传感器课件 数字式位置传感器
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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。
传感器PPT课件
中的性能。
阶跃响应
传感器对阶跃输入信号的响应 特性，反映传感器的动态跟踪
能力。
阻尼比
描述传感器动态系统阻尼特性 的参数，影响传感器的动态稳
定性。
固有频率
传感器动态系统的固有振动频 率，反映传感器对动态信号的
响应速度。
环境适应性指标评价
温度稳定性
传感器在不同温度下的输出稳 定性，反映传感器对温度变化
降低传感器制造成本，提高可靠性和 寿命是当前面临的挑战。
未来发展感器研究
探索新型传感材料，提高传感器的灵敏度 和响应速度。
借鉴生物感知机制，研发仿生传感器，拓 展应用领域。
多传感器融合技术
智能化传感器网络
利用多传感器融合技术，提高测量精度和 可靠性。
构建智能化传感器网络，实现传感器之间 的协同工作和自组织能力。
、电阻等。
测量电路对转换元件输出的电信 号进行放大、滤波、转换等处理 ，以便于后续的数据采集、传输
和处理。
信号转换与处理
信号转换
将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机等数字设备进行处理。常见的信 号转换方式有A/D转换和V/F转换等。
信号处理
对传感器输出的信号进行放大、滤波、线性化等处理，以提高信号的信噪比和抗干扰能力 。常见的信号处理方式有放大电路、滤波电路和线性化电路等。
分类
根据输入物理量可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、 加速度传感器、光线传感器等。
发展历程及现状
发展历程
传感器的历史可以追溯到20世纪初，当时主要应用于军事领域。随着科技的不断进步，传感器逐渐应 用于民用领域，如工业自动化、环境监测、医疗设备等。近年来，随着物联网、人工智能等技术的快 速发展，传感器技术也取得了巨大的进步。
阶跃响应
传感器对阶跃输入信号的响应 特性，反映传感器的动态跟踪
能力。
阻尼比
描述传感器动态系统阻尼特性 的参数，影响传感器的动态稳
定性。
固有频率
传感器动态系统的固有振动频 率，反映传感器对动态信号的
响应速度。
环境适应性指标评价
温度稳定性
传感器在不同温度下的输出稳 定性，反映传感器对温度变化
降低传感器制造成本，提高可靠性和 寿命是当前面临的挑战。
未来发展感器研究
探索新型传感材料，提高传感器的灵敏度 和响应速度。
借鉴生物感知机制，研发仿生传感器，拓 展应用领域。
多传感器融合技术
智能化传感器网络
利用多传感器融合技术，提高测量精度和 可靠性。
构建智能化传感器网络，实现传感器之间 的协同工作和自组织能力。
、电阻等。
测量电路对转换元件输出的电信 号进行放大、滤波、转换等处理 ，以便于后续的数据采集、传输
和处理。
信号转换与处理
信号转换
将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便于计算机等数字设备进行处理。常见的信 号转换方式有A/D转换和V/F转换等。
信号处理
对传感器输出的信号进行放大、滤波、线性化等处理，以提高信号的信噪比和抗干扰能力 。常见的信号处理方式有放大电路、滤波电路和线性化电路等。
分类
根据输入物理量可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、 加速度传感器、光线传感器等。
发展历程及现状
发展历程
传感器的历史可以追溯到20世纪初，当时主要应用于军事领域。随着科技的不断进步，传感器逐渐应 用于民用领域，如工业自动化、环境监测、医疗设备等。近年来，随着物联网、人工智能等技术的快 速发展，传感器技术也取得了巨大的进步。
数字式位置传感器工作原理
数字式位置传感器工作原理宝子，今天咱们来唠唠数字式位置传感器这个超有趣的小玩意儿的工作原理哈。
你看啊，数字式位置传感器呢，就像是一个特别聪明的小侦探，它的任务就是搞清楚某个东西在啥位置。
比如说，在一个自动化的生产线上，它得知道那些小零件都跑到哪儿去了，这可关系到整个生产线能不能顺利运转呢。
那它是怎么做到的呢？咱先从一种常见的类型说起，光电式数字位置传感器。
想象一下啊，这个传感器就像一个有着超级视力的小精灵。
它有一个发光的部分和一个接收光线的部分。
当有物体在它的检测范围内的时候呢，光线就会被挡住或者反射啥的。
如果光线被挡住了，接收光线的那部分就会发现，“光没了呢！”然后它就会根据这个变化产生一个电信号。
这个电信号可不是随随便便的，它可是按照一定的数字规则来的哦。
就像是它在偷偷地跟控制中心说：“老大，这儿有个东西挡着我了，我给你发个暗号，这个暗号就是代表这个东西在这个位置啦。
”再说说磁式数字位置传感器吧。
这个就更酷了。
它就像是一个能感受到磁场魔法的小魔法师。
它周围有磁场，当有磁性的物体靠近的时候呢，磁场就会发生变化。
这个传感器就能敏锐地察觉到这种变化，然后把这种磁场的变化转化成数字信号。
就好像是它在说：“哟呵，有个带着磁场的家伙来了，我能感觉到它的魔力，我得赶紧把这个消息用数字的方式告诉大家。
”你看，这是不是很神奇呢？还有一种电容式的数字位置传感器呢。
它就像是一个对电场变化特别敏感的小机灵鬼。
它通过检测电容的变化来确定物体的位置。
你可以把它想象成一个小电容世界里的观察者。
当有物体靠近的时候，电容的数值就会改变。
这个小机灵鬼就会立刻捕捉到这个变化，然后把它变成数字信号。
就好像在欢呼：“哇，电容变啦，肯定是有东西来啦，我得把这个位置信息用数字传达出去。
”这些数字式位置传感器产生的数字信号可不得了。
它们就像是一种特殊的语言，被送到控制系统那里。
控制系统就像一个大老板，它能看懂这些数字语言，然后根据这些信息来决定下一步该怎么做。
认识传感器ppt课件
分辨力越小，表明传感器检测非电量的能力越 强，分辨力的高低从某个侧面反映了传感器的 精度。
（4）迟滞 迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的
程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机 械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。
图1-12 迟滞特性
（5）重复性
重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程连续 多次测量时所得输出-输入特性曲线不重合的程度。 它是反映传感器精密度的一个指标，产生的原因与迟 滞性基本相同，重复性越好，误差越小。
（a） 雷达波探测器 外热成像生命探测仪
（b） 视频探测器 （c） 音频探测器 （d） 红 图1-6 生命探测设备
4．农业生产中使用的传感器
图1-7 塑料大棚
5．汽车中使用的传感器
图1-8 汽车中使用的部分传感器
二、传感器的概念与定义
1．传感器的概念 传感器是一种能把特定被测量的信息按
一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或 装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示 和控制等要求。
2．传感器的动态特性
传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。 传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获 得正确的输出信号；如果输入信号变化太快， 传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的 特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。 表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、 频率响应。
（1）响应速度
是将感受的被测的量转换成电信号的部分。
将电信号转换为便于显示、记录、处理和控制
的有用电信号。有用电信号有很多形式，如电
压、电流、频率等。随着科学技术的发展，输
出信号将来也可能是光信号或其他的信号。
传感器的特性有
和
之分。
主要有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复
（4）迟滞 迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的
程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机 械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。
图1-12 迟滞特性
（5）重复性
重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程连续 多次测量时所得输出-输入特性曲线不重合的程度。 它是反映传感器精密度的一个指标，产生的原因与迟 滞性基本相同，重复性越好，误差越小。
（a） 雷达波探测器 外热成像生命探测仪
（b） 视频探测器 （c） 音频探测器 （d） 红 图1-6 生命探测设备
4．农业生产中使用的传感器
图1-7 塑料大棚
5．汽车中使用的传感器
图1-8 汽车中使用的部分传感器
二、传感器的概念与定义
1．传感器的概念 传感器是一种能把特定被测量的信息按
一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或 装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示 和控制等要求。
2．传感器的动态特性
传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。 传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获 得正确的输出信号；如果输入信号变化太快， 传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的 特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。 表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、 频率响应。
（1）响应速度
是将感受的被测的量转换成电信号的部分。
将电信号转换为便于显示、记录、处理和控制
的有用电信号。有用电信号有很多形式，如电
压、电流、频率等。随着科学技术的发展，输
出信号将来也可能是光信号或其他的信号。
传感器的特性有
和
之分。
主要有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复
数字式传感器
在上述辨向原理中可知, 在相差BH/4位置上安装两个光电 元件, 得到两个相位相差π/2的电信号。若将这两个信号反相 就可以得到四个依此相差π/2的信号, 从而可以在移动一个栅 距的周期内得到四个计数脉冲, 实现四倍频细分。也可以在 相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。 这种 方法不可能得到高的细分数,因此在一个莫尔条纹的间距内不 可能安装更多的光电元件, 但它有一个优点, 就是对莫尔条纹 产生的信号波形没有严格要求。
6.1光栅传感器
大的位移常用感应同步器、光栅、磁栅、编码器 等传感器来测量, 其特点是易实现数字化, 精度高, 抗干扰能力强, 没有人为读数误差, 安装方便, 使用 可靠等, 这些传感器既可以测线位移, 也可以测角 位移, 还可用来测长度, 这些传感器被广泛地应用 于自动检测和自动控制系统中。
光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布 条纹的光学元件。 用于位移测量的光栅称为计量 光栅。
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莫尔条纹测位移的特点: (1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距W时, 莫尔条纹移动一个间
距BH, 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的 关系为:
BH =W/sin（θ/2）≈W/θ （ 6 - 1 θ越小, BH越大。例如θ=10分, 则1/θ≈344, 即莫尔 条纹宽度是栅距的344倍。这相当于把栅距放大了1/θ 倍, 提高了测量的灵敏度。
3．
在前面讨论的光栅测量原理中可知, 以移过的莫尔条纹的 数量来确定位移量, 其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和 测量比栅距更小的位移量, 可采用细分技术。
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所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内, 发出若 干个脉冲, 以减小脉冲当量, 如一个周期内发出n脉冲, 即可使 测量精度提高n倍, 而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细 分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频。 细分方 法有机械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用 的四倍频细分法, 这种细分法也是许多其它细分法的基础。
6.1光栅传感器
大的位移常用感应同步器、光栅、磁栅、编码器 等传感器来测量, 其特点是易实现数字化, 精度高, 抗干扰能力强, 没有人为读数误差, 安装方便, 使用 可靠等, 这些传感器既可以测线位移, 也可以测角 位移, 还可用来测长度, 这些传感器被广泛地应用 于自动检测和自动控制系统中。
光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布 条纹的光学元件。 用于位移测量的光栅称为计量 光栅。
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莫尔条纹测位移的特点: (1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距W时, 莫尔条纹移动一个间
距BH, 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的 关系为:
BH =W/sin（θ/2）≈W/θ （ 6 - 1 θ越小, BH越大。例如θ=10分, 则1/θ≈344, 即莫尔 条纹宽度是栅距的344倍。这相当于把栅距放大了1/θ 倍, 提高了测量的灵敏度。
3．
在前面讨论的光栅测量原理中可知, 以移过的莫尔条纹的 数量来确定位移量, 其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和 测量比栅距更小的位移量, 可采用细分技术。
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所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内, 发出若 干个脉冲, 以减小脉冲当量, 如一个周期内发出n脉冲, 即可使 测量精度提高n倍, 而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细 分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频。 细分方 法有机械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用 的四倍频细分法, 这种细分法也是许多其它细分法的基础。
《数字式传感器》课件
未来数字式传感器将进一步实现多功能化和集成化，能够同时测量多个物理量，并与其他设备集成在一起。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。
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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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
第10章 数字式传感器
第十章
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
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
第八章 数字式位移传感器(光栅)
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
（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
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
数字式位置传感器
零标志（一转脉冲） 波形及作用
在码盘里圈，还有一 条狭缝 C ，每转产生一 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（ 0） 。
C A B
一转（360） C
2019/3/27 23
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，还可用于数字测速、
工位编码、伺服电机控制等。
2019/3/27
24
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1024p/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
x θ
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
A B C B C
A
光敏元件
盘码及 狭缝 零位标志
2019/3/27 17
增量式编码器（INC）
增量式光电编码器 的内部结构
分辨力＝360/条纹数
设：条纹数＝1024
＝360/1024＝0.352
一个脉冲对应一个分辨角
角编码器与 旋转刀库连接
刀具 旋转刀库 角编码器的输出为 当前刀具号 被加工工件
用不同的刀具 加工复杂的工件
2019/3/27
34
编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测 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。
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低位 高位
a）光电码盘的平式光电码盘与增量式码盘的区别
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：
齿轮
齿条
x
θ
滚珠丝杠螺母副
螺母
滚珠丝杠螺母 副能够将减小传 动磨檫力，延长 x 使用寿命，减小 间隙误差。
丝杠
θ
传动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10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 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
01.03.2020
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 角位移测量、控制中的应用。
第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
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。
最小分辨角度为 α=360°/2n
01.03.2020
13
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）
01.03.2020
14
其他角编码器外形（续）
01.03.2020
15
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。
01.03.2020
16
2．绝对式光电编码器
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。
零标志（一转脉冲） 波形及作用
C
C
01.03.2020
在码盘里圈，还有一 条狭缝C，每转产生一 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（ 0） 。
01.03.2020
23
两路光电信号判断旋转方向
A超前于B，判断为正向旋转， A滞后于B，判断为反向旋转
01.03.2020
24
辨向信号和零标志
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90。 (请画出反转时信号B的波形）
编码器 在间接测量
工作台 丝杠 进给电机
中，多使用旋转式
位置传感器。测量
到的回转运动参数
x
仅仅是中间值，但
可由这中间值再推
θ
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。
01.03.2020
5
传动机构 齿距
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。
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。
1.直接测量
回转工作台 旋转运动θ
利用角位 移传感器直接 测量工作台的 角位移
直接利用数字式直线位移传感器测量 直线机床的位移量
直接测量 的误差 较小
工作台运动方向
光栅
2.间接测量
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：
360o
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
01.03.2020
20
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
01.03.2020
21
光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
01.03.2020
光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90。 22
光电编码器的输出波形
上图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。
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
绝对式测量角编码器
每一个微小的
角位移都有一个对
应的编码，常以二
进制数据形式来表
示。在绝对式测量 中，即使中途断电，
θ
重新上电之后，也
能读出当前位置的
数据。
自然二进制码
1 0 0 1 或格雷码
绝对式编码器（接触式）演示
4个电刷 4位二进制
码盘 +5V输入 公共码道
8
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。
A
B
一转（360）
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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，还可用于数字测速、 工位编码、伺服电机控制等。
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27
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）
第二节 角编码器
角编码器又称码盘，是一种旋转式位置 传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接， 随被测轴一起转动。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二 进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基 本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。
一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。
a）光电码盘的平式光电码盘与增量式码盘的区别
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：
齿轮
齿条
x
θ
滚珠丝杠螺母副
螺母
滚珠丝杠螺母 副能够将减小传 动磨檫力，延长 x 使用寿命，减小 间隙误差。
丝杠
θ
传动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10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 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
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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 角位移测量、控制中的应用。
第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
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。
最小分辨角度为 α=360°/2n
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13
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）
01.03.2020
14
其他角编码器外形（续）
01.03.2020
15
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。
01.03.2020
16
2．绝对式光电编码器
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。
零标志（一转脉冲） 波形及作用
C
C
01.03.2020
在码盘里圈，还有一 条狭缝C，每转产生一 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（ 0） 。
01.03.2020
23
两路光电信号判断旋转方向
A超前于B，判断为正向旋转， A滞后于B，判断为反向旋转
01.03.2020
24
辨向信号和零标志
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90。 (请画出反转时信号B的波形）
编码器 在间接测量
工作台 丝杠 进给电机
中，多使用旋转式
位置传感器。测量
到的回转运动参数
x
仅仅是中间值，但
可由这中间值再推
θ
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。
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5
传动机构 齿距
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。
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。
1.直接测量
回转工作台 旋转运动θ
利用角位 移传感器直接 测量工作台的 角位移
直接利用数字式直线位移传感器测量 直线机床的位移量
直接测量 的误差 较小
工作台运动方向
光栅
2.间接测量
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：
360o
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
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二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
01.03.2020
21
光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
01.03.2020
光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90。 22
光电编码器的输出波形
上图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。
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
绝对式测量角编码器
每一个微小的
角位移都有一个对
应的编码，常以二
进制数据形式来表
示。在绝对式测量 中，即使中途断电，
θ
重新上电之后，也
能读出当前位置的
数据。
自然二进制码
1 0 0 1 或格雷码
绝对式编码器（接触式）演示
4个电刷 4位二进制
码盘 +5V输入 公共码道
8
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。
A
B
一转（360）
26
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，还可用于数字测速、 工位编码、伺服电机控制等。
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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）
第二节 角编码器
角编码器又称码盘，是一种旋转式位置 传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接， 随被测轴一起转动。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二 进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基 本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。
一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。