第七章 数字式传感器

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
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。
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。
1
从编码技术上分析，造成错 码的原因是从一个码变为另 一个码时存在着几位码需要 同时改变。若每次只有一位 码改变，就不会产生错误。 而循环码的两个相邻数的码 变化只有一位码是不同的。
结论：直接编码器多采用循环码盘
三、转换关系和转换电路 1、转角与二进码转换
360° α = N θ1 = 2n
∑
n
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
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。
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)易于实现多路检测 5)可以减小读数误差
数字式传感器分类： （1） （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
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
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。
7.1 编码器
编码器按结构分： 直线式编码器——测长的直线式 旋转式编码器——测角的旋转式 旋转式编码器有两种——绝对编码器和增量编码器。 由于旋转式光电编码器是用于角位测量的最有效和最直 接的数字式传感器，故只介绍旋转式光电编码器。
7.1.1 直接编码器（绝对编码器） ——直接将角位移转换为2 ——直接将角位移转换为2进制数码
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。
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
α
α
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 二元码“1”和“0”。通过光电转换，码盘转角α转换成成一组 相应的n位二元码。
二、码制与码盘
码盘按其所用的码制可分为：二进制码盘、循环码盘、十进制 码盘、六十进制码盘等。 如图所示为一个四位二进制码 盘。最内圈码道为第一码道， 对应最高位C1，最外圈为第n 码道，共分成2n个亮暗间隔， 对应最低位Cn，n位二元码盘 的最小分辩力为
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
360 1 = m
2、光栅传感器的结构 光栅式传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件构成。
光源 2—聚光镜
3—主光栅
4—指示光栅
5—光电元件
（1）光源常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管。 （2）透镜的作用是把光源发出的光变成平行光，垂直投射到主光 栅上。 （3）主光栅又称标尺光栅，它有固定的光栅常数，亮条宽度和暗 条宽度。 （4）指示光栅比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样刻线密度 的条纹。 （5）光电元件常用光电池或光敏晶体管，在光电元件输出端常接 放大器，以获得尽可能大的信号输出，以提高抗干扰能力。
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)
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
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
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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
按原理和用途： 物理光栅：是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和 光波长等量的测量； 计量光栅：主要利用莫尔现象，测量长度、角度、速度、加速度、 振动等物理量。 本节主要讨论用于长度测量的幅值投射式计量光栅。 计量式光栅传感器：是利用两块光栅迭合时所形成的莫尔条纹来进 行检测或定位的一种脉冲输出数字式传感器。 光栅式传感器的优点： 1)精度高； 2)大量程测量兼有高分辨力； 3)可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化； 4)具有较强的抗干扰能力。
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。
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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