传感器 数字式传感器
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。
DS18B20数字式温度传感器
DS18B20数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度。
同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。
部分功能电路的集成，使总体硬件设计更简洁，能有效地降低成本，搭建电路和焊接电路时更快，调试也更方便简单化，这也就缩短了开发的周期。
DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：（ 1 ）采用单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
（ 2 ）测量温度范围宽，测量精度高。
DS18B20 的测量范围为-55℃~+125℃；在-10~+85℃范围内，精度为±0.5℃。
（ 3 ）在使用中不需要任何外围元器件即可实现测温。
（ 4 ）多点组网功能。
多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（ 5 ）供电方式灵活。
DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
（ 6 ）测量参数可配置。
DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9~12位。
（ 7 ）负压特性。
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（ 8 ）掉电保护功能。
DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。
DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。
二、DS18B20测温原理DS18B20 的内部测温电路框图低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。
(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。
数字式防爆传感器精度等级标准
数字式防爆传感器的精度等级标准因传感器类型而异。
一般来说，对于扩散硅压阻式传感器，其测量精度等级标准为0.02、0.05、0.1、0.2、0.5%FS+1.5mv，而电容式传感器的精度等级标准为优于0.1%FS+1mv。
对于数字式防爆温度传感器，其精度等级标准为±（0.1+L/25）%℃（L为传感器与仪表间配线长度）。
对于数字式防爆湿度传感器，其精度等级标准为湿度分辨率≥0.1%相对湿度，示值漂移量≤2%RH/次，质量变化≤1mg。
建议根据需求选择合适的产品。
如需获取具体产品信息，可以查阅对应产品说明书或咨询相关技术人员。
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
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
1 2
3
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。
数字式传感器
常采用的细分方法有：四倍频细分、电桥细分、 复合细分等。
（1）四陪频细分
将辨向原理中相隔B／4的两个光电元件的 输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为 π/2的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲 信号，实现所谓四倍频细分。
在上述两个光电元件的基础上再增加两个 光电元件，每两个光电元件间隔1／4条纹间距， 同样可实现四倍频细分。
6.1 数字调制传输系统的实际应用 6.2 二进制数字调制及其抗噪声性能分析 6.3 数字信号的最佳接收 6.4 多进制数字调制 6.5 本章 MATLAB仿真实例 本章小结 习题
6.1 数字调制传输系统的实际应 用
在数字电视系统中,多采用多进制的数字调制。所谓数 字电视,就是将传统的模拟电 视信号经过抽样、量化和编码 转换成用二进制数代表的数字式信号,然后进行各种功能的 处理、传输、存储、监测和控制的一种全数字处理过程的端 到端系统。它从电视节目的录 制、播出到发射和接收,全部 采用数字编码与数字传输技术。
• 图6－4 包络(非相干)检波法的原理框图
光栅栅距
两光栅刻 线间夹角 （弧度）
莫尔条纹 的间距
α
莫尔条纹 的斜率
tan tan
2
莫尔条纹的间距B
当 1 时，有 B W
当标尺光栅移动方向 向左时，莫尔方向——顺时针
当标尺光栅移动方向 向右时，莫尔条纹的 移动方向？
同轴形 带形 尺形
• 图6－1 数字电视系统的基本原理框图
的数 字信号进行变换,用尽量少 的数字脉冲来表示信源产生的信
息,这就是压缩编码。 信道编码器包括纠错编码和 数字调制,主要解决数字信号传输 的可靠性问题,故又称 为抗干扰 编码。经过纠错编码的传输码流 具有检错和纠错的能力,其作用是 最大限度地减 少在信道传输中的 误码率,然后将经过纠错编码后的
数字式传感器及应用
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22
辨 向 电 路
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
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光电编码器示意图
1—光源 2—透镜 3—码盘 4—窄缝 5—光电元件组
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34
10.2.3 电磁式编码器
主要由磁鼓与磁阻探头组成。多极磁鼓 常用的有两种：一种是塑磁磁鼓，在磁 性材料中混入适当的粘合剂，注塑成型； 另一种是在铝鼓外面覆盖一层黏结磁性 材料而制成。多极磁鼓产生的空间磁场 由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探 头由磁阻元件通过微细加工技术而制成， 磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的 磁场有关，而与电流平行的磁场无关。
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件
光栅扫描头
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防护罩内为直线光栅
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10.2编码器
将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代 码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。 编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广 泛用于各种位移的测量。
编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。 码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式
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光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
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可移动电缆
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数字式传感器的工作原理
数字式传感器的工作原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊数字式传感器那神奇的工作原理呀！你说这数字式传感器啊，就像是一个特别机灵的小侦探！它能敏锐地察觉到周围环境的各种变化，然后快速又准确地把信息传递出来。
想象一下啊，数字式传感器就像是我们的眼睛、耳朵和鼻子一样，时刻帮我们感知着这个世界。
只不过它感知的可不是什么花花绿绿、吵吵闹闹的东西，而是各种物理量，比如温度啦、压力啦、光线强度啦等等。
它工作起来那可是一丝不苟呢！当有这些物理量发生变化的时候，它里面的那些小零件啊，就像一群训练有素的士兵，立刻行动起来。
它们会把这些变化转化成电信号，这就好比是把现实世界的信息翻译成了一种数字式传感器能“听懂”的语言。
然后呢，这些电信号就会被迅速地处理和分析。
哎呀，这过程可真是神奇！就好像是有一个超级厉害的大脑在后台运作，把这些信号整理得井井有条。
接着，这些处理好的信息就会以数字的形式呈现出来。
哇哦，是不是很厉害？这就像是给我们呈现了一幅清晰明了的画面，让我们一下子就知道了周围环境的具体情况。
你看啊，在我们生活中，数字式传感器无处不在呢！家里的电器、汽车里、工厂的生产线上，到处都有它们的身影。
它们就像一群默默奉献的小英雄，在我们不知道的时候，为我们的生活和工作保驾护航。
比如说在智能家居里，温度传感器可以时刻监测室内的温度，然后自动调节空调，让我们始终处在一个舒适的环境里。
这多贴心啊！还有汽车上的各种传感器，可以让我们了解车子的状态，保障我们的行车安全。
数字式传感器的优点那可真是数都数不过来呀！它不仅测量精准，而且反应速度快，还特别稳定可靠。
这就像是一个永远不会出错的好朋友，让我们特别放心。
总之呢，数字式传感器就是这么神奇又重要！它让我们的生活变得更加智能、更加便捷。
我们真应该好好感谢这些小小的“侦探”们，是它们让我们的世界变得如此精彩！你们说是不是呀？。
第10章 数字式传感器
数字式传感器
第十章
非电量
数字式传感器
数字式 传感器
数字信号
数字式传感器的优点： 1．数字式传感器抗干扰能力强 2．光数字式传感器与数显仪器、与计算机接口方便
第十章
光电传感器
10.1 编码器
一．码盘式编码器
1．接触式编码器
Vcc
第十章
光电传感器
二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
显示 过零
“+”“ - ” 符号
加减 计数
计数脉 冲门 可逆计数器
译码显示
置数开关
第十章
光电传感器
脉冲当量为
2mm 2.5m 800
10.3 计量光栅
W 2
W 2
W W W B 2 2 (mm) sin 2 2
B
第十章
光电传感器
10.4 频率式数字传感器
频率式传感器将被测非电量转换为频率量，通过测量频率或者 周期来测得被测量。
1．结构和工作原理
n
2．旋转方向的判别
第十章
放大 整形
光电传感器
1 光电 元件 2
D
Q 可逆 计数器
放大 整形
C P
&
延时
P1 P2 Q P
P1 P2 Q P
第十章
光电传感器
10.2 感应同步器
感应同步器是利用两个平面形印刷电路绕组的互感随 两者的相对位置变化原理制成的。这两个绕组类似变压 器的原边绕组和副边绕组，所以又称为平面变压器。 一．直线式感应同步器的结构
sensor_10 数字式传感器
正弦绕组 余弦绕组
滑尺： 两绕组差90o电角度
通常：W1 W2 两相绕组中心距：
l1
n 2
1 4
W2
数字式传感器
感应同步器定尺和滑尺的截面结构
滑尺
铝箔层
钢板
铜箔绕组 粘合剂
定尺
钢板
耐腐蚀耐磨绝缘层
2.感应同步器的类型
标准型感应同步器：精度最高
窄型感应同步器：宽度较标准型窄， ① 直线(位移)式 磁感应强度比标准型低，精度稍差
数字式传感器
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.1.2 感应同步器的工作原理
A B CD
由 S 激磁的感应电势曲线 由 C 激磁的感应电势曲线
数字式传感器
10.1.2 感应同步器的工作原理
A B CD
规律： 滑尺移动一个节距 W2 感生电动势变化一个周期 2 在一个节距内： 2 x
W2
检测 的变化，即可检测一个节距内的位移量 x 。
磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁 芯，输出绕组不产生感应电动势。
只有在励磁电流每周两次过零时，磁芯才能导磁，磁栅
上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势 e 。
可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而 e 的
包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到 磁芯漏磁通的大小成正比。
数字式传感器
数字式传感器
10.1.1 感应同步器的结构与类型
1.结构组成
250mm
定尺：250mm
节距：W2 2(a2 b2 ) 通常：W2 2mm
定尺绕组的导片宽度 要考虑消除高次谐波：
a2
n W2
正整数 谐波次数
显然
a2
W2 2
浅谈数字式传感器
郑 化 友
数 字式 传 感 器 是将 传 统 模 拟 应 变式 传 感 器 与 现 代 微 电子 技术 、 微型 计算 机 技术 相 集成 而发 展起 来 的一 种
新 型 电子秤 重技 术 。
３ 数字 式称 重传 感器在 电子汽车衡 中的应用 、
数 字 式 电子 汽车 衡 由数 字式 称重 传感 器 、 称重 显示
内 ，模 拟式 称重 系统 仍 然是 用户 采 用的 一种 秤重 手段 。
电路 部分 出现故 障 ， 需 要 更换 传 感 器 ， 一个 数 字 式 均 而 称 重传 感器 的价 格是 模拟 式称 重传 感器 的 ３倍 一４倍 。 （） ５ 数字 式称 重 传感 器所 配 套的 智能 型 数字 称 重显 示 器 的价格 也 比普通 称重 显示 器 的价格 高 几倍 。
整” 并确 认 空秤 台 后显 示 “ ｄ ｅ １ 时 ， １号传 感器 Ａｄ Ｃｌ” 在 ｌ
（ ） 信 号输 出 、 输 距 离远 。附 加 电 源后 可 超 过 器 ， ３强 传 其所 有的 设定 （ 零点调 节 、 角差调 整 、 称量 标定 、 角差
６０ ｍ 。 ０
（） ４ 安全性 好 、 电平 数 字信 号 、 高 抗外 部 射频 干扰 和 电磁 干 扰能 力强 。 （） 定、 ５检 校准 方便 ， 可采 用软 件 运算 方 法在 仪 表上 调 整 四角 误 差 ， 利用 数 字 系统 实施 “ 自校准 ” 智 能 型 仪 ，
（） １ 由于 在 传 感 器 内 部增 加 了 Ａ Ｄ 转 换 的 前 级 放 ／ 大 器和 后级微 处 理 器 、温 度 敏 感元件 等多 种 电子 元 件 ， 从 而使 称重传 感 器 的可靠 性和 稳定 性下 降 。 （） ２ 由于 内 部 的 电子 元 件是 固 封 在传 感器 里 的 ， 无
数字式传感器
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4.4 数字式角编码器
码道的圈数（不包括最里面的公用码道）就是二进制的 位数，且高位在内，低位在外。若是n位二进制码盘，就有n 圈码道，且圆周均分2n个数据来分别表示其不同位置，所能 分辨的角度a为：
360 n 2
分辨率为：
分辨率
1 2n
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4.4 数字式角编码器
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4.1 光栅传感器
光栅的分类 光栅按照光的传播方式不同可分为物理光栅和计量光栅。 物理光栅主要利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光 波波长测定。 计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移 测量，有很高的分辨力，非常适用于动态测量。计量光栅按 照光线的走向可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。
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4.1 光栅传感器
所谓莫尔条纹效应就是将光栅常数相等的标尺光栅G1和指示 光栅G2刻线面对面叠合在一起，如图4-3 所示，中间留有很 好的间隙，并使两者之间保持一很小的夹角θ，于是在近似垂 直栅线方向出现明暗相间的条纹，这种现象称莫尔条纹效应。 形成的明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 测量时，当指示光栅沿x 轴自左向右移动，莫尔条纹的亮带 和暗带将顺序自下而上（图中）方向不断地掠过光敏元件。 光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化， 如图4-3所示。
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4.1 光栅传感器
镜像式光路 镜像式光路如图4-7 所示。它不设指示光栅，光源1发出 的光线，经半透半反镜2 和聚光镜3 后成为平行光束，照射到 主光栅4 上，光栅上的栅线经物镜5 和反射镜6 又成像在主光 栅仁形成莫尔条纹，然后经半透半反镜2 反射由光电元件7 接 收。 这种光路不存在光栅间隙问题。同时，光学系统保证了 光栅和光栅像按相反方向移动。因此，光栅移过半个栅距， 莫尔条纹就变化一个周期，即灵敏度提高了一倍。
数字化接近传感器原理和功能
数字化接近传感器原理和功能：数字化接近传感器是一种非接触式的传感器，主要用于检测物体的接近和远离，并转换为数字信号输出。
它的原理主要是通过测量磁场的变化来检测物体的位置和距离。
在数字化接近传感器中，通常有一个磁铁和一组磁感应器。
当物体接近传感器时，磁铁和磁感应器之间的相对距离会发生变化，导致磁场强度发生变化。
这个变化会被磁感应器检测到，并转换为电信号。
通过数字化处理技术，电信号被进一步转换为数字信号，输出给控制系统或计算机进行处理。
数字化接近传感器的功能主要取决于其具体的应用场景。
例如，在自动化生产线中，数字化接近传感器可以用于检测零件的位置和数量，控制生产线的运行和物流。
在安全系统中，数字化接近传感器可以用于检测人员或物体的移动和位置，实现安全监控和报警。
在智能家居中，数字化接近传感器可以用于自动控制照明、窗帘等设备的开关状态。
传感器原理及应用第三版第6章
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2n （
26 ? 64 ）
② 二进制码为有权码，编码若是 CnCn?1 ? ? C1 ，则对应于零位转
? 过的转角为 ：
n
Ci 2 i?1? 1
i?1
③ 码盘转动中，CK
若变化时，则所有
C
(
j
j
?
K
)应同时变化。
二进制码存在的问题：
① 提高分辨力困难。例如：二进制码盘，为了达到1〞左右的分辨力，需
倍，当位数很多时，光电元件位置安装困难。
〈2〉采用循环码码盘
右图为一个六位的循环码码盘，对于
n位的循环码码盘有下列特点：
上
① n位的循环码有2n种不同编码：
其容量为：2 n
下 对 称
最小分辨力：? 1
?
360 0 2n
最外圈角节距：4?1（比二进制大一倍）
② 循环码为无权码，Rn Rn?1 ? ? R1 不产生粗误差；
10 1× 0
01 ×1
0
01 1
10 1
11 00
Ci
因此就大大降低了粗误产生的概率，只要由刻划等因素造成的总
误差不超过相应码道（本码道） ai , bi 之间的间隔即可做到高位不出 现误差。由此可见，在不发生粗误差的前提下，整个编码器的精度
由它最低位（即C1 位码道）决定。双读数头的缺点是读数头多了一
C nCn?1C n? 2 ? ? C1
CnCn?1 ? ? C2
? ——————
二进制码 右移一位并舍去末位 不进位加法
Rn Rn?1Rn?2 ? ? R1
循环码
举例：
0110 ? 011
0101
十进制6 循环码6
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前几章都介绍的是模拟式传感器，将被测参数转变为 电模拟量（如电压、电流）显示出来。如果用数字显示 或输入计算机，就需要A/D转换装置，将模拟量变成数字 量。这不但增加了投资，而且增加了系统的复杂性，降 低了系统的可靠性和精确度，若直接采用数字式传感器 直接将被测参数转换成数字信号输出。
光源
透镜
码盘
透镜
光敏元件
放大整形 脉冲输出
转轴
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个
数就能反映当前电动机的转速。此外为判断
旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路
脉冲信号。
光源
透镜
码盘
透镜
光敏元件
放大整形 脉冲输出
转轴
编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量 角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际 应用比较少。所以在这里只讨论码盘。
光栅传感器由照明系统、光栅副、光电接受元 件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。 在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主 要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。计 量光栅可为透射式光栅和反射式光栅两大类。当标 尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产 生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹 亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字 显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。
增量式编码器 转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
增量式编码器 10码道光电绝对式码盘
它的优点是原理
构造简单，机械平均 寿命可在几万小时以 上，抗干扰能力强， 可靠性高，适合于长 距离传输。其缺点是 无法输出轴转动的绝 对位置信息。
思考：当工作的过程中突然 停电，两种编码形式的编码
这种传感器是建立在编码器的基础上的。 分类 按原理分：电触式、电容式、感应式、光电式等。
按测量对象分：测长度——码尺 测角度——码盘
这里只讨论光电式码盘，称为光电编码器.
一、光电编码器的工作原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机 械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编 码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一 定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光 电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动 机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装 置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：
刻线密度： •（ 10，25，50，100线）/mm •1000线/mm
a：刻线宽度 b:刻线间的缝隙宽度 W：栅距，光栅常数
W
a
b
透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀 地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。
图6－10中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽 度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）
编码器在伺服电机中的应用
闭环控制 利用编码器测
三相电参数
量伺服电机的转速、 转角，并通过伺服 控制系统控制其各 种运行参数。
•转速测量 •转子磁极位置测量 •角位移测量
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
§6－2 光栅传感器
一、光栅传感器的结构原理
数字式传感器具有以下优点：
*精确度和分辨力高；
*抗干扰能力强，便于远距离传输；
*信号易于处理和存储；
*可以减少读数误差。
数字式传感器按工作原理不同，可分为：
*脉冲数字式传感器：光电编码器、光栅传感器、感 应同步器、磁栅传感器等
*频率输出式数字传感器：振弦式、振筒式和振膜式 传感器。
§6－1 码盘式传感器
器有何不同？
零位标志
增量式码盘
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 0
n
分辨率＝1 n
四、绝对式编码器
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。
二、码制和码盘
110000
有多少条码道，就有多 长的二进制数，工业上 常用的是21码道。
从里向外读数 亮：定义为高电平1 暗：定义为低电平0 零位（全黑）：000000
缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。
二进制码盘的粗误差
双读数头法 循环码盘
❖上图是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭 缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制 数为7十。进若制码数道15C。4黑反区之做，得若太黑短区，C就4太误长读，为当1狭11缝1， 处于AA’时，就会将1000读为0000。这两种情况 下都将产生粗误差。
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
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）
光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。
三、增量编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输 出三组方波脉冲 A、B 和C 相；A、B 两组脉冲 相位差 900，从而可方便地判断出旋转方向， 而 C 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
透射式直光栅
反射式光栅
透射式圆光栅 固定
二、莫尔条纹形成的原理及特点
“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。法国丝绸工 人
10码道光电绝对式码盘
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
绝对式接触式编码器演示
3;5V输入 公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
光电编码器是一种角度（角速度）检测 装置，它将输入给轴的角度量，利用光 电转换原理，转换成相应的电脉冲或数 字量，具有体积小，精度高，工作可靠, 接口数字化等优点。它广泛应用于数控 机床、回转台、伺服传动、机器人、雷 达、军事目标测定等需要检测角度的装 置和设备中。
指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与 主光栅同样密度的 线纹。
光源一般用钨丝灯泡。 光电元件包括光电池
和光敏三极管等部分。
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺