第十一章 数字式传感器精品PPT课件
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《数字式传感器》PPT课件 (2)
数，则上式为
(
单根振弦测压力时的非线性误差d 为
(
为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两 弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个 弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦 的频率差，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为 减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。
振弦式加速度传感器结构原理图示于图8-15中，1
缺点： 要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期 长，成本较高,价格贵。另外，其输出频率与被测 量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保 证良好的精度。
10.1 原理与类型
种类： 按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原 子的三类。
这里分析机械式谐振传感器。
10.1 原理与类型
工作核心： 将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中 振动部分被称为振子。
应用： 测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、 液位等。 它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、 石油等行业中。
机械振子的基本类型
振弦式
振筒式
振梁式
差动式振弦传感器原理
精选ppt
13
电流法电路
1.基本原理
振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下
式表示 (
式中：k ──振子材料的刚度；me──振子的
故
项可忽略。
当由系上数式可a和得b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，
式中:
──压差灵敏度系数，与振筒的
材料性质及尺寸有关；
r、h、 、E ──振筒的内半径、厚度、泊松
比、弹性模量。
可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频
率之间近似成抛物线关系。
由上式得到
因为 f/f0< < 1，相比之下( f/f0)2可
(
单根振弦测压力时的非线性误差d 为
(
为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两 弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个 弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦 的频率差，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为 减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。
振弦式加速度传感器结构原理图示于图8-15中，1
缺点： 要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期 长，成本较高,价格贵。另外，其输出频率与被测 量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保 证良好的精度。
10.1 原理与类型
种类： 按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原 子的三类。
这里分析机械式谐振传感器。
10.1 原理与类型
工作核心： 将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中 振动部分被称为振子。
应用： 测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、 液位等。 它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、 石油等行业中。
机械振子的基本类型
振弦式
振筒式
振梁式
差动式振弦传感器原理
精选ppt
13
电流法电路
1.基本原理
振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下
式表示 (
式中：k ──振子材料的刚度；me──振子的
故
项可忽略。
当由系上数式可a和得b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，
式中:
──压差灵敏度系数，与振筒的
材料性质及尺寸有关；
r、h、 、E ──振筒的内半径、厚度、泊松
比、弹性模量。
可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频
率之间近似成抛物线关系。
由上式得到
因为 f/f0< < 1，相比之下( f/f0)2可
传感器原理及应用PPT教程课件专用
湿度传感器
湿度传感器能够监测室内湿度变化，与加湿器、除湿器等设备配合，保持室内湿度在适宜 范围内，避免潮湿或干燥对家居环境和人体健康的影响。
光照传感器
光照传感器能够感知室内光线强弱，与照明设备联动，实现室内光线的自动调节。同时， 还可用于窗帘、百叶窗等设备的自动控制，提高室内采光效果。
未来发展趋势预测
传感器应用领域
医疗领域
用于监测人体生理参数，如体 温、血压、心率等，以及医疗 设备中的控制和检测。
智能家居
用于实现家庭环境的智能化控 制，如温度控制、照明控制等。
工业自动化
用于检测和控制生产过程中的 各种参数，如温度、压力、流 量等。
环保领域
用于监测大气、水质等环境参 数，为环境保护提供数据支持。
传感器与通信接口的电路 设计
介绍传感器与通信接口之间的 电路设计，包括信号调制、解 调、编码、解码等。
接口电路设计的实例分析
通过具体案例，分析接口电路 设计的实现过程及效果。
06 传感器在物联网和智能家 居中应用展望
物联网中传感器作用及发展趋势
物联网中传感器的作用
物联网中的传感器是实现万物互联的基础， 它们能够感知和测量各种物理量，如温度、 湿度、压力、光照等，并将这些数据转换为 可处理和传输的数字信号，为物联网应用提 供实时、准确的数据支持。
新型传感器的研发
针对特定应用场景和需求，未来将研发更多新型传感器。例如，柔性传感器、生物传感器、化学传感器 等，它们将具有更高的灵敏度、选择性和稳定性，为物联网和智能家居等领域的发展提供有力支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
牌和型号。
注意传感器的尺寸、重量、 安装方式等是否符合应用场
湿度传感器能够监测室内湿度变化，与加湿器、除湿器等设备配合，保持室内湿度在适宜 范围内，避免潮湿或干燥对家居环境和人体健康的影响。
光照传感器
光照传感器能够感知室内光线强弱，与照明设备联动，实现室内光线的自动调节。同时， 还可用于窗帘、百叶窗等设备的自动控制，提高室内采光效果。
未来发展趋势预测
传感器应用领域
医疗领域
用于监测人体生理参数，如体 温、血压、心率等，以及医疗 设备中的控制和检测。
智能家居
用于实现家庭环境的智能化控 制，如温度控制、照明控制等。
工业自动化
用于检测和控制生产过程中的 各种参数，如温度、压力、流 量等。
环保领域
用于监测大气、水质等环境参 数，为环境保护提供数据支持。
传感器与通信接口的电路 设计
介绍传感器与通信接口之间的 电路设计，包括信号调制、解 调、编码、解码等。
接口电路设计的实例分析
通过具体案例，分析接口电路 设计的实现过程及效果。
06 传感器在物联网和智能家 居中应用展望
物联网中传感器作用及发展趋势
物联网中传感器的作用
物联网中的传感器是实现万物互联的基础， 它们能够感知和测量各种物理量，如温度、 湿度、压力、光照等，并将这些数据转换为 可处理和传输的数字信号，为物联网应用提 供实时、准确的数据支持。
新型传感器的研发
针对特定应用场景和需求，未来将研发更多新型传感器。例如，柔性传感器、生物传感器、化学传感器 等，它们将具有更高的灵敏度、选择性和稳定性，为物联网和智能家居等领域的发展提供有力支持。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
牌和型号。
注意传感器的尺寸、重量、 安装方式等是否符合应用场
《数字式传感器》课件
未来数字式传感器将进一步实现多功能化和集成化，能够同时测量多个物理量，并与其他设备集成在一起。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。
数字式传感器PPT课件可编辑全文
dx W
W
(10-4)
由上式可见，当2x/W=n，即x=W/2、W、3W/2、…
时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为
Ku =2Um/W
(10-5)
可编辑
10
10.1 光栅传感器
10.1.2.2 辨向原理
计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。
图10-4 光栅辨向原理图
可编辑
11
10.1 光栅传感器
可编辑
9
10.1 光栅传感器
•光栅传感器测位移x的原理： 当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周 期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉 冲，则位移量x为
x=NW 式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。
•输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为
(10-3)
duo 2Um sin 2x
将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为
(10-16)
eo
Eo
sin t
2
x
(10-17)
这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化
的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。
可编辑
30
10.2 磁栅传感器
10.2.3磁栅传感器的特点和误差分析
•磁栅传感器录制的磁信号的空间波长稍大于计量光栅 的栅距W；
可编辑
7
10.1 光栅传感器
10.1.2 光栅传感器的测量电路
10.1.2.1 光栅的输出信号
主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在
固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电
信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关 系。
《智能传感器》PPT课件
（11-7） （11-8）
精选课件ppt
34
11.5.3 非线性补偿技术
二次曲线差值法
若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大， 则两插值点之间的曲线将很弯曲，如图11-14所示。这时 若仍采用线性插值法，误差就很大。可以采用二次曲线插 值法，这是通过曲线上的三个点作一抛物线（图中的实 线），用此曲线代替原来的曲线。
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9
11.2.1 非集成化实现
非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化 工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电 路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个 智能传感器系统。其框图如图11-4所示。
图11-4 非集成式智能传感器外壳
这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的
精选课件ppt
37
11.5.3 非线性补偿技术 （二）对分搜索法
在实际应用中，很多表格都很长，且难以用计算查表法进行查找， 但是这种表格一般都满足从大到小（或从小到大）的顺序。对于这 种表格可以采用对分搜索法进行查找。
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24
11.4.3 A/D转换器的选择 A/D转换器的种类很多，主要有比较型和积分型两大类，其 中常用的是逐次逼近型、双积分型和V-F转换器。 虽然芯片繁多，性能各异，但从使用角度看，其外特性不外乎 有以下四点：
模拟信号输入端 数字量的并行输出端； 启动转换的外部控制信号； 转换完毕同转换器发出的转换结束信号。
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17
11.2.4 集成化智能传感器的几种模式
中级形式/自立形式
中级形式是在组成环节中除敏感单元与信号调理电路外， 必须含有微处理器单元，即一个完整的传感器系统封装在 一个外壳里的形式。
第11章 传感器的标定讲解
第11章 传感器的标定
传感器的静态特性标定
1.静态标定条件
（205）℃；≤85%RH；（76060）mm汞柱
2.标定仪器设备（标准量具）精度等级的确定
●标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级； ●附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。
3.静态特性标定方法——比较法
●创造一个静态标准条件； ●选择标准量具； ●标定步骤： 全量程等间隔分点标定； 正、反行程往复循环一定次数逐点标定（输入标准量，测试 传感器相应的输出量）； 列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特性曲线； 数据处理获取相应的静态特指标。
F P S
定
§11-2 压力传感器的动态标定
传感器的动态特性取决于什么？
传感器的动态模型，即阶数以及τ，ξ,ω等
幅频特性、相频特性
阶跃响应
各种已知频率的正 弦信号激励试验
阶跃信号激励试验
19
这种方法的缺点是标定频率低(低于500 Hz)， 标定装置制作困难，应用受到限制。
气压表 泄气门 膜片 侧面被标定的传感器 底面被标定的传感器 高压室 低压室 测速压力传感器 测速 前置级 数字 频率计 测压 前置级 记录 装置
§11-2 压力传感器的动态标定
气源
25
第11章 传感器的标定
激波管法
原理：标定时根据要求对高、低 压室充以不同的压缩空气，低压 室一般为一个大气压力，对高压 室则充以高压气体。当高、低压 室的压力差达到一定值时膜片破 裂，高压气体迅速膨胀冲入低压 室,从而形成激波。 这个激波的波阵面压力保持恒定， 接近理想的阶跃波，并以超音速 冲向被标定的传感器。
第11章 传感器的标定
1. 实验确定一阶传感器时间常数的方法
《数字式传感器》PPT课件
Ussinωt和uc＝Ucsinωt，则定尺上的感应电势es和ec 可用下式表达：
其中：K——耦合系数； θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁， 其输出信号的处理方式有: 1.鉴相法 2.鉴幅法 3.脉冲调宽法 三种。
第10章 数字式传感器
鉴幅法测量系统
此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电 压幅值转换成数字量。
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
三、感应同步器的接长使用
感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静 态和动态测量。
在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常 用它作为测量元件。
与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要 求低，机械结构简单，接长方便。
目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误 差约为±0.5”。
第10章 数字式传感器
第二节 光 栅
光栅是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。按工作原理，有物理光 栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理 光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和 光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔 条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制 中。
第10章 数字式传感器
鉴相法
所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量 位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的 正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同， 但 相 位 差 为 V2 的 正 弦 激 磁 电 压 ， 即 us＝
Um·sinωt和uc＝Umcosωt。
第10章 数字式传感器
其中：K——耦合系数； θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁， 其输出信号的处理方式有: 1.鉴相法 2.鉴幅法 3.脉冲调宽法 三种。
第10章 数字式传感器
鉴幅法测量系统
此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电 压幅值转换成数字量。
第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器
三、感应同步器的接长使用
感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静 态和动态测量。
在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常 用它作为测量元件。
与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要 求低，机械结构简单，接长方便。
目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误 差约为±0.5”。
第10章 数字式传感器
第二节 光 栅
光栅是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。按工作原理，有物理光 栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理 光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和 光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔 条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制 中。
第10章 数字式传感器
鉴相法
所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量 位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的 正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同， 但 相 位 差 为 V2 的 正 弦 激 磁 电 压 ， 即 us＝
Um·sinωt和uc＝Umcosωt。
第10章 数字式传感器
数字式传感器PPT课件
(10-7)
电桥平衡条件
R2u1+R1u2=0 令 2x/W=，则式（10-6）改写为
u1=Umsin 和u2=Umcos ，代入上式，得
tan= R1/R2
（10-8）
R1/R2
x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/ 2
可编辑
图10-6
电阻电桥细分原理
15ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10.1 光栅传感器
细分。
可编辑
14
10.1 光栅传感器
（2）电阻电桥细分
图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所 示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载
电阻无穷大，则电桥输出电压uo为
uo
u1 R1 R2
R2
u2 R1 R2
R1
R2u1 R1u2 R1 R2
W
2 2
W
（10-1）
图10-2 光栅和横向
莫尔条纹
可编辑
6
10.1 光栅传感器
2. 莫尔（Moire）条纹的基本特性 （1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应 移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对 应关系； （2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间 距B，由B=W/知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于 此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移； （3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合 效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果； （4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分 技术，提高测量分辨率。
可编辑
7
10.1 光栅传感器
数字式温度传感器PPT课件
数字式温度பைடு நூலகம்感器
Digital temperature sensor
2021/7/24
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
2021/7/24
课程内容 Course Contents
2021/7/24
个人观点供参考，欢迎讨论
9~12位数字量方式串行传送
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20测温原理：
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20应用电路：
THANK YOU
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.2 DS18B20结构与特点
DS18B20结构：
DS18B20特点： （1）单总线接口实现双向通信 （2）测量温度范围为-55 ~+125℃ （3）支持多点组网功能 （4）掉电保护功能 （5）测量结果即可通过程序设定
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.1 数字式温度传感器分类
数字式温度传感器定义： 数字式温度传感器是一种直接将温度变化转换为数字信号，并通过 串行通信方式输出的传感器。 数字式温度传感器分类： 单总线数据格式 三总线数据格式 RS232\485\数据格式 CAN总线数据格式 ZIGBEE数据格式
Digital temperature sensor
2021/7/24
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
2021/7/24
课程内容 Course Contents
2021/7/24
个人观点供参考，欢迎讨论
9~12位数字量方式串行传送
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20测温原理：
1.3 DS18B20测温原理
DS18B20应用电路：
THANK YOU
2021/7/24
课程内容 Course Contents
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.2 DS18B20结构与特点
DS18B20结构：
DS18B20特点： （1）单总线接口实现双向通信 （2）测量温度范围为-55 ~+125℃ （3）支持多点组网功能 （4）掉电保护功能 （5）测量结果即可通过程序设定
1.1 数字式温度传感器定义 1.2 DS18B20结构与特点 1.3 DS18B20测温原理
1.1 数字式温度传感器分类
数字式温度传感器定义： 数字式温度传感器是一种直接将温度变化转换为数字信号，并通过 串行通信方式输出的传感器。 数字式温度传感器分类： 单总线数据格式 三总线数据格式 RS232\485\数据格式 CAN总线数据格式 ZIGBEE数据格式
数字式位置传感器 PPT课件
数，并设置了两组光敏元件A、B，有时
又称为sin、cos元件。
2018/6/23
20
辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上有 A 组与 B 组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节距，两组狭缝相对应 的光敏元件所产生的信号 A 、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时， A 信号超前 B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）
2018/6/23 2
1.直接测量
直接测 量的误差较 小。 图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
工作台
工作台运动方向
光栅
2018/6/23 3
2.间接测量
工作台 丝杠 x θ 进给电机
编码器
在间接测量 中，多使用旋转式 位置传感器。测量 到的回转运动参数 仅仅是中间值，但 可由这中间值再推 算出与之关联的移 动部件的直线位移 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿 条等传动机构。
4
2018/6/23
传动机构
齿距
齿轮
齿条
滚珠丝杠螺母 副、齿轮-齿条副 等传动机构能够 将旋转运动转换 成直线运动。但 应设法消除传导 过程产生的间隙 误差。
2018/6/23
x θ
5
滚珠丝杠螺母副
螺母 滚珠丝杠螺母 副能够将减小传 动磨檫力，延长 使用寿命，减小 间隙误差。
丝杠
θ x
2018/6/23
第十一章 数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置传
感器的结构、原理，如角编码器、光
栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器
等，并讨论他们在直线位移和角位移 中测量、控制的应用。
2018/6/23
第11章数字式传感器
a
b
W 图14.9 透射长光栅
2. 光栅测量原理
把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起， 中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小 的夹角θ，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明 暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d线上，两块 光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它 是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的栅 线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成 的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应 形成的。
电源线
复位 机构
图14.15 轴环式数显表外形
t
时钟
复位 控制逻辑
（a）脉冲频率法测转速
复位 脉冲间隔 控制电路 编码器脉冲
（b）脉冲周期法测转速
n N1 60 Nt
n 60 2N2 N T
11.3.2 计量光栅的应用
主光栅
透镜
发
指示光栅
光
放分整辨细计显
二
大相形向分数示
极
光电三极管
3
2
4
1
5
1—光 源 ； 2—透 镜 ； 3—标 尺 光 栅 ； 4—指 示
5—光 电 元 件
x
图11.11 光栅读数头结构示意图
莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间
的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从
最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一
个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条 纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于
正弦周期函数如以电压输出，即
uo
Uo
Um
sin
数字式传感器PPT课件
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数字转换原理
1．辨向原理
光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就成电信 号输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动， 莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号， 则只能用于计数，无法辨别光栅的移动方向。 为了能辨向，尚需提供另一路莫 尔条纹信号，并使两信号的相位 差为π/2。通常采用在相隔1／4 条纹间距的位置上安放两个光电 元件来实现，
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旋转式光电编码器
• 接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是 利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高， 可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动 控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人 都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转＞ 10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。
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数字测量系统
第15页/共81页
鉴相法测量系统
• 图10－9为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字 量。鉴相法测量系统通常由位移－相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。
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第17页/共81页
• 位移－相位转换的功能是通过感应同步器将 位移量转换为电的相位移。
号。
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第43页/共81页
．增量编码器
• 增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对 码盘码道的意义。
第44页/共81页
• 与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光 电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。
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数字转换原理
1．辨向原理
光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就成电信 号输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动， 莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号， 则只能用于计数，无法辨别光栅的移动方向。 为了能辨向，尚需提供另一路莫 尔条纹信号，并使两信号的相位 差为π/2。通常采用在相隔1／4 条纹间距的位置上安放两个光电 元件来实现，
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旋转式光电编码器
• 接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是 利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高， 可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动 控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人 都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转＞ 10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。
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数字测量系统
第15页/共81页
鉴相法测量系统
• 图10－9为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字 量。鉴相法测量系统通常由位移－相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。
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• 位移－相位转换的功能是通过感应同步器将 位移量转换为电的相位移。
号。
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．增量编码器
• 增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对 码盘码道的意义。
第44页/共81页
• 与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光 电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。
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螺距 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
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7
二、增量式和 绝对式测量
在增量式测量中，移动 部件每移动一个基本长度单 位，位置传感器便发出一个 测量信号，此信号通常是脉 冲形式。这样，一个脉冲所 代表的基本长度单位就是分 辨力，对脉冲计数，便可得 到位移量。
增量式测量得到的脉冲波形
绝对式测量的特点是：
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齿轮
齿条 x
θ
5
滚珠丝杠螺母副
螺母 滚珠丝杠螺母 副能够将减小传 动磨檫力，延长 使用寿命，减小 x 间隙误差。
丝杠
θ
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6
传动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈， 求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫 米？螺母的平均速度v又为多少？
m1
T
编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速
（r/min)为 ：n = 60m1/（NT）
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22
例题
m1Biblioteka T有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r， 在5s时间内测得65536个脉冲，则 转速（r/min)为 ：
n = 60 × 65536 /（1024 × 5） r/min
10
其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
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11
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
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12
一、绝对式编码器
绝对式编码器按照 角度直接进行编码， 可直接把被测转角用 数字代码表示出来。 根据内部结构和检测 方式有接触式、光电 式等形式。
每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式 来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前 位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
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8
第十一章：第二节 数字 式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
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9
其他角编码器外形
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19
辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有
A组与B组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节 距 ， 两 组 狭 缝 相 对 应 的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时，A信号超前B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）
24
T法测速举例
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频 率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：
编码器输出脉冲
若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间 值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移， 则该测量方式为间接测量。
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2
1.直接测量
直接测 量的误差较 小。
图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
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工作台 工作台运动方向
光栅
3
2.间接测量
第十一章 数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置传 感器的结构、原理，如角编码器、光 栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器 等，并讨论他们在直线位移和角位移 中测量、控制的应用。
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1
第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置 传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式 传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则 该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测 量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角 编码器、圆光栅、圆磁栅等。
360
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
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17
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
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光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上图 的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的 两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整 数，并设置了两组光敏元件A、B，有时 又称为sin、cos元件。
工作台 丝杠 进给电机 x
θ
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编码器
在间接测量 中，多使用旋转式 位置传感器。测量 到的回转运动参数 仅仅是中间值，但 可由这中间值再推 算出与之关联的移 动部件的直线位移 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿 条等传动机构。
4
传动机构 齿距
滚珠丝杠螺母 副、齿轮-齿条副 等传动机构能够 将旋转运动转换 成直线运动。但 应设法消除传导 过程产生的间隙 误差。
= 768 r/min
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T法测速（适合于低转速场合）
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知
频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
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在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
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20
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间 接测量直线位移外，可用于数字测速、工 位编码、伺服电机控制等。
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M法测速（适合于高转速场合）
透光区
不透光区
10码道光电绝对式码盘
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
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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
最小分辨角度为 α=360°/2n
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2．绝对式光电编码器
低位
高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
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绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度取决 于它所能分辨的最小角度，而这与码盘 上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度 及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
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增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及 分辨率为：