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数字式传感器与模拟式传感器的区别数字式传感器的性能区别于模拟式汽车衡，主要有以下几点：(1)解决模拟式传感器信号弱的问题模拟式传感器的输出信号最大一般在几十毫伏，最低时只有百万分之几毫伏。
在电缆传输这些弱信号过程中，很容易受到干扰，从而造成系统工作不稳定或计量性能降低。
而数字式传感器的输出信号均在3～4V左右，其抗干扰能力远大于模拟信号的百万倍。
(2)解决射频干扰问题模拟式称重传感器的低电压信号极易受到电子干扰及其它天线电信号的干扰，而数字式称重传感器在设计时已考虑到这些抗干扰能力，它们可以在高干扰区域，并保证计量性能。
(3)解决防潮、防腐问题数字式传感器采用100%不锈钢焊接壳体。
密封、防水、防潮湿、防腐蚀，适用于各种恶劣工作环境，计量性能不受任何影响，防护等级达到IP68。
(4)解决防雷击问题数字式传感器具有防雷击和大电流放电能力，在室外安装使用时，这一点尤其重要。
METTLER-TOLEDO数字式汽车衡系统通过美国权威机构Lightning Technologies，INC的雷击测试。
(5)解决偏载/温度影响问题数字式称重传感器能自动补偿和调整因偏载和温度变化而产生影响。
(6)解决时间效应—蠕变问题当负荷时间加在-称重传感器上时，其输出常有较大变化，数字式称重传感器通过内部微处理器里的软件，自动补偿了蠕变。
(7)数字式汽车衡称重精度、稳定性和可靠性更高，减少模拟式汽车衡经常引起的误差由于经校正后的称重数据是以数字形式存储在每个传感器内部的，因此就减少了模拟信号引起的积累误差。
这些误差通常都是由于模拟信号在传输过程中由接头、接线排(端子)、电位器、开关及长电缆等因素造成的。
数字式称重传感器的补偿/修正参数存储在传感器内部的永久性存储器中，因此，省掉了开关/电位器等元器件。
(8)具有自诊断功能数字式传感器具有自诊断功能。
它不断对内部工作状况进行检测，当检测到出现故障时，会发出错误代码，这就大大降低了漏检故障的可能性，这也是模拟式称重传感器无法做到的。
第1篇传感器技术绪论1.传感器引言当我们看见“传感器技术”的时候，大多数同学都不陌生。
传感器已经渗透到了我们生活的各个层面。
看看下表，就知道了。
请同学们自己补充2-3项举例。
看来传感器技术确实是喜欢电子的人必不可少的一项技术。
那么，什么是传感器呢？就做电子技术的人来说，狭义上传感器是将被测量转换为电信号的一种器件或装置。
但是，我们看见上表中出现了体温计和血压计，很多同学认为它们并不是电信号输出。
实际上，国家标准GB7665-87对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。
现在电信号是最易于处理和便于传输的信号。
所以，我们可以暂时以电信号输出作为我们课程的学习对象的。
传感器也可以定义为是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
1.1人类进步发展与传感器在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。
在l8世纪产业革命以前，传感技术由人的感官实现：人观天象而仕农耕，察火色以冶铜铁。
从18世纪产业革命以来，特别是在20世纪信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官，即工程传感器来实现。
传感器的发展是推动人类进步的巨大力量。
传感器系统代替了人类实现了大量的自动化检测与控制，是把人从繁重的体力劳动中解放出来的关键器件。
那么，把它与人的感觉相比较可以帮助我们学习传感器更多知识。
1.2人的感官与传感器技术人类最早感受周围环境的变化是通过人体感知的，我们的耳可以听见声音、鼻可以闻到味道、眼可以看见周围环境、舌可以品尝各种味道、皮肤可以感受冷暖。
有人说传感器就是电五官，这是说如果将计算机比作人的大脑的话，那么传感器的地位和功能就相当于我们的身体。
文件No.PS※※-OMT0001CN-C数字式位置传感器ISA3-※※A/B-※·开关2输出型OUT1：距离检测OUT2：压力检测 or 距离检测二选一使用前 安全注意事项 2关于产品 产品特征 7型式表示·型号体系 8 产品各部分名称及功能 14规格15规格表(ISA3) (15)规格表(减压阀) (17)规格表(2通电磁阀) (17)特性图 (18)外形尺寸图 (21)设置方法 安装.设置28配管方法 (28)设置方法 (31)配线方法 (36)构成图 (41)使用方法 设定方法概要 44测量模式 (45)临界值的设定 47 OUT1：临界值、OUT2：压力设定值变更模式 (47)OUT1出厂时的设定状态 (47)OUT2出厂时的设定状态 (48)设定前的准备 (49)设定方法 (49)功能设定 50功能选择模式 (50)出厂时的设定状态 (50)键盘锁定(设定密码) 64故障时 维护 65忘记密码的情况 66故障一览表67报警显示 (68)供给压力和显示的关系 (69)安全注意事项此处所示的注意事项是为了确保您能安全正确地使用本产品，预先防止对您和他人造成危害和伤害而制定的。
这些注意事项，按照危害和伤害的大小及紧急程度分为“注意”“警告”“危险”三个等级。
无论哪个等级都是与安全相关的重要内容，所以除了遵守国际规格(ISO/IEC)、日本工业规格(JIS)※1)以及其他安全法规※2)外，这些内容也请务必遵守｡*1) ISO 4414: Pneumatic fluid power -- General rules relating to systemsISO 4413: Hydraulic fluid power -- General rules relating to systemsIEC 60204-1: Safety of machinery -- Electrical equipment of machines (Part 1: General requirements) ISO 10218: Manipulating industrial robots-SafetyJIS B 8370: 空气压系统通则JIS B 8361: 油压系统通则JIS B 9960-1: 机械类的安全性-机械的电气装置（第1部：一般要求事項)JIS B 8433: 产业用操作机器人-安全性等*2) 劳动安全卫生法 等注意 误操作时，有人员受伤的风险，以及物品损坏的风险｡警告 误操作时，有人员受到重大伤害甚至死亡的风险。
数字式光纤传感器的工作原理
数字式光纤传感器是一种利用光纤进行数据传输的新型测量传感器。
它包括一组由光纤、光电转换器和数字信号处理部件组成的传感器头。
它是一种低成本、灵敏度高、扩展容易的传感器，在量测位移、温度、压力和湿度等参数时非常有效。
它的工作原理是：
首先，当传感器头所测量的物质的参数的改变时，可以影响光纤中的光脉冲的强度，从而改变光纤内的信号。
其次，光脉冲通过光纤传输到光电转换器，并转换为电脉冲，然后进行数字信号处理，从而得到物质参数的数值。
最后，它们将该数值作为物质参数的输出，最终得到测量值。
数字式光缆传感器具有多路信号输入/输出功能，可以快速传输数据，适应不同的工业环境。
作为测量传感器的一种，数字式光纤传感器具有精确的测量性能，可以克服由于抗干扰能力差而引起的问题，非常适合在恶劣环境中工作。
它的优势在于结构紧凑，抗干扰性强，可扩展性高，成本低，能够用于工业过程或科研仪器等许多领域。
数字式光纤传感器既可以在传统的测量应用中体现出良好的性能，也可以在新兴应用领域取得成功。
它可以在特定的场合取得相当出良的性能，是一种低成本、敏感度高、方便使用和操作的传感器。
数字式传感器随着科学技术的发展，目前在工业、农业、医学、宇航、商业等领域中已广泛使用各种数字显示的非电量检测装置。
在机械制造工业中应用得比较成熟的是光栅、磁栅、感应同步器等为传感元件的数字测量仪器。
这些数字式测量仪器具有检测精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用方便等忧点，这将在本章中予以叙述。
一、转角—数字式传感器1．光电脉冲盘式转角—数字转换器光电脉冲盘式转角—数字转换转是将转动物体的转角换成电脉冲的变换器。
它的结构形式如图1所示。
它由光源、转动圆盘、透镜、光敏元件及有关电路组成。
在转动圆盘边缘上开等角距的孔或采用光栅均可，视测量对象和要求而定。
开孔一般数量较少，精度较低。
对测量精度要求较高者，则采用光栅。
将圆盘安装在被测物体的转轴上，使其与被测物体一起转动。
光源发出的光经圆盘的孔或光栅透过，被光敏元件接收。
当圆盘转动时光源发出的光就经圆盘遮挡交替地照射到光敏元件上，经放大整形后，就有一个个脉冲输出。
转动角度越大，产生的脉冲个数越多。
经过计算脉冲个数，可测得转角的大小；经过电路的适当变换亦可测量转动物体的转速。
2．磁电式转角—数字转换器磁电式转角—数字转换器的结构如图2(a)所示。
此种结构形式多用于转速测量。
转子和定子均用工业纯铁做成，在它们的圆形端面上均匀地铣出等角距的槽子，使其成为齿状，如图2（b）所示。
在测量时，将转轴1与被测物转轴相连接，因而被测物就带动转子2转动。
当转子与定子的齿凸凸相对时，气隙最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁通最小。
这样定子不动而转子转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈6中感应出近似正弦波的电压信号。
该信号经整形后可变为脉冲输出。
输出脉冲的频率为Nnf60式中N为定子和转子端面的齿数，n为被测物体的转速。
当测得输出电脉冲频率f后，根据已知的N，可以求得转速n ，从而达到测量的目的。
3。
码盘式转角—数字转换器（1）接触式码盘如图3所示为一个四位接触式码盘。
涂黑部分为导电区，输出为“1”；空白部分不导电，输出为“0”。
所有导电部分连在一起，接高电位。
共有四圈码道，在每圈码道上都有且个电刷，电刷经电阻接地。
当码盘与被测物转轴一起转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定的数码，如表1所示。
图3 二进制码盘表1若采用n 位码盘，则能分辨的角度为n 23600=α位数n 越大，能分辨的角度越小，测量越精确。
二进制码盘很简单，但在实际应用中对码盘制作和电刷安装（或充电元件安装）要求十分严格，否则就会出现错误。
例如，当电刷由位置h(0111)向位置i(1000)过渡时，如电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8至15之间的任意一个十进制数，这种误差称为非单值性误差。
为了消除非单值性误差，可采用循环码盘，其结构如图4所示。
它的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，因此即使安装制作有误差，产生的误差最多也只是最低位的一位数。
图4四位循环码盘表2是十进制、二进制及四位循环码对照表表2由于循环码的各位没有固定的权，码盘的输出需要转换成二进制码。
用R表示循环码，用C表示进制码。
二进制码转换成循环码的法则是：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，所得的结果就是循环码。
由循环码变二进制码的关系式为或如上例，若循环码为1100，对应的二进制码为1000，演算过程如下：循环码盘输出的循环码是通过电路转换为二进制码的。
图5是用与非门构成的四位并行循环码—二进制码转换器。
它的优点是转换速成度快，缺点是用元件较多。
图6是串行转换器，它是由四个与非门组成的不进位加法器和一个JK触发器组成。
它的优点是结构简单，但转换速度较慢。
图5并行循环码—二进制码转换电路图6串行循环码—二进制码转换电路（2）光电式码盘码盘是用透明及不透明区按一定编码构成。
码盘上的码道条数就是数码的位数。
对应每一条码道有一个光电转换元件。
当码盘处于不同角度时，光电转换器的输出呈现出不同的数码，如图7所示。
（3）电磁式码盘它是在导磁体（软铁）圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，使导磁性有的地方高有的地方低。
再用一个很小的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流激励。
由于副边感应电势与整个磁路磁导有关，因而可以区分出码盘随被测物体所转动的角度。
二、光栅式传感器计量光栅广泛用于测量技术中，它可以测量直线位移和转角位移。
1。
光栅结构计量光栅是在透明的玻璃上均匀地刻线条，或是在不透明但具有强反射能力的基体上均匀地刻划间距、宽度相等的条纹。
使用的透明材料一般是主光栅用普通工业用白玻璃，而指示光栅最好用光学玻璃；非透明材料基体一般用不锈钢。
根据用途不同，光栅做成长光栅和圆光栅两种。
光栅根据刻划的形式不同分为黑白光栅（或叫幅值光栅）和相位光栅（或叫镜型光栅）。
按光栅的光线走向又可分为透射光栅和反射光栅两种。
（1）长光栅如图8（a）所示为透射长光栅结构示意图。
将黑白光栅线纹放大，如图8（b）所示。
Age表示线纹宽，b表示刻线的间距，W为光栅节距（栅距）或称光栅常数，W=a+b。
计量光栅条纹密度一般为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜和250条/㎜四种。
（a (b)图8 透射长光栅图9所示为反射式相位光栅的线纹结构。
光栅的沟槽截面做成这种形状，其目的是使0次和1次衍射光的强度大约相等并且特别强。
这样就会增强莫尔条纹的反差，使光电元件得到较大的信号。
其斜面的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长来确定的。
这种光栅的线纹是直接刻制的，条纹密度一般为每毫米100～200条，刻线宽一般为0.4～7μm。
图9 反射式光栅线纹形状（a）不对称型（b）对称型（2）圆光栅图10为圆光栅的结构示意图。
圆光栅只有黑白透射光栅，整个圆周刻线数为2700～86400条，W=0.01～0.05㎜。
（a）(b) (c)图10圆光栅（a）结构图（b）径向光栅(c)切向光栅径向光栅可用于各种场合，切向光栅适用于精度要求较高的场合，因为采用整个光栅增均效应可减少光栅刻划安装误差的影响。
2．工作原理光栅传感器由光栅、光路和光电元件以及转换电路等组成。
下面以黑白透射光栅为例说明光栅传感器的工作原理。
如图11所示，主光栅与指示光栅之间的距离为d。
d应根据光栅的栅距来选择，对于每毫米25～100线的黑白光栅，指示光栅应置于主光栅的“费涅耳第一焦面上”，即λ2Wd=式中W 为光栅栅距，λ为有效光的波长，d为两光栅的距离。
图11黑白透射光栅光路采用一般的硅光电池，λ可取0.8μm，对于每毫米25条线的光栅，d=2㎜；对于每毫米100条线的光栅，d=0.125㎜；对于每毫米250条线的光栅，因为d太小，结构上不易保证，故很少使用。
指示光栅的线纹与主光栅的线纹相交一个微小的夹角，由于挡光效应（对线纹密度≤50条/㎜的粗光栅，衍射现象是次要的）或光的衍射（对线纹密度≥100条/㎜的细光栅）在与光栅线纹大致垂直的方向上，即两刻线交角的二等分线处，产生明暗相间的条纹。
这些条纹称为莫尔条纹，如图12所示。
图12光栅和横向莫尔条纹它有如下特征：（1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对光栅刻线的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响。
（2）（3）在两块光栅沿刻线垂直方向作相对移动。
莫尔条纹通过栅外固定点（装有光电元件的测量点）的数量则刚好与光栅移动的刻线数量相等。
光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向亦相反。
从固定点观察到的莫尔条纹光强的变化近似于正弦波变化，光栅移动一个栅距，光强变化一个周期，如图13所示。
图13光栅输出原理图（a ）几何干涉（挡光）原理 （b ）理想光栅亮度变化 （C ）光栅输出实际电压波形（4） 莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下：θθW WB H ≈=2sin 2式中BH 条纹间距；W 为光栅栅距；θ为两光栅线纹夹角。
从上式可以看出，θ越小，BH 越大，相当于把栅距扩大了θ1倍。
应用两块刻线数相同，切线圆半径分别为r1、r2的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹，如图14所示。
图14环形莫尔条纹其条纹间距BH 为：21r r WR B H +=通常r1=r2。
当主光栅移动一个栅距W 时，莫尔条纹就变化一个周期2π。
通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成近似于正弦波形的电信号。
电压小的相应于暗条纹，电压大的相应于明条纹。
它的波形可视为在一个直流分量上迭加一个交流量，即)2sin(0πWx U U U m += 式中W 为栅距，U0为电压直流分量，Um 为电压交流分量幅值，x 为主光栅与指示光栅间的瞬时位移，U 为输出电压。
从上式可见，输出电压反映了暧时位移大小。
当x 从0变化到W 时，相当于电角度变化了2π角度。
如采用50线/㎜的光栅，当光栅移动x ㎜，也就是移动了50x 条刻线，则指示了光栅上的莫尔条纹就移动了50x条。
将此条数用计数器记录下来，就可知道移动的相对距离。
上述光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。
为了便于计数和判断方向，需要加入整形和辨向电路。
