传感器与检测技术-数字量传感器及应用
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v⑷对应关系 两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动 时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断 掠过光敏元件。
v⑸莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数
图8-7 光栅位移与光强关系
8.1.3. 光栅式传感器的测 量电路
v1.光电转换 v光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指
示光栅、光路系统和光电元件等组成，如图8-8 所示。
图8-6 光栅与莫尔条纹示意图（θ≠0）
2.莫尔条纹的特点
v⑴放大作用 由式8-1可知，θ越小，B越大，这 相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°， 则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的 573倍，相当于把栅距放大了573倍，说明光栅 具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。
v
（8-5）
v 当反向运动时，定尺输出的总感应电动势为
v
（8-6）
⑵鉴幅型
8.3.2 旋转式感应同步 器（圆感应同步器）
图8-21 旋转式感应同步器定子和转子
8.3.3 感应同步器位移 测量系统
8.4 频率式数字传感器
v频率式传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于 传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技 术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一 。
2.旋转方向的判别
图8-16 辨向原理
8.3 感应同步器
v感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种 高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其 用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位移 感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。 直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣 床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应 同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等， 也用于雷达天线定位跟踪。
第8章 数字量传感器及应用
v知识目标 v通过本课题的学习，要求熟悉常用的数字式传感
器基本结构，了解数字式传感器的基本工作原理， 了解对数字信号处理的方法。 v技能目标 v通过本课题的学习，要求掌握数字式传感器的特 性，正确操作和维护数字式传感器。
8.1 栅式数字传感器
v光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊 应用。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测 量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点， 在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加 速度、振动测量等方面得到了广泛应用。
v ⑴鉴相型 —根据感应电动势的相位来鉴别位移量
v 当正弦绕组单独励磁时，设励磁电压
v 定尺绕组中的感应电动势
（8-3）
v 当余弦绕组单独励磁时，励磁电压
v 定尺绕组中的感应电动势为：
（8-4）
v 式中 k —电磁耦合系数；θ—机械位移相位角（机械角），
单位为rad。
v 当正向运动时，定尺输出的总感应电动势为
v计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类， 均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。它 利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件， 具有结构原理简单、测量精度高等优点。
v编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲 盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有 关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器 也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为 数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。 码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和 电磁式三种，
v 频率式传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一 列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过 电子电路累计这些关的脉冲周期的方法来测得被测量。频率式传 感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列 脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技 术发展的方向之一 。
v⑵平均效应 莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成， 所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫 尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划 精度还要高。
v⑶运动方向 当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对 运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者 运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反 向移动。在图8-6中，当指示光栅向右移动时， 莫尔条纹则向上移动。
8.2.3 电磁式编码器
图8-14 磁编码器的基本结构
8.2.4 脉冲盘式数字传感 器
v脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器 一般只有三个码道，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。
v1.增量编码器的结构和工作原理
图8-15 脉冲盘式编码器示意图
图8-23振弦张力传感器
8.4.2.RC振荡器式频 率传感器
图8-24 RC振荡式频率传感器
8.4.3 压控振荡器式频 率传感器
图8-25 热电偶压控振荡器
8.4.4 频率式传感器的 基本测量电路
图8-26 频率式传感器的基本测量电路
本章小结
v常用的数字式传感器有四大类：栅式数字传感器、 编码器式数字传感器、频率/数字输出式数字传 感器和感应同步器式数字传感器。
v 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。按其用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位 移感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。直线 式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床 的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床 或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。
休息一下
v8.2.1 接触式码盘编码器
1.结构与工作原理
图8-12 接触式四位二进制码盘
2.消除非单值误差的办法
v⑴采用循环码(格雷码) v循环码盘结构如图8-12(b)所示。采用循环码制
可以消除非单值误差。 v⑵扫描法 v扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。
8.2.2光电式编码器
图8-13 光电编码器示意图
v8.1.1光栅的类型和结构
图8-2 光栅刻线
1.长光栅 v按栅线形状的不同，长光栅可分为黑白光栅和闪
耀光栅。
图8-3 黑白光栅
图8-4 闪耀光栅刻线断面
2.圆光栅
图8-5 圆光栅
8.1.2 光栅的工作原理
v1. 莫尔条纹 v计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。主光
栅的刻线一般比指示光栅长，如图8-6所示。若 将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并 且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，由于 遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而 在一块光栅的刻线与另一块栅的缝隙相交处形成 暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相 间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。
图8-8 光栅读数头结构示意图
图8-9 光电元件输出波形
2.辨向原理
3.细分技术
8.2 数字编码器
v编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲 盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有 关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器 也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为 数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。 码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和 电磁式三种，后两种为非接触式编码。
v频率式传感器基本上有三种类型： v(1) 利用力学系统固有频率的变化反映被测参数
的值。 v(2) 利用电子振荡器的原理,使被测量的变化转化
为振荡器的振荡频率的改变。 v(3) 将被测非电量先转换为电压量,然后再用此电
压去控制振荡器的振荡频率,称压控振荡器。
8.4.1 改变力学系统固 有频率的频率传感器
8.3.1 直线式感应同步器 的结构和工作原理
v1.载流线圈所产生的磁场
图8-17 载流线圈产生的磁场分布示意图 图8-18探测线圈内的感应电动势
2.直线式感应同步器的基本 结构
图8-19 绕组结构
3.线式感应同步器的工作原 理
图8-20 感应同步器工作原理图
4.直线感应同步器输出
信号的检测
v⑸莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数
图8-7 光栅位移与光强关系
8.1.3. 光栅式传感器的测 量电路
v1.光电转换 v光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指
示光栅、光路系统和光电元件等组成，如图8-8 所示。
图8-6 光栅与莫尔条纹示意图（θ≠0）
2.莫尔条纹的特点
v⑴放大作用 由式8-1可知，θ越小，B越大，这 相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°， 则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的 573倍，相当于把栅距放大了573倍，说明光栅 具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。
v
（8-5）
v 当反向运动时，定尺输出的总感应电动势为
v
（8-6）
⑵鉴幅型
8.3.2 旋转式感应同步 器（圆感应同步器）
图8-21 旋转式感应同步器定子和转子
8.3.3 感应同步器位移 测量系统
8.4 频率式数字传感器
v频率式传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于 传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技 术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一 。
2.旋转方向的判别
图8-16 辨向原理
8.3 感应同步器
v感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种 高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其 用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位移 感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。 直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣 床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应 同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等， 也用于雷达天线定位跟踪。
第8章 数字量传感器及应用
v知识目标 v通过本课题的学习，要求熟悉常用的数字式传感
器基本结构，了解数字式传感器的基本工作原理， 了解对数字信号处理的方法。 v技能目标 v通过本课题的学习，要求掌握数字式传感器的特 性，正确操作和维护数字式传感器。
8.1 栅式数字传感器
v光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊 应用。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测 量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点， 在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加 速度、振动测量等方面得到了广泛应用。
v ⑴鉴相型 —根据感应电动势的相位来鉴别位移量
v 当正弦绕组单独励磁时，设励磁电压
v 定尺绕组中的感应电动势
（8-3）
v 当余弦绕组单独励磁时，励磁电压
v 定尺绕组中的感应电动势为：
（8-4）
v 式中 k —电磁耦合系数；θ—机械位移相位角（机械角），
单位为rad。
v 当正向运动时，定尺输出的总感应电动势为
v计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类， 均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。它 利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件， 具有结构原理简单、测量精度高等优点。
v编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲 盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有 关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器 也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为 数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。 码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和 电磁式三种，
v 频率式传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一 列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过 电子电路累计这些关的脉冲周期的方法来测得被测量。频率式传 感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列 脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技 术发展的方向之一 。
v⑵平均效应 莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成， 所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫 尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划 精度还要高。
v⑶运动方向 当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对 运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者 运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反 向移动。在图8-6中，当指示光栅向右移动时， 莫尔条纹则向上移动。
8.2.3 电磁式编码器
图8-14 磁编码器的基本结构
8.2.4 脉冲盘式数字传感 器
v脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器 一般只有三个码道，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。
v1.增量编码器的结构和工作原理
图8-15 脉冲盘式编码器示意图
图8-23振弦张力传感器
8.4.2.RC振荡器式频 率传感器
图8-24 RC振荡式频率传感器
8.4.3 压控振荡器式频 率传感器
图8-25 热电偶压控振荡器
8.4.4 频率式传感器的 基本测量电路
图8-26 频率式传感器的基本测量电路
本章小结
v常用的数字式传感器有四大类：栅式数字传感器、 编码器式数字传感器、频率/数字输出式数字传 感器和感应同步器式数字传感器。
v 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。按其用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位 移感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。直线 式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床 的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床 或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。
休息一下
v8.2.1 接触式码盘编码器
1.结构与工作原理
图8-12 接触式四位二进制码盘
2.消除非单值误差的办法
v⑴采用循环码(格雷码) v循环码盘结构如图8-12(b)所示。采用循环码制
可以消除非单值误差。 v⑵扫描法 v扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。
8.2.2光电式编码器
图8-13 光电编码器示意图
v8.1.1光栅的类型和结构
图8-2 光栅刻线
1.长光栅 v按栅线形状的不同，长光栅可分为黑白光栅和闪
耀光栅。
图8-3 黑白光栅
图8-4 闪耀光栅刻线断面
2.圆光栅
图8-5 圆光栅
8.1.2 光栅的工作原理
v1. 莫尔条纹 v计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。主光
栅的刻线一般比指示光栅长，如图8-6所示。若 将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并 且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，由于 遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而 在一块光栅的刻线与另一块栅的缝隙相交处形成 暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相 间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。
图8-8 光栅读数头结构示意图
图8-9 光电元件输出波形
2.辨向原理
3.细分技术
8.2 数字编码器
v编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲 盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有 关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器 也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为 数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。 码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和 电磁式三种，后两种为非接触式编码。
v频率式传感器基本上有三种类型： v(1) 利用力学系统固有频率的变化反映被测参数
的值。 v(2) 利用电子振荡器的原理,使被测量的变化转化
为振荡器的振荡频率的改变。 v(3) 将被测非电量先转换为电压量,然后再用此电
压去控制振荡器的振荡频率,称压控振荡器。
8.4.1 改变力学系统固 有频率的频率传感器
8.3.1 直线式感应同步器 的结构和工作原理
v1.载流线圈所产生的磁场
图8-17 载流线圈产生的磁场分布示意图 图8-18探测线圈内的感应电动势
2.直线式感应同步器的基本 结构
图8-19 绕组结构
3.线式感应同步器的工作原 理
图8-20 感应同步器工作原理图
4.直线感应同步器输出
信号的检测