第七章 数字式传感器
传感器：第六章 数字式传感器
6.3 振弦式传感器
一、弦振动的固有频率 振弦式传感器的原理见下图。 振弦式传感器的原理见下图。
振弦的固有频率
张力或有效长度决定了振弦的固有频率。 张力或有效长度决定了振弦的固有频率。利用振 弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成，压力、 弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成，压力、 力矩等各种传感器。 力、力矩等各种传感器。 二、弦振动的激励方式 （一）连续激励法 1. 电流法 电流流过振弦时， 电流流过振弦时，弦 受到的力为
C1 C2 C3 C4
A
B
C2码道读数为0时， C2码道读数为 码道读数为0 读数头可能在的区间
C3码道读数头 C3码道读数头A 码道读数头A 可能在的区间
A
B
C1 C2 C3 C4
C3码道读数头A C3码道读数头 码道读数头A 可能在的区间
（三）采用循环码消除粗误差 循环码的特点是无权码， 循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一 位发生改变 。 000---000 000---000 001---001 001---001 010---011 010---011 011---010 011---010 100---110 100---110 101---111 101---111 110---101 110---101 111---100 111---100
000000 000000R 000111 000100R
6位二进制码码盘
6位循环码码盘
三、二进制码与循环码的转换 由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最 高位相同。 高位相同。二进制码与循环码之间的转换关系为
Cn = Rn
Ci = Ci+1 ⊕ Ri Ri = Ci+1 ⊕Ci
第七章 GTS1型数字探空仪
六、保温材料
即空仪保温泡沫塑料盒，探空仪在出厂时，发 射机和智能转换器已经连接并置放在F型的保温盒 内，施放前需将电池保温盒打开，装入浸泡好的镁 电池。
发射机置于保温泡沫盒内时，必须与底部相接 触好，如有空隙，需垫上块状泡沫填满空隙，以避 免发射机在施放过程中与智能转换器断开，造成信 号突失。
淬频频率：800 kHz±15 kHz。 副载波频率：32.7kHz±0.5 kHz。 天线增益G：≥1dB。 接收灵敏度：≤20μw/m。
三、智能转换器
副载波频率：32.7 kHz±0.5 kHz。 数字信号传输方式：数字1状态，发射机受800 kHz调制。 数字0状态，发射机受32 kHz方波调制； 32 kHz在高电平时，关闭发射机；0电平时发射机受800
2、A/D转换（数模转换）：采用软件双积分A/D转换方案， 转换精度超过14位，并对温度影响采取了多种补偿措施。为了 降低探空仪的成本，提高数据可靠性，各传感器所测量的气象
信息要素值转换由地面设备中的计算机，根据各个探空仪检定
数据进行处理，故智能转换器不能带外部EPROM芯片，各个 探空仪检定数据按规定格式存入3.5英寸软盘，随探空仪一起提 供给台站。
影响压力传感器性能的误差包括如下几个方 面：零点温度漂移、灵敏度温度漂移、线性误差、 重复性误差、迟滞误差、机械迟滞、温度迟滞等。 据厂家提供的技术资料表明，所有误差都在最大 值的情况下总误差之和可达5.57%，当然这种可能 性是极小的。但既使零点温度漂移、灵敏度温度 漂移最大值也分别能达到1%，远远超出了探空仪 的技术指标，因此需要进行全量程的温度补偿。
压力传感器采用软硬件温度补偿方法，补偿动 态范围大、精度高、成本低、同时改善线性度。
传感器与检测技术ppt课件
22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
传感器原理与应用习题及答案
《第一章传感器的一般特性》1转速（r/min）0 500 1000 1500 2000 2500 3000输出电压（V）0 9.1 15.0 23.3 29.9 39.0 47.51）该测速发电机的灵敏度。
2）该测速发电机的线性度。
2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。
3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。
6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。
《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。
又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。
2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。
在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
数字温度传感器工作原理
数字温度传感器工作原理
数字温度传感器是一种用于测量温度的装置，它能够将温度转化为数字信号输出。
这类传感器通常使用特定的敏感元件，如热敏电阻（PTC或NTC）、热电偶或热电阻（如铂电阻）等。
对于热敏电阻传感器，它的阻值会随温度的变化而变化。
通常情况下，热敏电阻是一个负温度系数（NTC）电阻元件，即其阻值随温度的升高而下降。
数字温度传感器通过测量热敏电阻的阻值，并将其转化为数字信号输出，从而得到温度值。
热电偶则是利用两个不同材料的导电性质差异以及温度变化引起的电动势变化来测量温度的传感器。
当两个导电材料的接触点处于不同的温度下时，会产生一定的电势差。
通过测量这个电势差，可以计算出温度值。
而热电阻则是利用材料在不同温度下的电阻值变化来测量温度的传感器。
最常用的热电阻材料是铂电阻（Pt100或Pt1000），其电阻值与温度之间具有良好的线性关系。
将热电阻放置在待测温度环境中，通过测量电阻值的变化，可以通过查表或计算得出温度值。
通过将热敏电阻、热电偶或热电阻连接到一定的电路中，数字温度传感器可以将温度转换为数字信号输出。
这些数字信号可以通过一定的标准协议传输，如I2C、SPI或UART等，从而
将温度值传送给其他的设备或系统进行处理和分析。
光电传感技术第七八章答案
1，设光敏二极管的光敏面积为1 mm×1 mm，若用它扫描500 mm×400 mm的图像，问所获得的图像水平分辨率最高能达到多少？答：水平分辨率最高可以达到500 mm/1 mm=500。
2，上题中光敏二极管在水平方向（沿图像500 mm方向）正程运动的速度为5 m/s，逆程运动的速度达50 m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？答：水平扫描周期应为垂直方向行进到下一行的时间，因此垂直方向正程速度为：。
扫描一场图像需时间为：。
3，上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？4，比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？答：逐行扫描闪烁感低，扫描方式和控制扫描的驱动设计也要简单，隔行扫描对行扫描频率的要求只是逐行扫描的一半，对信号传输带宽要求也小。
20世纪的显示器行扫描频率达不到逐行扫描的行频要求，因此用隔行扫描技术。
PAL制式规定场周期为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms，行频为15625 Hz，行周期为64μs，行正程时间为52 μs，行逆程时间为12 μs。
5，现有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元，如果配用PAL电视制式的显示器显示他所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？6，如何理解“环保的绿色电视”？100 Hz场频技术是基于怎样的基础？答：100 Hz扫描技术就是利用数字式场频转换技术，它把PAL制的50 Hz场频的信号，通过数字式存储器DARM，采用“慢存快取”的方法，即读出的时钟频率是存入时钟频率的2倍，实现信号场频率的倍频转换，使场扫描数倍增，从而成为场频为100 Hz的视频信号。
7，图像传感器的基本技术参数有哪些？他们对成像质量分别有怎样的影响？答：1，成像物镜的焦距f’，决定了被摄劲舞在光电成像器件上成像的大小；2，相对孔径D/f’，决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量；3，视场角2ω，决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。
《数字式传感器》课件
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PPT课件可编辑全文
dx W
W
(10-4)
由上式可见，当2x/W=n，即x=W/2、W、3W/2、…
时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为
Ku =2Um/W
(10-5)
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10
10.1 光栅传感器
10.1.2.2 辨向原理
计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。
图10-4 光栅辨向原理图
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11
10.1 光栅传感器
可编辑
9
10.1 光栅传感器
•光栅传感器测位移x的原理： 当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周 期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉 冲，则位移量x为
x=NW 式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。
•输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为
(10-3)
duo 2Um sin 2x
将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为
(10-16)
eo
Eo
sin t
2
x
(10-17)
这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化
的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。
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30
10.2 磁栅传感器
10.2.3磁栅传感器的特点和误差分析
•磁栅传感器录制的磁信号的空间波长稍大于计量光栅 的栅距W；
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7
10.1 光栅传感器
10.1.2 光栅传感器的测量电路
10.1.2.1 光栅的输出信号
主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在
固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电
信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关 系。
传感器原理和应用习题
《第一章传感器的一般特性》1．从某直流测速发电机试验中，获得如下结果：转速（r/min）0 500 1000 1500 2000 2500 3000输出电压（V）0 9.1 15.0 23.3 29.9 39.0 47.5试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定：1）该测速发电机的灵敏度。
2）该测速发电机的线性度。
2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。
3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。
6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。
《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。
又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。
2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。
在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。
传感器与自动检测技术重难点学习指导
《传感器与自动检测技术》重难点及学习指导第一章传感器与自动检测技术的基本概念重难点：测量误差与精度学习指导：掌握绝对误差和相对误差的定义和物理意义，理解精度等级的确定，能对测量误差进行估算和对仪表的精度等级及量程进行正确的选用。
第二章电阻式传感器重难点1：应变效应和桥式测量转换电路学习指导：在理解纵向应变和横向应变的基础上掌握应变效应，理解各类电桥工作方式和性能，注意“相邻臂相减、相对臂相加”的原则，通过不同的组合方式，可提高灵敏度，消除非线性误差及温度效应的影响。
重难点2：压阻式传感器测量转换电路与温度补偿学习指导：测量转换电路恒压源与恒流源供电方式的比较，选择合适的供电方式；提高测量精度减小零点漂移和灵敏度温度漂移的问题，进行零点温度补偿和灵敏度温度补偿。
第三章变阻抗式传感器重难点1：差分变压器的工作原理和测量转换电路的作用学习指导：差分变压器把被测位移量转换为线圈间的互感变化，输出交流电压，通过测量转换电路，可消除零点残余电压，并判别位移方向。
重难点2：电涡流式传感器的工作原理学习指导：在理解涡流效应的基础上，掌握传感器把被测量转换为线圈的阻抗，最大特点是非接触测量。
重难点3：电容式传感器的测量电路学习指导：变间隙式电容传感器采用差分接法的桥式电路（即变压器电桥电路）后，位移量与电容的非线性关系转换为位移量与输出交流电压的线性关系，但还应经过相敏检波才能判别位移方向；脉冲宽度调制电路的输出直流电压与电容变化量成线性关系，不论是对于变面积式或变极距式电容传感器均能获得线性输出，也能判别位移方向。
第四章光电式传感器重难点1：光电效应和光电传感器的工作原理学习指导：理解光电效应和对应光电元件的特性及使用场合，掌握光电传感器的四种应用类型，注意光源与光电元件在光谱特性上应基本一致，及在模拟量的检测中如何削弱或消除背景光及温度等因素的影响。
重难点2：光纤传感器的工作原理及使用学习指导：了解光纤的传光原理，功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器的区别，光纤传感器的实际应用。
测控第七章习题答案
第七章 信号细分与辨向电路7-1图7-33为一单稳辨向电路，输入信号A 、B 为相位差90︒的方波信号，分析其辨向原理，并分别就A 导前B 90︒、B 导前A 90︒的情况，画出A '、U o1、U o2的波形。
A '、U o1、U o2的波形如图X7-1所示。
可见，当A 导前B 90︒时，U o1有输出，U o2无输出，当B 导前A 90︒时，U o1无输出，U o2有输出，实现辨向。
7-2参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
该电阻链二倍频细分电路如图X7-2所示，其输出A 、B 为相位差90°的二路信号，它们的频率是输入信号频率的二倍。
A BA BA' U o1A BA BA' U o1图X7-17-3 若测得待细分的正余弦信号某时刻值为u 1=2.65V , u 2=-1.33V ，采用微机对信号进行200细分，请判别其所属卦限，并求出对应的θ值和k 值。
某时刻正弦信号值为u 1=2.65V , 余弦信号值为 u 2=-1.33V ，根据两信号的极性（u 1为+、u 2为-）和绝对值大小（|u 1|〉|u 2|），可判别出信号在3卦限。
由于对信号进行200细分，因此在一个卦限内，需实现25细分。
在3卦限用|ctg θ| 65.233.1sin cos ctg 12===u u A A θθθ 求它的arctan,得到θ=26.65°，由于26.65°/1.8°=14.81，所以k =65。
7-4 在图7-14所示只读存储器256细分电路中，请计算第A000(十六进制)单元的存储值。
A000(十六进制)对应的二进制为1010000000000000，即X =10100000、Y =00000000，对应十进制X =160、Y =0， 由下式可得θ=284°，284°×（256/360°）=201.96，取整为202，对应的二进制为11001010。
传感器第六、七、八章思考题及习题
第六章 思考题与习题1、什么是压电效应？答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。
当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。
2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用·当作用在压电元件上的力是静压力（ω=0）时，前置放大器输入电压等于零。
因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。
所以压电传感器不能测量静态物理量。
3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 答：p115 ●补充题：1、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力p=10MPa 作用时，求产生的电荷及输出电压：①零度X 切的纵向石英晶体；②利用纵向效应之BaTiO 3（压电陶瓷）。
已知：S=20 mm 2，δ=10mm ，P=10MPa ， 求：Q=？，V=？ 解：①∵ PS d F d Q 1111== 而：)/(1031.21211N c d -⨯= ∴ c PS d Q 10111062.4-⨯== 又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.85.412-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(8.5797/0V SQ C Q U r a ===εεδ解②∵ PS d F d Q 3333== 而：)/(10901233N c d -⨯= ∴ c PS d Q 833108.3-⨯== 同上：又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.8120012-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(3.1788/0V SQ C Q U r a ===εεδ2、某压电晶体的电容为1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF,求；①压电晶体的电压灵敏度；②测量系统的高频响应③如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率时多少？④如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联方式，电容值是多少？已知：pF C M R pF C N c k pF C i i c q a 5013000/5.21000=Ω====；；；； 求： 解①∵ a q V C k k /= ∴ )/(105.29N V k V ⨯= 解②依据教材p113(6-14)式 ∵ ic a m im V C C Cd F U k ++=∞=33/)(；而：3333//d F F d F Q k q ===∴ )/(1017.68N V C C C k k ic a qV ⨯=++=解③依据教材p113(6-15)式 因： 222)(1)()(i c a i c a C C C R C C C R k +++++=ωωω高频响应时：1)(*=∞=k k而：%5)(**≤-kk k Lωγ 则：%95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中： 解得：Hz f LCL 5.1192==πω 解④因： %5)(**≤-k k k Lωγ 则： %95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：解得：pF C C C C c a 48447=++=3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ,试求该机器的振动加速度。
机器人学导论第7章
二进制码
#
格雷码
0000
6
0101
0001
7
0100
0010
8
1100
0011
9
1101
0100
10
1111
0101
11
1110
二进制码 0110 0111 1000 1001 1010 1011
商用增量式码盘 和绝对码尺
CHENLI
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三 线位移差动变压器（LVDT）
原理：铁心随被测位移移动，导致磁通强度的变化， 从而引起次级电压的变化，同时将随唯一变化的模 拟电压输出作为唯一的测量结果。
第七章 传感器
输出类型：数字式或模拟式，可以直接 使用，也可能必须对其进行转换才能使用。
接口：传感器必须能与其他设备相连接。
如果没有现成接口、或与其他设备接口不 匹配、或需要其他额外电路，此时，需要 解决传感器与设备间接口问题。
分辨率：在测量范围内所能分辨的最小
值。绕线式电位器——一圈电阻值；n位
数字设备——满量程/2n
（一）电位器
通过电阻把位置信息转化为随位置变化的电压。
Vout
Vcc
R1 R
电位器原理图
CHENLI
商品化电位器
7
（二） 编码器
功能：检测细微运动，输出数字信号。
原理：
码盘或码尺被分成若干小区，每一小区可能不透 明也可能透明。
当光源例如发光二极管有码盘或码尺的一侧向另
一侧发射一束光时，在另一侧用光敏传感器进行检
需费用高得多； CHENLI
2
特点与分类： 根据物体的特性分：几何式、机械式、光学
式、材料的、语音的、电气的、磁性的、放射 的和化学的等等。
数字式传感器PPT课件
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数字转换原理
1．辨向原理
光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就成电信 号输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动， 莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号， 则只能用于计数，无法辨别光栅的移动方向。 为了能辨向，尚需提供另一路莫 尔条纹信号，并使两信号的相位 差为π/2。通常采用在相隔1／4 条纹间距的位置上安放两个光电 元件来实现，
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旋转式光电编码器
• 接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是 利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高， 可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动 控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人 都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转＞ 10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。
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数字测量系统
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鉴相法测量系统
• 图10－9为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字 量。鉴相法测量系统通常由位移－相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。
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• 位移－相位转换的功能是通过感应同步器将 位移量转换为电的相位移。
号。
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．增量编码器
• 增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对 码盘码道的意义。
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• 与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光 电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。
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一、光栅传感器的结构和基本原理
1、光栅结构 光栅是在光学玻璃上面均匀刻有许多 线条，形成规则排列的透光和不透光 的明暗条纹所组成，没有刻划的白处 透光，刻划的黑处不透光，如图所示。 a－刻线宽度（不透光） b－缝隙宽度 （透光） W=a+b－光栅节距或栅距（或光栅常数） 国内常用规格（长光栅）一般a=b=(1/2)W， 通常国内有这样一些规格：10条/mm (W=0.1mm) 25条/mm (W=0.04mm) 50条/mm (W=0.02mm) 100条/mm (W=0.01mm) 125条/mm (W=0.008mm)
θ1 = 360 / 2
0
n n
n
十进制与n位二进制的关系：
N = 2n ∑Ci 2i = ∑Ci 2ni
i=1 i=1
二进制码盘 输出数码 第1(最内圈)码道 第2码道 第i码道 i 相邻码道分界线 C1C2…Cn(二进制码) 分21 个黑白间隔, 对应 C1 分22 个黑白间隔，对应 C2 分2i个黑白间隔 ，对应 2 Ci 第i道黑白分界线与i+1 道黑白分界线对齐 缺点：产生粗误差
一、工作原理 1、组成结构
光源 码盘－－有n圈码道 光电元件－－n个
α
α
2、工作原理： 码盘是一块圆形光学玻璃，上面刻有许多同心码道，每圈码道 上都有按一定规律排列着的若干亮区和暗区。对应每一圈码道 上有一个光电元件，光源的光经过光学系统形成一束很窄的光 束照射在光电元件上，当码盘处于不同位置时，各光电元件根 据受光照与否转换输出相应的电平信号分别代表“1”和“0”。 码道数等于光电元件的个数，它们等于该编码器转换成的二元 数码的位数n。图中的码盘相对于狭缝的转角 ，通过光电转 换就会得到一组n位二元码与之对应。 转角这个模拟量就转会 为数字量了。
o
码盘每转一周：光电元件A产生一个脉冲 光电元件B产生m个脉冲 相位差90° 光电元件C产生m个脉冲
二、转向和转角的测量 1．转向判别
感光先后 相位关系 触发器 计数器
正转 C先感光 C超前 Q=1 加计数
反转 B先感光 B超前 Q=0 减计数
图7-1-9 波形图
2．净转角测量 ①分辨率
360 θ1 = m
莫尔条纹的间距H与光栅常数的关系为：
1 1 AN H = CE = AC = 2 2 sin β 2 W = β 2sin 2
莫尔条纹的方向与光栅移 动的方向（x方向）只相 差 β ，故莫尔条纹的方 向近乎垂直于栅线的方向。
2
2）莫尔条纹的主要特性： （1)移动方向： 主光栅右移，则莫尔条纹向下移； 主光栅左移，则莫尔条纹向上移。 若被测物体跟随主光栅移动，则可根据莫尔条纹 移动的大小和方向，判断被测物体的大小和方向。 （2)移动距离：主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹 间距H。 莫尔条纹具有放大作用，即H＞＞W。通过测量莫 尔条纹移过的距离，就可以测出主光栅的微位移， 而且可以调节 β 来调节条纹宽度。 （3）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光 栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均 匀引起的误差。
在位置c，光被遮去一半，光强减少；在位置d，光被完全遮去而成 全黑，光强为零。光栅继续右移，在位置e，光又重新透过，光强增 大。
在理想状态时，光强的变化与位移成线性关系，但在实际应用中两 光栅之间存在间隙，透过的光线有一定的发散，达不到最亮和全黑 的状态；再加上光栅的几何形状的误差，刻线图形的误差以及光电 元件的参数的影响，所示输出波形是一近似的正弦曲线。 光电元件的输出电压u由直流分量U 0 和幅值为U m 的交流分量叠加 而成，即
ui = U m sin(
W
× 360o i ×
n
),(i = 1, 2,L n)
n个ui波形依次产生n个过零脉冲，于是，与光栅位移x对应的过零脉 冲计数值即位移的数字测量结果为：
N= x x ×n = W W /n
直接细分： 直接细分也称为位置细分，常用细分数为4。实现方法有两种： 一是在一次相距B/4的位置安放四个光电元件，如图所示。
2.细分技术
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，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更 小的位移量，可采用细分技术。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，如一个周期内发出n个脉冲，从 而使分辨率提高到W/n。 在主光栅移动一个栅距过程中，产生n个彼此相位差360°/n的正弦 n 360 /n 交流信号 ： x 360o
3、莫尔条纹的形成与特点
光栅式传感器的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量 的。 1）莫尔条纹的形成 主光栅与指示光栅的栅线之间保持很小的夹角β，在近乎垂直栅线 的方向上出现了明暗相间的条纹――莫尔条纹。
β
W
主光栅
a b a' b'
指示光栅
a b a' b' H
图中在a－a线上两 光栅的暗条重合， 光线可从其缝隙中 透过，形成亮带； 在b－b线上，两光 栅的暗条彼此错开， 挡住了光线通过， 形成暗带。
3、光电转换电压与光栅位移的关系 一般认为主光栅沿x轴移动时，莫尔条纹沿y轴移动。
当两块光栅相对移 动时，光电元件上 的光强随莫尔条纹 移动而变化，如图 所示。在a位置，两 块光栅刻线重叠， 透过的光最多，光 强最大；
正 正正 输 输输 输 u o Um
负正正
正 正正
Uo a b c d e f g 位位 x
循环码盘 R1R2…Rn（循环码） 分21 个黑白间隔, 对应 R-1分21 个黑白间隔，对应 R2 分 2i-1 个 黑 白 间 隔 ， 对 应Ri 第 i道 黑 白 分 界 线 与 第 i+1 道 黑 白 分 界 线 错 开 180°/2i 优点：不产生粗误差
优缺点 分辨率
例如：C1 道刻偏到了a′a′，当码盘转动时，输出码就会从0111 变为1111然后再变到1000；反之，若 C1 到刻偏到了 a′′a′′ ，输 出码0111到1000中会出现错误数码0000。解决错误的最常用 的方法就是采用循环码技术。 C
第七章 数字式传感器
所谓数字式传感器，是指能把被测（模拟）量直接转换成 数字量输出的传感器。 数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点： 1)有高的精度和分辨率 2)有高的抗干扰性能和稳定性 3)便于信号处理和存储 4)易于实（2） （3） （4） 其中： 直接以数字量形式输出的传感器——绝对传感器； 以脉冲形式输出的传感器——增量编码器、感应同步 器、光栅和磁栅。 编码器：绝对编码器，增量编码器； 栅式数字传感器：光栅、磁栅； 感应同步器式的数字传感器； 频率输出式数字传感器。
o
②净转角 α 与计数结果N的关系
360° α = Nθ1 = N × m α N= ×m 360°
7.2 光栅与磁栅
光栅和磁栅可以统称为栅式传感器，它们是广泛用于测量位移以及 和位移有关的非电物理量。
7.2.1光栅 7.2.1光栅
光栅：是由很多等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的 光电器件。
i =1
C i 2 ni = 3 6 0 °
∑
n
i =1
C i 2 i
2、二进码与循环码的转换
C1 = R1
Ri = Ci ⊕ Ci1 Ci = Ri ⊕ Ci1
3、转换电路 1）二进制码转换为循环码
C1C2C3C4……Cn
⊕
C1C2C3……CnC1C2C3……Cn-1 R1R2R3R4……Rn
因而从每个光电元件获得相位依次相差 900 的四个正弦信号，用鉴 零器分别鉴取四个信号的零电平，即在每个信号由负到正过零点时 发出一个计数脉冲，这样，在某尔条纹的一个周期内将产生四个计 数脉冲，实现了四倍频细分。
另一种实现方法是在相距B/4的位置上，安放两个光电元件，首先 获得相位相差 900 的两个正弦信号 u1 和 u2 ，然后分别通过各自的 反相电路获得与 u1 和 u2 相位相反的两个正弦信号 u3 和 u4 ，这 样就得到相位依次相差 900 的四个正弦信号。同理，经鉴零器也可 以在移动一个栅距过程中，得到四个等间隔的计数脉冲，从而达到 细分的目的。
u = U 0 + U m cos(2π x / W )
上式表明了光电元件的输出与光栅位移x的关系。主光栅移动一个 栅距W，光电转换电压变化一个周期。
二、数字转换原理
1.辨向原理
由上分析已知，光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就 成了电信号的输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动， 莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号，则只能 用于计数，无法辨别光栅的移动方向。为了能够辨向，需要有相位 差为π/2的两个电信号。再把这两个信号送到图7-1-8所示的辨向电 路，就可以测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。
R1 = C1 Ri = Ci ⊕ Ci1
2）循环码转换为二进制码
⊕
R1R2R3R4……Rn C1C2C3……Cn-1 C1C2C3C4……Cn
触发器先清零，J=K=Ri ，
Q = Ci = Ri Ci1 + Ri Ci1 = Ci1 ⊕Ri
7.1.2增量编码器 7.1.2增量编码器
增量编码器的输出是脉冲形式，故又称为脉冲盘式数字传感 器。 一、结构与工作原理 1．组成结构 ①光源 ②码盘 三个码道： 1°零位码道A—1条透个狭缝 2°增量码道B—m个透光不透光扇区 3°辨向码道 C—m个透光不透光扇区 （B、C全错开半个扇区） ③光电元件三个——与三个码道对应
2．工作原理 增量码道和辨向码道都等角距 地分布着m个透光和不透光地 扇形区，故每个扇形区对应的 o 角度为 360 / m ，而增量码道 和辨向码道的透光和不透光恰 好错开半个扇形区，对应的角 度为 360o / 4m = 90o / m 。 扇形区的多少决定了增量编码器的分辨率： θ