(整理)数字式传感器

数字式传感器随着科学技术的发展，目前在工业、农业、医学、宇航、商业等领域中已广泛使用各种数字显示的非电量检测装置。

在机械制造工业中应用得比较成熟的是光栅、磁栅、感应同步器等为传感元件的数字测量仪器。

这些数字式测量仪器具有检测精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用方便等忧点，这将在本章中予以叙述。

一、转角—数字式传感器1．光电脉冲盘式转角—数字转换器光电脉冲盘式转角—数字转换转是将转动物体的转角换成电脉冲的变换器。

它的结构形式如图1所示。

它由光源、转动圆盘、透镜、光敏元件及有关电路组成。

在转动圆盘边缘上开等角距的孔或采用光栅均可，视测量对象和要求而定。

开孔一般数量较少，精度较低。

对测量精度要求较高者，则采用光栅。

将圆盘安装在被测物体的转轴上，使其与被测物体一起转动。

光源发出的光经圆盘的孔或光栅透过，被光敏元件接收。

当圆盘转动时光源发出的光就经圆盘遮挡交替地照射到光敏元件上，经放大整形后，就有一个个脉冲输出。

转动角度越大，产生的脉冲个数越多。

经过计算脉冲个数，可测得转角的大小；经过电路的适当变换亦可测量转动物体的转速。

2．磁电式转角—数字转换器磁电式转角—数字转换器的结构如图2(a)所示。

此种结构形式多用于转速测量。

转子和定子均用工业纯铁做成，在它们的圆形端面上均匀地铣出等角距的槽子，使其成为齿状，如图2（b）所示。

在测量时，将转轴1与被测物转轴相连接，因而被测物就带动转子2转动。

当转子与定子的齿凸凸相对时，气隙最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁通最小。

这样定子不动而转子转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈6中感应出近似正弦波的电压信号。

该信号经整形后可变为脉冲输出。

输出脉冲的频率为Nnf60式中N为定子和转子端面的齿数，n为被测物体的转速。

当测得输出电脉冲频率f后，根据已知的N，可以求得转速n ，从而达到测量的目的。

3。

码盘式转角—数字转换器（1）接触式码盘如图3所示为一个四位接触式码盘。

涂黑部分为导电区，输出为“1”；空白部分不导电，输出为“0”。

所有导电部分连在一起，接高电位。

共有四圈码道，在每圈码道上都有且个电刷，电刷经电阻接地。

当码盘与被测物转轴一起转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定的数码，如表1所示。

图3 二进制码盘表1若采用n 位码盘，则能分辨的角度为n 23600=α位数n 越大，能分辨的角度越小，测量越精确。

二进制码盘很简单，但在实际应用中对码盘制作和电刷安装（或充电元件安装）要求十分严格，否则就会出现错误。

例如，当电刷由位置h(0111)向位置i(1000)过渡时，如电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8至15之间的任意一个十进制数，这种误差称为非单值性误差。

为了消除非单值性误差，可采用循环码盘，其结构如图4所示。

它的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，因此即使安装制作有误差，产生的误差最多也只是最低位的一位数。

图4四位循环码盘表2是十进制、二进制及四位循环码对照表表2由于循环码的各位没有固定的权，码盘的输出需要转换成二进制码。

用R表示循环码，用C表示进制码。

二进制码转换成循环码的法则是：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，所得的结果就是循环码。

由循环码变二进制码的关系式为或如上例，若循环码为1100，对应的二进制码为1000，演算过程如下：循环码盘输出的循环码是通过电路转换为二进制码的。

图5是用与非门构成的四位并行循环码—二进制码转换器。

它的优点是转换速成度快，缺点是用元件较多。

图6是串行转换器，它是由四个与非门组成的不进位加法器和一个JK触发器组成。

它的优点是结构简单，但转换速度较慢。

图5并行循环码—二进制码转换电路图6串行循环码—二进制码转换电路（2）光电式码盘码盘是用透明及不透明区按一定编码构成。

码盘上的码道条数就是数码的位数。

对应每一条码道有一个光电转换元件。

当码盘处于不同角度时，光电转换器的输出呈现出不同的数码，如图7所示。

（3）电磁式码盘它是在导磁体（软铁）圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，使导磁性有的地方高有的地方低。

再用一个很小的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流激励。

由于副边感应电势与整个磁路磁导有关，因而可以区分出码盘随被测物体所转动的角度。

二、光栅式传感器计量光栅广泛用于测量技术中，它可以测量直线位移和转角位移。

1。

光栅结构计量光栅是在透明的玻璃上均匀地刻线条，或是在不透明但具有强反射能力的基体上均匀地刻划间距、宽度相等的条纹。

使用的透明材料一般是主光栅用普通工业用白玻璃，而指示光栅最好用光学玻璃；非透明材料基体一般用不锈钢。

根据用途不同，光栅做成长光栅和圆光栅两种。

光栅根据刻划的形式不同分为黑白光栅（或叫幅值光栅）和相位光栅（或叫镜型光栅）。

按光栅的光线走向又可分为透射光栅和反射光栅两种。

（1）长光栅如图8（a）所示为透射长光栅结构示意图。

将黑白光栅线纹放大，如图8（b）所示。

Age表示线纹宽，b表示刻线的间距，W为光栅节距（栅距）或称光栅常数，W=a+b。

计量光栅条纹密度一般为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜和250条/㎜四种。

（a (b)图8 透射长光栅图9所示为反射式相位光栅的线纹结构。

光栅的沟槽截面做成这种形状，其目的是使0次和1次衍射光的强度大约相等并且特别强。

这样就会增强莫尔条纹的反差，使光电元件得到较大的信号。

其斜面的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长来确定的。

这种光栅的线纹是直接刻制的，条纹密度一般为每毫米100～200条，刻线宽一般为0.4～7μm。

图9 反射式光栅线纹形状（a）不对称型（b）对称型（2）圆光栅图10为圆光栅的结构示意图。

圆光栅只有黑白透射光栅，整个圆周刻线数为2700～86400条，W=0.01～0.05㎜。

（a）(b) (c)图10圆光栅（a）结构图（b）径向光栅(c)切向光栅径向光栅可用于各种场合，切向光栅适用于精度要求较高的场合，因为采用整个光栅增均效应可减少光栅刻划安装误差的影响。

2．工作原理光栅传感器由光栅、光路和光电元件以及转换电路等组成。

下面以黑白透射光栅为例说明光栅传感器的工作原理。

如图11所示，主光栅与指示光栅之间的距离为d。

d应根据光栅的栅距来选择，对于每毫米25～100线的黑白光栅，指示光栅应置于主光栅的“费涅耳第一焦面上”，即λ2Wd=式中W 为光栅栅距，λ为有效光的波长，d为两光栅的距离。

图11黑白透射光栅光路采用一般的硅光电池，λ可取0.8μm，对于每毫米25条线的光栅，d=2㎜；对于每毫米100条线的光栅，d=0.125㎜；对于每毫米250条线的光栅，因为d太小，结构上不易保证，故很少使用。

指示光栅的线纹与主光栅的线纹相交一个微小的夹角，由于挡光效应（对线纹密度≤50条/㎜的粗光栅，衍射现象是次要的）或光的衍射（对线纹密度≥100条/㎜的细光栅）在与光栅线纹大致垂直的方向上，即两刻线交角的二等分线处，产生明暗相间的条纹。

这些条纹称为莫尔条纹，如图12所示。

图12光栅和横向莫尔条纹它有如下特征：（1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对光栅刻线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）（3）在两块光栅沿刻线垂直方向作相对移动。

莫尔条纹通过栅外固定点（装有光电元件的测量点）的数量则刚好与光栅移动的刻线数量相等。

光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向亦相反。

从固定点观察到的莫尔条纹光强的变化近似于正弦波变化，光栅移动一个栅距，光强变化一个周期，如图13所示。

图13光栅输出原理图（a ）几何干涉（挡光）原理 （b ）理想光栅亮度变化 （C ）光栅输出实际电压波形（4） 莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下：θθW WB H ≈=2sin 2式中BH 条纹间距；W 为光栅栅距；θ为两光栅线纹夹角。

从上式可以看出，θ越小，BH 越大，相当于把栅距扩大了θ1倍。

应用两块刻线数相同，切线圆半径分别为r1、r2的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹，如图14所示。

图14环形莫尔条纹其条纹间距BH 为：21r r WR B H +=通常r1=r2。

当主光栅移动一个栅距W 时，莫尔条纹就变化一个周期2π。

通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成近似于正弦波形的电信号。

电压小的相应于暗条纹，电压大的相应于明条纹。

它的波形可视为在一个直流分量上迭加一个交流量，即)2sin(0πWx U U U m += 式中W 为栅距，U0为电压直流分量，Um 为电压交流分量幅值，x 为主光栅与指示光栅间的瞬时位移，U 为输出电压。

从上式可见，输出电压反映了暧时位移大小。

当x 从0变化到W 时，相当于电角度变化了2π角度。

如采用50线/㎜的光栅，当光栅移动x ㎜，也就是移动了50x 条刻线，则指示了光栅上的莫尔条纹就移动了50x条。

将此条数用计数器记录下来，就可知道移动的相对距离。

上述光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。

为了便于计数和判断方向，需要加入整形和辨向电路。