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1、第十一章 数字式传感器 随着计算机技术的迅速发展和广泛的渗透，对信号的检测、控制和处理，必然进入数字化阶段。 比较常用方法： 利用模拟式传感器和A/D转换器将信号转换成数字信号，然后由微机或其它数字设备处理。 优点：简便、适用。 缺点：A/D转换器的转换精度受到参考电压精度的限制而不可能很高，系统的总精度将受到限制。 一、定义 数字式传感器：一种能把被测模拟量直接转换成数字量的输出装置。,数字式传感器特点： 测量的精度和分辨率更高， 抗干扰能力更强，稳定性更好， 易于与微机接口， 便于信号处理和实现自动化测量。 二、编码器 （一）定义 将机械转动的模拟量转换为旋转角切割的数字信号以进行角位移检
2、测的传感器。 编码器主要分为：脉冲盘式，码盘式。 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。 码盘式编码器能直接输出某种码制的数码 。,编码器,脉冲盘式编码器,码盘式编码器（绝对编码器）,接触式编码器 电磁式编码器 光电编码器,这两种形式的数字传感器，由于它们的高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。 （二）码盘式编码器（绝对编码器） 将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统（如微机）联接。 按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种。后两种为非接触式编码器。,目前，使用最多的是光电编码器 。,1、接触式编码器 结构与工作原理 接触式编码器组
3、成：码盘，电刷 码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜泊板上，制作某种码制图形（如8-4-2-1码，循环码等）的盘式印刷电路板。,电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的某一数字编码输出。 下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构,一个四位8-4-2-1码制的编码器的码盘示意图。,四位二进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电阻接地，四个电刷沿某一径向安装。 涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位（“1”）。 空白处为绝缘区，为低电位（“0”）。 当码盘转动某一角度后，电刷就输出一个数码。 码盘转动一周电刷就输出16种不同的四位二进制
4、数码。,二进制码盘所能分辨的旋转角度为=360/2n； 若n=4，则=22.5； 位数越多，分辨的角度越小。 取n=8，则=1.4。 分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。 当n多到一定位数后，一般为n8，这种接触式码盘将难以制作。 8-4-2-1码制的码盘，由于正、反向旋转时，因为电刷安装不精确引起的机械偏差，会产生非单值误差。,例如: 当电刷由二进制码0111过渡到1000时，本来是7变为8； 如果电刷进入导电区或绝缘区先后不一致，可能会出现： 8到15之间的任一十进制数，产生“非单值误差”。 采用8-4-2-1码制的码盘，虽然比较简单， 对码盘的制作和安装要求严格，否则会产
5、生错码。 若使用循环码制即可避免此问题。 循环码的特点: 相邻两个数码间只有一位变化，避免了制造或安装不精确而带来的非单值误差。 由循环码的特点可知，即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一个bit。 采用循环码盘比采用8-4-2-1码盘的精度高。,（三）光电式编码器 接触式编码器的分辨率受电刷的限制，不可能很高。 光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平，所以它在自动控制和自动测量技术中得到了广泛的应用。 1、光电式编码器的结构和工作原理 光电编码器的最大特点：非接触式。 使用寿命长，可靠性高。 它是一种绝对编码器。即： 几位编码
6、器其码盘上就有几位码道。 编码器在转轴的任何位置都可以输出： 一个固定的与位置相对的数字码。,光电编码器的码盘：,在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形，几位编码器其码盘上就有几位码道。 在几个码道旁，装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷。 将接触式码盘上的高、低电位用光源代替。,当光源经光学系统形成一束平行光投射在码盘上时，转动码盘，光通过码盘的透光和不透光区，在码盘的另一侧就形成了光脉冲，脉冲照射在光电元件上就产生了与光脉冲相对应的电脉冲。 码盘上的码道数就是该码盘的数码位数。 由于每一个码位有一个光电元件，当码盘旋至不同位置时，各个光电元件根据受光照与否，就能将间断光转换
7、成电脉冲信号。,光电编码器的精度和分辨率取决于： 光码盘的精度和分辨率（取决于刻线数）。 光电编码器比接触式的码盘编码器精度要高很多个数量级。如果再进一步采用光学分解技术，可获得更多位的光电编码器。 光电编码器与接触式码盘编码器一样，通常采用： 循环码作为最佳码形，解决非单值误差的问题。 光电码盘的优点：没有触点磨损，允许高速转动。 缺点：其结构较为复杂，光源寿命较短。 （二）提高分辨率的方法插值法 为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法： 增加码盘的码道数，即增加刻线数。 当刻度数多到一定数量后，工艺就难以实现。,插值法设计思想： 19位光电编码器，若码盘已具有14条（位）码道，在14位码道
8、上增加一条专用附加码道。 附加码道的形状和光学的几何结构与前14位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦波输出，通过平均电路进一步处理，获得更理想的正弦和余弦信号。,附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成32个相移不同的正弦信号，每两个正弦信号之间的相位差为/16，各正弦波信号再经过零比较器转换为一系列脉冲。 通过插值器细分了附加码道的光电元件输出的信号，经过双稳触发器产生了附加的低位的5位有效数位，使编码器分辨率从2-14提高到2-19。,实例： 1、光电位移传感器的应用 要求：对物体位移的起始和终止点的位置进行准确测量。 传感器选
9、型：光电断续器 2、利用增量式光电编码盘测转速,特点：数据处理电路简单，检测精度高， 抗震性差，不耐冲击及振动。,增量式光电编码盘组成： 与电机同轴相连的码盘 码盘上有三圈透光细缝，A、B道细缝数相等，位置相错90电角度，输出波形为互错90的脉冲。第三圈只有一个细缝，码盘转一圈才有一个C脉冲。 由光敏元件构成的脉冲产生电路（产生测速脉冲） 电机正、反转的检测电路,利用码盘和接口电路可以计算转速。 测量方法： 脉冲积分法，脉冲间隔法 （1）脉冲积分法（M法） 在一定的采样间隔时间Ts内，将来自编码器的脉冲串用计数器累计，计算转速。 n=6000m/MTs m:在Ts时间内的脉冲数， M: 码盘每圈的脉冲数 脉冲积分法缺点： 低速时测速受到限制。 采用该方法可测平均转速。,（2）脉冲间隔法（T法） 在码盘2个脉冲的间隔Tw内插入已知频率的高频脉冲，计数脉冲个数，从而计算转速。 n=6000fc/MN fc : 插入高频脉冲的频率 M: 码盘每圈的脉冲数 N：在Tw时间内的高频脉冲个数 采用该方法可测瞬时转速。 脉冲间隔法缺点： 高速时上限测速受到限制。 解决方法： 若在大范围内测速，可采用分段方式，在高速使采用脉冲积分法，低速时采用脉冲间隔法。,