第11章数字式传感器
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11.2.1 1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细
小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不 透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称 光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用 的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。
第11章 数字式传感器
11.1 编码器 11.2 11.3 数字式传感器的应用
第11章数字式传感器
数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。 优点：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与
微机接口，适宜远距离传输。 两种类型： 以编码方式产生代码型的数字信号
也称为编码器。它输出的信号是数字代码，每一个代码对应一个输 入量的值。
第11章数字式传感器
3 2
N N S SN N S SN N SS
4 1 1— 磁 鼓 ； 2— 气 隙 ； 3— 磁 敏 传 感 部 件 ； 4— 磁 敏 电 阻 元 件
图11.6 磁编码器的基本结构
第11章数字式传感器
电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区 （导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马 蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接 触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激 励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转 化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非 磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分 状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。
第11章数字式传感器
2 45
1
3 1— 光 源 ； 2— 透 镜 ； 3— 码 盘 ； 4— 窄 缝 ； 5— 光电 元件组
图11.4 光电式编码器示意图
48 B
6
32 0 B
1
16 图14.5 六位二进制码盘
第11章数字式传感器
编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循 环码等。
对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光， 最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同 的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于 010111。这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置，就 可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码 盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n， 一个6位二进 制码盘， 其最小分辨的角度α≈5.6°。
图14.7 脉冲盘式编码器示意图
第11章数字式传感器
辨向原理
光敏元件1 光敏元件2
P1 P2 Q "1" P
放大整形 P1
P2
放大整形
加减控制线
D
可逆
计数
C
器
计数脉冲
Y
& P 延时
（a）辨向原理框图
正转
反转
P1
P2
Q "0" P
（b）波形图 图14.8 辨向原理
第11章数字式传感器
11.2 计量 光栅
要求较低，但成本较高。
，寿命长，工作可靠，对环境条件
第11章数字式传感器
11.1.2 脉冲盘式编码器
脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数 系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般 还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。
零位
外圈
内圈 光电 转换
零位脉冲 A相脉冲 B相脉冲
对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同 编码，最小分辨率α=360°/2n。
第11章数字式传感器
（3）
是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁 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，注塑成形； 另一种是在 铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。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。
接触式
电磁式 非接触式
光电式
直线式
编码器
增量编码器（脉冲盘式）
旋转式
绝对编码器（码盘式）
图14.1 编码器分类
第11章数字式传感器
11.1.1 码盘式编码器
(1)接触式编码器
电刷
48 C
6
20 212223
图14.2 四位二进制接触式编码器
32
0
C 1
16 图14.3 六位循环码盘
第11章数字式传感器
第11章数字式传感器
码制转换
Cn Bn Ci Bi Bi1(i0
n1)
二进制码： 0 1 1 0
0 1 1 循环码： 0 1 0 1
Bn Cn Bi Ci Bi1(i0
n1)
循环码： 0 1 1 0 0 1 0 二进制码： 0 1 0 0
第11章数字式传感器
（2）光电式编码器
第11章数字式传感器
采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能 造成读数的粗误差。 这主要是因为二进制码当某一较高的 数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。
为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码 是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有wenku.baidu.com位数码发 生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且 只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最 低位的一个比特。
输出计数型的离散脉冲信号
称为脉冲数字传感器。它输出的脉冲数与输入量成正比。如计量光 栅。
数字式传感器可用于测量位移（包括线位移和角位移）和计数。
第11章数字式传感器
11.1 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。
光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以 及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其 上刻有许多同心码道， 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光 部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮 区的光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 当 码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编 码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。
小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不 透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称 光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用 的光栅每毫米刻成25、50、 100、125、250条线条。
第11章 数字式传感器
11.1 编码器 11.2 11.3 数字式传感器的应用
第11章数字式传感器
数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。 优点：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与
微机接口，适宜远距离传输。 两种类型： 以编码方式产生代码型的数字信号
也称为编码器。它输出的信号是数字代码，每一个代码对应一个输 入量的值。
第11章数字式传感器
3 2
N N S SN N S SN N SS
4 1 1— 磁 鼓 ； 2— 气 隙 ； 3— 磁 敏 传 感 部 件 ； 4— 磁 敏 电 阻 元 件
图11.6 磁编码器的基本结构
第11章数字式传感器
电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区 （导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马 蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接 触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激 励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转 化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非 磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分 状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。
第11章数字式传感器
2 45
1
3 1— 光 源 ； 2— 透 镜 ； 3— 码 盘 ； 4— 窄 缝 ； 5— 光电 元件组
图11.4 光电式编码器示意图
48 B
6
32 0 B
1
16 图14.5 六位二进制码盘
第11章数字式传感器
编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循 环码等。
对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光， 最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同 的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于 010111。这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置，就 可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码 盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n， 一个6位二进 制码盘， 其最小分辨的角度α≈5.6°。
图14.7 脉冲盘式编码器示意图
第11章数字式传感器
辨向原理
光敏元件1 光敏元件2
P1 P2 Q "1" P
放大整形 P1
P2
放大整形
加减控制线
D
可逆
计数
C
器
计数脉冲
Y
& P 延时
（a）辨向原理框图
正转
反转
P1
P2
Q "0" P
（b）波形图 图14.8 辨向原理
第11章数字式传感器
11.2 计量 光栅
要求较低，但成本较高。
，寿命长，工作可靠，对环境条件
第11章数字式传感器
11.1.2 脉冲盘式编码器
脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数 系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般 还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。
零位
外圈
内圈 光电 转换
零位脉冲 A相脉冲 B相脉冲
对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同 编码，最小分辨率α=360°/2n。
第11章数字式传感器
（3）
是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁 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，注塑成形； 另一种是在 铝鼓外面覆盖一层粘结磁性材料而制成。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。
接触式
电磁式 非接触式
光电式
直线式
编码器
增量编码器（脉冲盘式）
旋转式
绝对编码器（码盘式）
图14.1 编码器分类
第11章数字式传感器
11.1.1 码盘式编码器
(1)接触式编码器
电刷
48 C
6
20 212223
图14.2 四位二进制接触式编码器
32
0
C 1
16 图14.3 六位循环码盘
第11章数字式传感器
第11章数字式传感器
码制转换
Cn Bn Ci Bi Bi1(i0
n1)
二进制码： 0 1 1 0
0 1 1 循环码： 0 1 0 1
Bn Cn Bi Ci Bi1(i0
n1)
循环码： 0 1 1 0 0 1 0 二进制码： 0 1 0 0
第11章数字式传感器
（2）光电式编码器
第11章数字式传感器
采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能 造成读数的粗误差。 这主要是因为二进制码当某一较高的 数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。
为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码 是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有wenku.baidu.com位数码发 生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且 只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最 低位的一个比特。
输出计数型的离散脉冲信号
称为脉冲数字传感器。它输出的脉冲数与输入量成正比。如计量光 栅。
数字式传感器可用于测量位移（包括线位移和角位移）和计数。
第11章数字式传感器
11.1 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。
光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以 及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其 上刻有许多同心码道， 每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光 部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮 区的光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 当 码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编 码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。