传感器原理及应用第三版第6章

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2n （
26 ? 64 ）
② 二进制码为有权码，编码若是 CnCn?1 ? ? C1 ，则对应于零位转
? 过的转角为 ：
n
Ci 2 i?1? 1
i?1
③ 码盘转动中，CK
若变化时，则所有
C
(
j
j
?
K
)应同时变化。
二进制码存在的问题：
① 提高分辨力困难。例如：二进制码盘，为了达到1〞左右的分辨力，需
倍，当位数很多时，光电元件位置安装困难。
〈2〉采用循环码码盘
右图为一个六位的循环码码盘，对于
n位的循环码码盘有下列特点：
上
① n位的循环码有2n种不同编码：
其容量为：2 n
下 对 称
最小分辨力：? 1
?
360 0 2n
最外圈角节距：4?1（比二进制大一倍）
② 循环码为无权码，Rn Rn?1 ? ? R1 不产生粗误差；
10 1× 0
01 ×1
0
01 1
10 1
11 00
Ci
因此就大大降低了粗误产生的概率，只要由刻划等因素造成的总
误差不超过相应码道（本码道） ai , bi 之间的间隔即可做到高位不出 现误差。由此可见，在不发生粗误差的前提下，整个编码器的精度
由它最低位（即C1 位码道）决定。双读数头的缺点是读数头多了一
C nCn?1C n? 2 ? ? C1
CnCn?1 ? ? C2
? ——————
二进制码 右移一位并舍去末位 不进位加法
Rn Rn?1Rn?2 ? ? R1
循环码
举例：
0110 ? 011
0101
十进制6 循环码6
② 逻辑运算：
Cn ? Rn
Ci ? Ci?1 ? Ri
Ri ? Ci?1 ? Ci
， 这种信号的不同组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表码盘 转角的大小。这就是码盘将轴的转角换成代码输出的工作过程。
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二、码制与码盘
右图是一个6位的二进制码盘，C 6 码道 （二进制数的最高位），一半透光，一
半不透光。最外圈称码道 C1（二进制数的
最低位），共分成 26 ? 64 个黑白间隔。
传感器原理及应用
第六章 数字式传感器
第6章 数字式传感器
前面几章介绍的传感器大部分是将非电量转换为电模拟量输出 ，直接配用模拟式仪表显示。这类模拟信号与电子计算机数字系 统配接时，必须先经过一套模数（A/D）转换装置。这样不但增加 成本，也增加系统复杂性，降低了系统可靠性和精度。
数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量输出，因此具有 下列优点：
6－1 码盘式传感器
码盘式传感器的核心部件是编码器，下图为光电绝对编码式码盘 (用于测量角位移)工作原理示意图。
一、工作原理
经光源1发出的光线，经柱面镜2后变成一束平行光照射到码盘上 。码盘3由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道。每条码道上有按 一定规律排列着的若干透光区和非透光区（或称亮区和暗区）。通 过暗亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在接收元件上 （光电元件），光电元件的排列与每条码道一一对应，当有光照射 时，对应亮区和暗区的光电元件的输出不同，前者为“1”后者为“0”
个间隔）；反之若暗区做得太
长，当狭缝处于A' A' 位置时，
就会将1000（十进制8）读成
0000（十进制0，也相等8个间
隔），这就是粗误差。
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消除粗误差的方法：
〈1〉采用双读数头法（见下图）
C1码道：仍只有一个读数狭缝，设在00位置；
C2码道：有两个读数狭缝 a2、b2 ，对称分布00两侧；
采用狭缝 a 或 b 的读数。
配合三个“与非”门组成的识别电路，即可实现下列的读数判别：
设第 i 码道 aibi 两狭缝读出的信号为Ai、Bi ；i ? 1 码道读数为Ci?1
若 Ci?1 ? 1 则 Ci ? Ai ；若 Ci?1 ? 0 则 Ci ? Bi
用低位值来
判读高位读 数
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若 Ci?1 ? 1 则 Ci ? Ai ；若 Ci?1 ? 0 则 Ci ? Bi
要采用20位以上的码盘，若码盘直径是400mm时，其外圈分度间隔仅1um左
右，这不仅要求刻划精确，而且要彼此对准，这在加工上非常困难。
②由于是有权码，所以存在粗误差。所谓粗误差参见下图所示，这是一个
四位二进制码盘展开图（图a)。当读数狭缝处于AA位置时，正确读，就会误读成1111（十进制15，相当8
③ 循环码码盘具有轴对称性，最高位相反，其余各相同；
④ 循环码码盘中两相邻区域，编码中只有一位生产变化，所以不
产生粗误差，因面获得广泛应用。
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三、二进制码与循环码的转换：
循环码不直观，不易处理，显示等，所以要经常转换成二进制码 ，其方法一般分为代数计算 ，逻辑运算和用门电路进行计算。
① 代数计算： （二进制→循环码）
2n
码盘的每一个角度间隔对应不同的编
码（后面有与之对应的光电接收元件）
，测量时，只要根据码盘的起始和终
止位置就可确定转动的角度，而与转动的过程无关。
二进制码盘具有如下特点：
① n位（n个码道）的二进制码盘具有 2 n 种不同编码
其容量为：
2n
最小分辨力：
?1
?
360 0 2n
最外圈角节距： 2?1
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③ 用门电路实现：
二进制→循环码
循环码→二进制
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四、应用简介
下图为光学码盘测角仪的原理图
光源1通过大孔径非球面聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码 盘3上，根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面对应码道的一 组光电元件5输出相应的信号，该信号经放大，鉴幅，整形后，再 经当量变换（使之成为直观便于显示的参数形式）最后进行译码 显示。
C3码道：有两个读数狭缝 a3、b3 ，对称分布00两侧； C4码道：有两个读数狭缝 a4、b4，对称分布00两侧； a ibi 间隔：小于本码道分度间隔的一半，即 ? 2i?2?1
这种分布使得两个对称的读数狭缝尽量远离变化交界处，但又不应
影响相邻码位，故两狭缝也不要超过2i? 2?1范围，等于最好。这种布局 是为了消除因加工误差带来的读数时产生的粗误差。测量时根据情况
① 精确度和分辨力高； ② 抗干扰能力强，适宜远距离传输； ③ 信号便于处理和存贮； ④ 可以减少读数误差；
但是目前数字式传感器的种类还不太多，本章重点介绍数字码 盘、光栅传感器和振弦式传感器几种
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第6章 数字式传感器
6－1 码盘式传感器 6－2 光栅式传感器 6－3 振弦式传感器
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