 光栅传感器的类型与结构
1．光栅传感器的分类 ② 按光栅的形状和用途不同，可分为长光栅和圆光栅。长光 栅用于测量长度，它分为黑白光栅和闪耀光栅两种；圆光栅用 于测量角度，它又进一步分为径向光栅和切向光栅，径向光栅 是通过沿圆形基体周边在直径方向刻栅线形成，而切向光栅沿 周边刻划的全部栅线均与光栅中央一个半径为r的圆相切。
程及其自动化、机电一体化等专业人士的重视。本
章主要讲述光栅传感器、旋转编码器、感应同步器
等内容。
第八章 数字式位移传感器
8.1 光栅传感器
8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 光栅传感器的类型与结构 光栅传感器工作原理 莫尔条纹细分技术 光栅传感器的应用
8.2 旋转编码器
8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 旋转编码器的种类 光电式编码器的结构与工作原理 码盘误差及其处理 旋转编码器的应用
8.1 光栅传感器
8.1.2 莫尔条纹细分技术
提高光栅传感器分辨率的两种基本方法： 1）在光栅片面积不变的前提下，增加刻线密度，减小栅距。 但是该方法受光栅刻线工艺的限制，就目前工艺水平看，栅 线密度7千条/mm基本可实现，但要上万条就困难了。 2） 采用细分技术，被测物移动一个栅距，均匀输出 n 个脉 冲，则分辨率可以提高到W/n 。 这种在一个莫尔条纹周期内有多个脉冲输出的方法，主要有 电子细分法、光学细分法和机械细分法等几种。由于细分后， 计数脉冲的频率提高了，所以也称为倍频
自动检测技术及应用第十一章
···
n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min
M/T法测速（高速、低速场合均可使用）
M/T法与M法稍有不同： 闸门时间发生器受角编码器输出脉冲上升沿 的触发，在经历设定的时间后，闸门高电平信号 随被测脉冲上升沿而同步结束。
低位 高位
绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位）
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道 数n 有关，即最小能分辨的角度为：
α=360°/2n
分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及 分辨率为：
其他角编码器外形（续）
2015/12/6 Sunday
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其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
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2．绝对式光电编码器
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
绝对式光电码盘与增量式码盘的区别
T法测速（适合于低转速场合）
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知 频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
T法测速举例
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测 得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为 1MHz ，则转速（r/min)为 ：
数字式传感器PPT课件
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数字转换原理
1．辨向原理
光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就成电信 号输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动， 莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号， 则只能用于计数，无法辨别光栅的移动方向。 为了能辨向，尚需提供另一路莫 尔条纹信号，并使两信号的相位 差为π/2。通常采用在相隔1／4 条纹间距的位置上安放两个光电 元件来实现，
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旋转式光电编码器
• 接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是 利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高， 可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动 控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人 都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转＞ 10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。
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数字测量系统
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鉴相法测量系统
• 图10－9为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字 量。鉴相法测量系统通常由位移－相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。
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• 位移－相位转换的功能是通过感应同步器将 位移量转换为电的相位移。
号。
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．增量编码器
• 增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对 码盘码道的意义。
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• 与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光 电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。
常用数字式运动和位置检测传感器
1.3 磁栅传感器
磁栅传感器是一种数字式传感器，它由磁栅尺、磁头和检测电路组成。 磁栅尺是由在不导磁材料制成的栅基上镀一层均匀的磁性涂层，并记 录上间距相等、极性正负交错的磁信号栅条制成的。如图2-23所示为 磁栅结构原理图，图中极性为N-N和S-S的栅条就是磁栅。当磁头从磁 栅上移动时，磁头上的线圈由于切割磁力线而产生脉冲电动势，通过 脉冲的次数可以检测出位移量，而脉冲的频率又反映了运行速度。
光栅传感器由光路系统、标尺光栅、指示光栅和光电接收器构成。 光栅的原理如图2-20所示，光栅是在一块长条形的光学玻璃上刻制 一系列密集平行等间距的栅线。标尺光栅相对于指示光栅移动时， 光源通过标尺光栅和指示光栅后便形成大致按正弦规律分布的明暗 相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照 射到光电接收器上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、 整形、辨向和计数系统产生数字信号输出。
图2-22 编码器的码盘
1.2 光电编码器
1.绝对式编码器
绝对式编码器是一种能直接测量角位移的传感器，图2-22 （a）为4位绝对式二进制编码器的码盘。在码盘的圆周方 向上有4条由透光和不透光部分组成的码道，而在径向上 将码盘分成了16个扇区，在码盘的一侧有4个光敏元件， 每个光敏元件对应一条码道。当光电编码器处于某一位置 时，该扇区上的不透明部分对应的光敏元件输出1（设不 透明部分为1）Байду номын сангаас而透明部分对应的光敏元件输出0。则这 4位二进制数字就表示了该扇区的位置。可以看出各个扇 区分别代表了0000，0001，…，1110，1111这16个角度。
1.1 光栅传感器
图2-20 光栅原理
1.1 光栅传感器
基于莫尔条纹的光栅利用两个光栅倾斜一个微小角度θ来放大栅距。如图2-21所 示，当两个栅距相同的光栅相对倾斜一个小角度时，就形成了莫尔条纹。设光栅 的栅距为W，相邻两莫尔条纹的间距为B
自动检测技术及应用 第2版第8章
4位BCD码盘
4位格雷码码盘
可根据电刷的位臵得到由：“1”、“0”组成的4 位二进制码。能从图 b)c)可看出电刷位臵与输出编 码的对应关系。 码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。 由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n(4)圈码道， 且圆周均分2n (16)个数据来分别表示其不同位臵，所能分 辨的角度α为
光栅或模板放在可动单元与探测器之间,并具
有与编码单元相同的节距
当所有光栅和可动编码
单元完全调准时，探测
器接收的入射光达到最 大值。随着编码单元离
开位置，接收的光将减
少，直到达最小值。 利用固定光栅来限制光电探测器的视野，因而提高了它的分辨率
为了确定运动方向 a）在一个旋转方向上，信号A超前于信号B；而在相 反方向上，则信号B超前于信号A。 于是，相位检波器便能指示出旋转方向是顺时针还是 反时针如b）。
设测速脉冲数为m1，则被测转速为：
n
60 fm1 Pm
§2
光栅传感器
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出 数字式传感器；由光栅、光路和光电元件以及转换电路 等组成。
一 、光栅的结构与类型
设其中透光的缝宽为，不透光 的缝宽为，一般情况下，光栅 的透光缝宽等于不透光的缝宽， 即a=b。图中W=a+b称为光 栅栅距（也称光栅节距或称光 栅常数）。
对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角γ （也称节距角），栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。
二、基本工作原理
若两光栅栅线之间有很小的夹角，则在近似垂直于 栅线方向上就显现出比栅距宽得多的明暗相间的条 纹6，这就是莫尔条纹，其信号光强分布如曲线7所 示，中间为亮带，上下为两条暗带。 当标尺光栅沿垂直于栅线的方向每移过一个栅距时，莫尔条 纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电元件5接收莫尔条 纹信号，经电路处理后用计数器可得标尺光栅移过的距离。
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第十一章：第二节 数字式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
其他角编码器外形
其他角编码器外形（续）
拉线式 角编码器利用线 轮，能将直线运 动转换成旋转运 动。
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
一、绝对式编码器
10 码道光电绝对式码盘
绝对式编码器按 照角度直接进行编码 ，可直接把被测转角 用数字代码表示出来 。根据内部结构和检 测方式有接触式、光 电式等形式。 透光区 不透光区 绝对式码盘 与增量式码盘有何区别 ？ 零位标志
编码器输出脉冲 m2 时钟脉冲 fc
···
= 60*1000000/ （ 1024*3000 ） =19.53 r/min
n = 60fc / （ Nm2 ）
编码器的安装方式
1. 编码器 的套式安装
安装套
2. 编码器的轴式安装
安装轴
编码器在定位加工中的应用 1— 绝对式编码器 2— 电动机 3— 转轴 4— 转盘 5 — 工件 6— 刀 具
工作台
丝杠
进给电机
x
θ
传动机构
齿距
齿轮
齿条
滚珠丝杠螺母 副、齿轮 - 齿条副 等传动机构能够将 旋转运动转换成直 线运动。但应设法 消除传导过程产生 的间隙误差。
x
θ
滚珠丝杠螺母副
丝杠 螺母
滚珠丝杠螺母 副能够将减小传动 磨檫力，延长使用 寿命，减小间隙误 差。
θ
x
传动分析
设：螺距 t=4mm ，丝杠在 4s 时间里转动了 1 0 圈，求：丝杠的平均转速 n(r/min) 及螺母移动 了多少毫米？螺母的平均速度 v 又为多少？ 螺距
N=10 圈
螺母 丝杠
x= ？
二、增量式和 绝对式测量
在增量式测量中，移动部件每移 动一个基本长度单位，位置传感器便 发出一个测量信号，此信号通常是脉 冲形式。这样，一个脉冲所代表的基 本长度单位就是分辨力，对脉冲计数 ，便可得到位移量。
增量式测量得到的脉冲波形
绝对式测量的特点是： 每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式 来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前 位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
盘码及 狭缝
零位标志
光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板 上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（ m +1/4 ）倍， m 为正整数，并设置了两组光敏元件 A 、 B ，有时又称为 sin 、 cos 元件。
光电编码器的光栏 板上有 A 组与 B 组两组狭缝， 彼此错开 1/4 节距，两组狭缝 相对应的光敏元件所产生的信 号A、 B 彼 此 相 差 90 相 位 ，用于辩向。当编码正转时， A 信号超前 B 信号 90 ；当码 盘反转时， B 信号超前 A 信号 9 0 。 ( 请画出反转时信号 B 的波形 ） 在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝 C ， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
第十一章
数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置传感器的结构 、原理，如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅 传感器等，并讨论他们在直线位移和角位移中测量、控 制的应用。
第一节
一、直接测量和间接测量
位置测量的方式
位置传感器有直线式和旋转式两大类。若 位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直 线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移 ，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位 移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量 的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间 值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移 ，则该测量方式为间接测量。
辨向信号和零标志
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移 或间接测量直线位移外，可用于数字 测速、工位编码、伺服电机控制等。
M 法测速（适合于高转速场合）
m1
T
编码器每转产生 N 个脉冲，在 T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（ r /min) 为 ： n = 60m1/ （ NT ）
例题
m1
T
有一增量式光电编码器，其参数为 102 4p/r ， 在 5s 时间内测得 65536 个脉冲，则转速（ r/min) 为 ：
n = 60 × 65536 / （ 1024 × 5 ） r/min
= 768 r/min
T 法测速（适合于低转速场合） 编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲 fc
···
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨 的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数 n 有关， 即最小能分辨的角度及分辨率为：
360 a= n
°
(11-3)
(11-4 )
1 分辨率 = n
二、增量式编码器
转轴
LED
光栏板及辨向用的 A 、 B 狭缝
A A C B C B 光敏元件
编码器每转产生 N 个脉冲，用 已知频率 fc 作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为 m2 ，则转速 (r/m in) 为 n = 60fc / （ Nm2 ）
T 法测速举例
有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r ，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为 3000 ，时钟 频率 fc 为 1MHz ，则转速（ r/min) 为 ：
绝对式接触式编码器演示
4 个电刷
4 位二进制 码盘
+5V 输入
公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
2 ．绝对式光电编码器
低位 高位
a ）光电码盘的平面结构（ 8 码道） 源、光敏元件的对应关系（ 4 码道）
b ）光电码盘与光
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨 的最小角度，而这与码盘上的码道数 n 有关，即最小能 分辨的角度及分辨率为： α=360°/2n 分辨率 =1/2n
1. 直接量
工作台
直接 测量的误差 较小。 图为 利用光栅传 感器测量数 控机床工作 台位移量的 现场照片。 工作台运动方向
光栅
2. 间接测量
编码器 在间 接测量中，多使用 旋转式位置传感器 。测量到的回转运 动参数仅仅是中间 值，但可由这中间 值再推算出与之关 联的移动部件的直 线位移间接测量须 使用丝杠 - 螺母、 齿轮 - 齿条等传动 机构。