第十讲 几种常用的数字传感器.
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正向运动 产生 加法脉冲
正向 运动时， 与门IC2 无“减” 计数脉 冲输出。
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光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）
数显表
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二、编码器
编码器具有高精度、高分辨率和高可靠性，用于位移测量。
按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。 旋转式编码器有两种——增量编码器和绝对编码器 增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲 进行累计计数。
第十讲 常用的数字式传感器
学习几种常用数字式传感器的结构、原理， 如计量光栅、编码器，并讨论在直线位移和角 位移中测量、控制的应用。
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一、光栅
光栅式由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均
匀相间排列构成的光器件。
1、光栅的类型和结构 光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由 光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。 计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。
绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。 一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。最简单的
绝对编码器是接触式编码器
旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效、直接的数字
式传感器。
1、接触式编码器
码盘与被测的旋转轴相连,沿码
盘的径向安装几个电刷,每个电刷
与码盘上的对应码道直接接触，涂 黑部分为导电区，所有导电部分连 接在一起，接高电位，代表“1”， 空白部分表示绝缘区，为低电位,
代表“0”。每圈码道上都有一个
电刷,电刷经电阻接地。当码盘与 轴一起转动时,电刷上将出现相应 的电位,对应一定的数码
绝对式接触式编码器演示
4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入公共码道
若将两块光栅(主光栅、指 示光栅)叠合在一起，并使刻 线之间成很小的角度θ，如 右图所示。由于遮光效应， 两块光栅的刻线相交处形成 亮带，而在一块光栅的刻线 与另一块光栅的缝隙相交处 形成暗带，在与光栅刻线垂 直的方向，将出现明暗相间 的条纹，这些条纹就称为莫 尔条纹。
莫尔条纹 指示光栅
主光栅
指示光栅移 动方向
7
2、工作原理 光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学 玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线。常用的光栅每 毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅 长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a + b。 通常取a = b＝W /2。
4、细分技术
（1）直接细分 细分前 细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 细分后 脉 冲 的 频 率 提 高 了 4 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。 13
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3、光电转换 光栅传感器的光电转换 系统由聚光镜和光敏元件 组成，如右图 (a)所示。 当两块光栅作相对移动时 ，光敏元件上的光强随莫 尔条纹移动而变化。在a 处两光栅刻线重叠，透过 的光强最大，光电元件输 出的电信号也最大；c处 由于光被遮去一半，光强减小； d处的光全被遮去的成全黑，光强 为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因 而形成了如上图 (b)所示的输出波形。 光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：
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光栅的外形及结构
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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3
透射式光栅
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4
光栅及光栅传感器 1—光源 2—聚光镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件
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反射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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光栅与莫尔条纹示意图
如果改变θ角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知， 条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：
W tg 2 2 B
W
W
W
W
W
B
2
Байду номын сангаас
cos
2
W W 2 cos 2 2 W B 2 tg tg sin 2 2 2
W
当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿 着这两个光栅刻线夹角的平分线的方向移动，光栅每移动一个W， 莫尔条纹也移动一个间距B。 θ越小，B越大，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。通过光栅栅 距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹 移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。
莫尔条纹演示
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莫尔条纹光学放大作用
举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示 光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： B ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
则：
ui KiU m cos( i )
Ri tan i Ri
1 Ki cos i sin i
图12-6 电位器移相原理
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5、辨向电路及波形
如果传感器只安装一套光电元件，则 在实际应用中，无论光栅作正向移动还是 反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信 号，无法分辨位移的方向。 例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反 转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将 错误地得到14336个脉冲，而正确值为： (10－4)×1024＝6144个脉冲。
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光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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（二）电位器桥细分
若：
e1 Um cos , e2 Um sin
正向运动 产生 加法脉冲
正向 运动时， 与门IC2 无“减” 计数脉 冲输出。
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光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）
数显表
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二、编码器
编码器具有高精度、高分辨率和高可靠性，用于位移测量。
按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。 旋转式编码器有两种——增量编码器和绝对编码器 增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲 进行累计计数。
第十讲 常用的数字式传感器
学习几种常用数字式传感器的结构、原理， 如计量光栅、编码器，并讨论在直线位移和角 位移中测量、控制的应用。
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一、光栅
光栅式由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均
匀相间排列构成的光器件。
1、光栅的类型和结构 光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由 光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。 计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。
绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。 一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。最简单的
绝对编码器是接触式编码器
旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效、直接的数字
式传感器。
1、接触式编码器
码盘与被测的旋转轴相连,沿码
盘的径向安装几个电刷,每个电刷
与码盘上的对应码道直接接触，涂 黑部分为导电区，所有导电部分连 接在一起，接高电位，代表“1”， 空白部分表示绝缘区，为低电位,
代表“0”。每圈码道上都有一个
电刷,电刷经电阻接地。当码盘与 轴一起转动时,电刷上将出现相应 的电位,对应一定的数码
绝对式接触式编码器演示
4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入公共码道
若将两块光栅(主光栅、指 示光栅)叠合在一起，并使刻 线之间成很小的角度θ，如 右图所示。由于遮光效应， 两块光栅的刻线相交处形成 亮带，而在一块光栅的刻线 与另一块光栅的缝隙相交处 形成暗带，在与光栅刻线垂 直的方向，将出现明暗相间 的条纹，这些条纹就称为莫 尔条纹。
莫尔条纹 指示光栅
主光栅
指示光栅移 动方向
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2、工作原理 光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学 玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线。常用的光栅每 毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅 长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a + b。 通常取a = b＝W /2。
4、细分技术
（1）直接细分 细分前 细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 细分后 脉 冲 的 频 率 提 高 了 4 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。 13
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3、光电转换 光栅传感器的光电转换 系统由聚光镜和光敏元件 组成，如右图 (a)所示。 当两块光栅作相对移动时 ，光敏元件上的光强随莫 尔条纹移动而变化。在a 处两光栅刻线重叠，透过 的光强最大，光电元件输 出的电信号也最大；c处 由于光被遮去一半，光强减小； d处的光全被遮去的成全黑，光强 为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因 而形成了如上图 (b)所示的输出波形。 光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：
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光栅的外形及结构
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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透射式光栅
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光栅及光栅传感器 1—光源 2—聚光镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件
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反射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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光栅与莫尔条纹示意图
如果改变θ角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知， 条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：
W tg 2 2 B
W
W
W
W
W
B
2
Байду номын сангаас
cos
2
W W 2 cos 2 2 W B 2 tg tg sin 2 2 2
W
当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿 着这两个光栅刻线夹角的平分线的方向移动，光栅每移动一个W， 莫尔条纹也移动一个间距B。 θ越小，B越大，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。通过光栅栅 距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹 移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。
莫尔条纹演示
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莫尔条纹光学放大作用
举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示 光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： B ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
则：
ui KiU m cos( i )
Ri tan i Ri
1 Ki cos i sin i
图12-6 电位器移相原理
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5、辨向电路及波形
如果传感器只安装一套光电元件，则 在实际应用中，无论光栅作正向移动还是 反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信 号，无法分辨位移的方向。 例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反 转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将 错误地得到14336个脉冲，而正确值为： (10－4)×1024＝6144个脉冲。
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光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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（二）电位器桥细分
若：
e1 Um cos , e2 Um sin