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第6章数字式传感器
第6章 数字式传感器
概述
第6章 数字式传感器
随着微型计算机的迅速发展和 广泛应用泛应用，信号的检测、 控制和处理已进入的数字化时 代。
概述
第6章 数字式传感器
目前，常用的数字式传感器有四大类：
➢ 栅式数字传感器； ➢ 编码器； ➢ 频率/数字输出式数字传感器； ➢ 感应同步器式的数字传感器。
6.2 光栅传感器
➢ 结构原理 ➢ 莫尔条纹 ➢ 常用光路 ➢ 辨向原理 ➢ 细分技术
第6章 数字式传感器
6.2 光栅传感器
什么是光栅？
第6章 数字式传感器
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。
a
b
a为栅线的宽度（不透光），b为
栅线间宽（透光）， a+b=W称为
码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转 换为数字编码。
目前，使用最多的是光电编码器。
一、光学码盘式传感器工作原理
6.1码盘式传感器
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。
一、光学码盘式传感器工作原理
6.1码盘式传感器
• 采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的 码盘组，则可大大提高分辨率，而且可以用
来测定转速。
应用
6.1码盘式传感器
光学码盘测角仪的原理图 1－光源 2－大孔径非球面聚光镜 3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
应用
6.1码盘式传感器
• 编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器总是希 望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当量变换电路。
循环码码盘
六 位 的 循 环 码 码 盘
二、码制与码盘
(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码； (2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同； (3)循环码为无权码； (4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，
不会产生粗误差。
三、循环码与二进制码之间的转换 6.1码盘式传感器
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。
二、码制与码盘
概述
第6章 数字式传感器
6.1 码盘式传感器
6.2 光栅传感器
6.3 感应同步器
6.4 振弦式传感器
6.1码盘式传感器
第6章 数字式传感器
编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：
脉 冲 盘 式 编 码 器(增 量 编 码 器) 编 码 器码 盘 式 编 码 器接触式编码器
（ 绝 对 编 码 器 ）电光磁电式式编编码码器器 脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数 字电路才可能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出 某种码制的数码。
6.1码盘式传感器
循环码转变为二进制码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制 码后再译码。
编码码盘
6.1码盘式传感器
单盘与多盘编码器:
• 单盘编码器: 全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方 便。但当位数要求增多的情况下，若要求具 有很高的分辨力，则制造困难，圆盘直径也 要大。
6.1码盘式传感器
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。
C1码道 C4码道
最内层2等分 外面层依次2倍等分
二、码制与码盘
6.1码盘式传感器
狭缝
C1码道 每个码道对应二 进制数的1位。
C4码道
例：假设狭缝方向如图所示， 则编码输出为：
C4C3C2C1 = 1110
二、码制与码盘
如：由二进制码0111过渡到1000时，即由7变 为8时，如果刻度机械加工误差，此时就可能会 出现8～15间的某个数字。
二、码制与码盘
消除粗大误差方法： 双读数头法。 循环码代替二进制码。
6.1码盘式传感器
双读数头法
二、码制与码盘
布局：最外层码道只有一个读数狭缝，其它码道都有两个
读数狭缝，它们对称的分布在OO线的两侧。第i个码道上
思考：
为 了 达 到 1″ 的 分 辨 率 ， 至少需要采用多少位的 码盘？
二、码制与码盘
6.1码盘式传感器
最小分辨率为:
1 360 /2n
二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应 于由零位算起的转角为：
n
C i 2 i11
i1
二、码制与码盘
6.1码盘式传感器
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。如果由于刻划 误差等原因， 某一较高位提前或延后改变， 就会造成粗误差。
4位二进制码与循环码的对照表
循环码与二进制码之间的转换关系：
Cn Rn
C
i
ห้องสมุดไป่ตู้
C i1
Ri
式中： R——循环码； C——二进制码。
或 Ri C i1 C i
n-常数，总位数
三、循环码与二进制码之间的转换
循环码与二进制码之间的转换电路：
6.1码盘式传感器
(a) 并行变换电路
(b)串行变换电路
三、循环码与二进制码之间的转换
2 双缝间距不超过： i2 1(i2~n)
双读数头法
二、码制与码盘
若 第 i 个 码 道 读 出 信 号 分 别 为 ： A i和 B i ，
若 第 i 1 码 道 示 数 为 C i 1 ,
若C i1
1,则Ci
Ai;
精度由最低位决定
若Ci1 0,则Ci Bi
双读数头法
二、码制与码盘
双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当 编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。
6.1码盘式传感器
狭缝
每个码道对应二
C1码道 进制数的1位。
C4码道 内层为高位，外 层为低位。
n位 (n个 码 道)的二进制 码盘具有2n中不同编码 ， 称其容量为2n。
最小分辨率为: 1 360 /2n
二、码制与码盘
6.1码盘式传感器
狭缝 最小分辨率为:
1 360 /2n
位数越多，可分辨 的角度越小。
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。
W
透射光栅示意图
目前常用的光栅每毫米刻成10、25、 50、 100、250条线条。
6.2 光栅传感器