(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

Nn

f60

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 2

3600

=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。