傳感器技術(shù)數(shù)字傳感器中英對照

傳感器技術(shù)數(shù)字傳感器中英對照第一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器:能把被測(模擬analog)量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字digital量輸出的傳感器數(shù)字式傳感器具有下列特點(diǎn)：1.具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；2.抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；3.信號易于處理、傳送和自動(dòng)控制；4.便于動(dòng)態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；5.安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。

第二頁，共七十五頁，2022年，8月28日10.1感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器(Inductosyn—InductiveSynchronizer)是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量(Displacementquantity)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(Digitalquantity)的傳感器。感應(yīng)同步器是一種多極感應(yīng)元件(Multipolesensingelement)，由于多極結(jié)構(gòu)對誤差起補(bǔ)償作用，所以用感應(yīng)同步器來測量位移具有精度高、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、接長便利等優(yōu)點(diǎn)。第一節(jié)感應(yīng)同步器

第三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器結(jié)構(gòu)組成第四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器基板(Foundation)上通過粘合劑(Adhesive)4粘有一層銅箔(Copperfoil)。銅箔厚度在0.lmm以下，通過蝕刻(etching)得到所需的繞組(Winding)3的圖形。在銅箔上面是一層耐腐蝕的絕緣涂層1。根據(jù)需要還可在滑尺表面再貼一層帶絕緣層的鋁箔(Aluminiumfoil)5，以防止靜電感應(yīng)(StaticInduction)。第五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器一、感應(yīng)同步器的工作原理定尺(Stationaryscale)中的感應(yīng)電勢隨滑尺(Slidingscale)的相對移動(dòng)呈周期性(Periodic)變化；定尺的感應(yīng)電勢(Inducedpotential)是感應(yīng)同步器相對位置的正弦函數(shù)(Sinefunction)。若在滑尺的正弦(Sine)與余弦(Cosine)繞組上分別加上正弦電壓us＝Ussinωt和uc＝Ucsinωt，則定尺上的感應(yīng)電勢es和ec可用下式表達(dá)：

其中：K——耦合系數(shù)(CouplingCoefficient)；θ——與位移x等值的電角度，θ＝2πx／W2第六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器對于不同的感應(yīng)同步器，若滑尺繞組激磁(Excitation)，其輸出信號的處理方式有:

1.鑒相法(PhaseDiscrimination)2.鑒幅法(AmplitudeDiscrimination)3.脈沖調(diào)寬法(ImpulseWidthModulation)

三種。第八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器所謂鑒相(PhaseDiscrimination)法就是根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來測量位移。采用鑒相法，須在感應(yīng)同步器滑尺的正弦和余弦繞組(Cosinewinding)上分別加頻率和幅值(Amplitude)相同，但相位差為π/2的正弦激磁電壓，即us＝Um·sinωt和uc＝Umcosωt。鑒相法(Phasediscriminationmethod)第九頁，共七十五頁，2022年，8月28日根據(jù)式（10－2），當(dāng)余弦繞組單獨(dú)激磁(Excitation)時(shí)，感應(yīng)電勢為

同樣，當(dāng)正弦繞組單獨(dú)激磁時(shí)，感應(yīng)電勢為

第10章數(shù)字式傳感器10-310-4第十頁，共七十五頁，2022年，8月28日

正、余弦繞組同時(shí)激磁時(shí)，根據(jù)疊加原理(SuperpositionPrinciple)，總感應(yīng)電勢為:

上式是鑒相法的基本方程。由式可知，感應(yīng)電勢e和余弦繞組激磁電壓之間相位差正比于定尺與滑尺的相對位移(Relativedisplacement)

。

第10章數(shù)字式傳感器10-5第十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器所謂鑒幅法就是根據(jù)感應(yīng)電勢的幅值來測量位移。若在感應(yīng)同步器滑尺的正弦和余弦繞組上分別加頻率和相位相同、但幅值不等的正弦激磁電壓，即和。則在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分別為

鑒幅法(Amplitudediscriminationmethod)第十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日根據(jù)疊加原理(SuperpositionPrinciple)

，感應(yīng)電勢為：（10－6）由上式可知，感應(yīng)電勢的幅值為KωUmsin（φ－θ），調(diào)整激磁電壓φ值，使φ＝2πx／W2，則定尺上輸出的總感應(yīng)電勢為零。激磁電壓的中值反映了感應(yīng)同步器定尺與滑尺的相對位置。式（10－6）是鑒幅法的基本方程。=第十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日3．脈沖調(diào)寬法(ImpulseWidthModulation)前面介紹的兩種方法都是在滑尺上加正弦激磁電壓，而脈沖調(diào)寬法則在滑尺的正弦和余弦繞組上分別加周期性方波(SquareWave)電壓，即其波形如圖10-8(a)所示。把us，uc分別用傅里葉級數(shù)展開(Fourierseriesexpansion)，可得第十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日感應(yīng)同步器若把us加到滑尺正弦繞組上，則定尺感應(yīng)電勢es應(yīng)為各次諧波所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢之和，即(10-7)(10-8)(10-9)第十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日感應(yīng)同步器若把uc加到滑尺余弦繞組上，同樣可得到定尺感應(yīng)電勢為各次諧波(Harmonic)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢之和，即(10-10)es、ec的波形均為一系列的尖脈沖，如圖10-8(b)。圖10-8波形圖（a）激磁方波電壓；（b）感應(yīng)電勢第十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日當(dāng)正弦、余弦繞組同時(shí)分別以us、uc激磁時(shí)，根據(jù)疊加原理，定尺中的總感應(yīng)電勢為e＝es＋ec。從上面的es、ec表達(dá)式中可知：感應(yīng)電勢除基波分量外，還含有豐富的高次諧波分量。若使用性能良好的濾波器濾去高次諧波，取出基波(FundamentalHarmonic)成分，這時(shí)可認(rèn)為感應(yīng)電勢為（10－11）它表明了滑尺、定尺間的相對位移與激磁脈沖的寬度之半φ的關(guān)系。第十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器當(dāng)用感應(yīng)同步器來測量位移時(shí)，與鑒幅法相類似，可以調(diào)整激磁脈沖寬度φ值，用φ跟蹤θ。當(dāng)用感應(yīng)同步器來定位時(shí)，則可用中來表征定位距離，作為位置指令，使滑尺移動(dòng)來改變θ，直到θ＝φ，即e＝0時(shí)停止移動(dòng)，以達(dá)到定位的目的。脈沖調(diào)寬法則在滑尺的正弦和余弦繞組上分別加周期性方波電壓,可認(rèn)為感應(yīng)電勢為第十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器二、數(shù)字測量系統(tǒng)鑒相法測量系統(tǒng)圖10－9為鑒相法測量系統(tǒng)的原理框圖。它的作用是通過感應(yīng)同步器將代表位移量的電相位變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。鑒相法測量系統(tǒng)通常由位移－相位轉(zhuǎn)換，模一數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)顯示三部分組成。第十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第二十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器位移－相位轉(zhuǎn)換的功能是通過感應(yīng)同步器將位移量轉(zhuǎn)換為電的相位移。模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要功能是將代表位移量θ（定尺輸出電壓的相位）的變化再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，其輸人來自經(jīng)放大、濾波、整形后的輸出信號e，以及相對相位基準(zhǔn)輸出信號θ’o。相對相位基準(zhǔn)（脈沖移相器）實(shí)際上是一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、它是把加、減脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為電的相位變化。模數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是鑒相器。第二十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器

由以上分析可見鑒相法測量系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，θ≈θ’，相位差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量。若將計(jì)數(shù)器置‘0’，則所在位置為“相對零點(diǎn)”。假定以此為基準(zhǔn)，滑尺向正方向移動(dòng)，Δθ的相位發(fā)生變化，θ與θ’之間出現(xiàn)相位差，通過鑒相器檢出相位差Δθ，并輸出反映θ’滯后于θ的高電平。該兩輸出信號控制脈沖移相器，使θ’產(chǎn)生相移，θ’趨近于θ。當(dāng)?shù)竭_(dá)新的平衡點(diǎn)時(shí)，相位跟蹤即停止，這時(shí)θ≈θ’。在這個(gè)相位跟蹤過程中，插人到脈沖移相器的脈沖數(shù)也就是計(jì)數(shù)脈沖門的輸出脈沖數(shù)，再將此脈沖數(shù)送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示，即得滑尺的位移量。另外，不足一個(gè)脈沖當(dāng)量的剩余相位差，還可以通過模擬儀表顯示。第二十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日鑒幅法測量系統(tǒng)此系統(tǒng)的作用是通過感應(yīng)同步器將代表位移量的電壓幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

圖10-10鑒幅法測量系統(tǒng)原理圖鑒相法和鑒幅法測量系統(tǒng)都是一個(gè)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，只是反饋量不同。在使用中，都受最大運(yùn)動(dòng)速度的限制，且后者的運(yùn)動(dòng)速度及精度都較前者低。第二十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器三、感應(yīng)同步器的接長使用感應(yīng)同步器可用于大量程的線位移和角位移的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量。在數(shù)控機(jī)床、加工中心及某些專用測試儀器中常用它作為測量元件。與光柵傳感器相比，它抗干擾能力強(qiáng)，對環(huán)境要求低，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，接長方便。目前在測長時(shí)誤差約為±1μm/250mm，測角時(shí)誤差約為±0.5”。第二十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日10.2光柵光柵(Raster/Grating)是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光器件。按工作原理，有物理光柵(PhysicalGrating)和計(jì)量光柵(MetricGrating)之分，前者的刻線比后者細(xì)密。物理光柵主要利用光的衍射(diffraction)現(xiàn)象，通常用于光譜分析和光波長測定等方面；計(jì)量光柵主要利用光柵的莫爾條紋(MoireStripes)現(xiàn)象，它被廣泛應(yīng)用于位移的精密測量與控制中。按應(yīng)用需要，計(jì)量光柵又有透射光柵(TransmissionRaster)和反射光柵(ReflectionRaster)之分，而且根據(jù)用途不同，可制成用于測量線位移的長光柵(直光柵)和測量角位移的圓光柵。第二節(jié)光柵

第二十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日光柵的結(jié)構(gòu)與測量原理

圖10-12光柵的莫爾條紋（a）光柵（b）莫爾條紋1-主光柵2-指示光柵莫爾條紋MoireStripes第二十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第二十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日

第三十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器光電轉(zhuǎn)換(Photoelectricconversion)為了進(jìn)行莫爾條紋(MoireStripe)讀數(shù)，在光路系統(tǒng)中除了主光柵(PrimaryRaster)與指示光柵(IndicationRaster)外，還必須有光源(Lightsource)、聚光鏡(CondensingLens)和光電元件(Photoelectriccomponent)等。圖10-13為一透射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖。主光柵與指示光柵之間保持有一定的間隙。光源發(fā)出的光通過聚光鏡后成為平行光(Parallellight)照射光柵，光電元件（如硅光電池）把透過光柵的光轉(zhuǎn)換成電信號。第三十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日光柵圖10-13透射式光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖1-主光柵2-指示光柵3-硅光電池4-聚光鏡5-光源圖10-13為一透射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖。主光柵與指示光柵之間保持有一定的間隙。光源發(fā)出的光通過聚光鏡后成為平行光照射光柵，光電元件（如硅光電池）把透過光柵的光轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)兩塊光柵相對移動(dòng)時(shí)，光電元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化。如圖10-14所示，第三十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日光柵在a位置，兩塊光柵刻線重疊，透過的光最多，光強(qiáng)最大；在位置c，光被遮去一半，光強(qiáng)減??；在位置d，光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。光柵繼續(xù)右移；在位置e，光又重新透過，光強(qiáng)增大。在理想狀態(tài)時(shí)，光強(qiáng)的變化與位移成線性關(guān)系。

但在實(shí)際應(yīng)用中兩光柵之間必須有間隙，透過的光線有一定的發(fā)散，達(dá)不到最亮和全黑的狀態(tài)；再加上光柵的幾何形狀誤差，刻線的圖形誤差及光電元件的參數(shù)影響，所以輸出波形是一近似的正弦曲線，如圖10-14所示。圖10-14光柵位移與光強(qiáng)、輸出信號的關(guān)系第三十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日光柵可以采用空間濾波(spatialfiltering)和電子濾波(electronicfiltering)等方法來消除諧波分量(harmoniccomponents)，以獲得正弦信號。光電元件的輸出電壓u（或電流i）由直流分量U0和幅值為Um的交流分量疊加而成，即（10-13）上式表明了光電元件的輸出與光柵相對位移x的關(guān)系第三十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)換(Digitalconversion)原理1．辨向原理(principleofdirectionjudgement)

光柵的位移變成莫爾條紋的移動(dòng)后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換就成電信號輸出。但在一點(diǎn)觀察時(shí)，無論主光柵向左或向右移動(dòng)，莫爾條紋均作明暗交替變化。若只有一條莫爾條紋的信號，則只能用于計(jì)數(shù)，無法辨別光柵的移動(dòng)方向。為了能辨向，尚需提供另一路莫爾條紋信號，并使兩信號的相位差為π/2。通常采用在相隔1/4條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件來實(shí)現(xiàn)，第三十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器2．電子細(xì)分(Electricsubdivision)高精度的測量通常要求長度精確到1～0.lμm，若以光柵的柵距作計(jì)量單位，則只能計(jì)到整數(shù)條紋。例如，最小讀數(shù)值為0.lμm，則要求每毫米刻一萬條線。就目前的工藝水平有相當(dāng)?shù)碾y度。所以，在選取合適的光柵柵距(Rasterspace)的基礎(chǔ)上，對柵距細(xì)分，即可得到所需要的最小讀數(shù)值，提高“分辨”能力。第三十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器四倍頻細(xì)分(Quadruplesubdivision)在上述“辨向原理”的基礎(chǔ)上若將u’2方波信號也進(jìn)行微分，再用適當(dāng)?shù)碾娐诽幚?，則可以在一個(gè)柵距內(nèi)得到二個(gè)計(jì)數(shù)脈沖輸出，這就是二倍頻細(xì)分。如果將辨向原理中相隔B／4的兩個(gè)光電元件的輸出信號反相，就可以得到4個(gè)依次相位差為π/2的信號，即在一個(gè)柵距內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號，實(shí)現(xiàn)所謂四倍頻細(xì)分。在上述兩個(gè)光電元件的基礎(chǔ)上再增加兩個(gè)光電元件，每兩個(gè)光電元件間隔1／4條紋間距，同樣可實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。這種細(xì)分法的缺點(diǎn)是由于光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不可能高，但它對莫爾條紋信號的波形沒有嚴(yán)格要求，電路簡單，是一種常用的細(xì)分技術(shù)第三十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器電橋細(xì)分(Bridgesubdivision)第三十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器用電橋細(xì)分法可以達(dá)到較高的精度，細(xì)分?jǐn)?shù)一般為12～60，但對莫爾條紋信號的波形幅值，直流電平及原始信號Umsinφ與Umcosφ的正交性(Orthogonality)均有嚴(yán)格要求。而且電路較復(fù)雜，對電位器(Potentiometer)、過零比較器(Zero-crossingcomparator)等元器件均有較高的要求。第三十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器如前所述，計(jì)量光柵測量位移最終是依靠數(shù)字轉(zhuǎn)換(digitalconversion)系統(tǒng)完成的，實(shí)質(zhì)上是由計(jì)數(shù)器(counter)對莫爾條紋計(jì)數(shù)。使用中，為了克服斷電時(shí)計(jì)數(shù)值無法保留，重新供電后，測量系統(tǒng)不能正常工作的弊病，可以用機(jī)械等方法設(shè)置絕對零位點(diǎn)(absolutezero)，但精度較低，安裝使用均不方便。目前通常采用在光柵的測量范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)固定的絕對零位參考標(biāo)志的方法——零位光柵(zerograting)，它使光柵成為一個(gè)準(zhǔn)絕對測量系統(tǒng)。第四十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第四十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日10.3編碼器編碼器(Encoder)以其高精度。高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測量。編碼器按照作用原理可分為：光電式(Photoelectrictype)、接觸式(Contacttype)和電磁式(Electromagnetictype)

。編碼器按結(jié)構(gòu)形式有直線式(Linear)編碼器和旋轉(zhuǎn)式(Revolving)編碼器之分。由于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是用于角位移測量的最有效和最直接的數(shù)字式傳感器，并已有各種系列產(chǎn)品可供選用，故本節(jié)著重討論旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。第三節(jié)編碼器第四十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器旋轉(zhuǎn)式編碼器有兩種——增量編碼器(IncrementalEncoder)和絕對編碼器(AbsoluteEncoder)增量編碼器與前面討論的數(shù)字式傳感器有類似之處。它的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)。最簡單的一種絕對編碼器是接觸式編碼器

絕對編碼器二進(jìn)制輸出的每一位都必須有一個(gè)獨(dú)立的碼道(Track)。一個(gè)編碼器的碼道數(shù)目決定了該編碼器的分辨力(Resolution)。第四十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第四十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器

從編碼(Encoding)技術(shù)上分析，造成錯(cuò)碼(Wrongcode)的原因是從一個(gè)碼變?yōu)榱硪粋€(gè)碼時(shí)存在著幾位碼需要同時(shí)改變。若每次只有一位碼改變，就不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)碼，例如格雷碼Graycode（循環(huán)碼Cyclicalcode）。格雷碼的兩個(gè)相鄰數(shù)的碼變化只有一位碼是不同的（見表10－1）。從格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件來完成。第四十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第四十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第四十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第四十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器旋轉(zhuǎn)式(Revolving)光電編碼器接觸式編碼器(ContactEncoder)的實(shí)際應(yīng)用受到電刷(Brush)的限制。目前應(yīng)用最廣的是利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器(ContactlessPhotoelectricEncoder)。由于其精度高，可靠性好，性能穩(wěn)定，體積小和使用方便，在自動(dòng)測量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前大多數(shù)關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人(JointIndustrialRobot)都用它作為角度傳感器。國內(nèi)已有16位絕對編碼器和每轉(zhuǎn)＞10000脈沖數(shù)輸出的小型增量編碼器產(chǎn)品，并形成各種系列。第四十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日1．絕對編碼器圖10-20光電絕對編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電編碼器的碼盤(CodeDisk)通常是一塊光學(xué)玻璃，碼盤與旋轉(zhuǎn)軸相固聯(lián)。玻璃上刻有透光(Nonopaque)和不透光(Opaque)的圖形。編碼器光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上，并與位于碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合。光學(xué)碼盤通常用照相腐蝕法(Photoetching)制作?，F(xiàn)已生產(chǎn)出徑向線寬為6.7×10ˉ8rad的碼盤，其精度高達(dá)1/108。第五十頁，共七十五頁，2022年，8月28日圖10-21具有分解器的19位光電編碼器該編碼器的碼盤具有14（位）內(nèi)碼道(Innercodetrack)和1條專用附加碼道(additionalcodetrack)。后者的扇形區(qū)(Fanshapedsector)之形狀和光學(xué)幾何結(jié)構(gòu)(Opticalgeometricstructure)稍有改變，且與光學(xué)分解器的多個(gè)光敏元件相配合，第五十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日編碼器其能產(chǎn)生接近于理想的正、余弦波輸出；并通過平均電路進(jìn)行處理，以消除碼盤的機(jī)械誤差，從而得到更為理想的正弦或余弦波。對應(yīng)于14位中最低位碼道的每一位，光敏元件將產(chǎn)生一個(gè)完整的輸出周期，如圖10-22所示。圖10-22附加碼道光敏元件輸出第五十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日插值器將輸人的正弦信號和余弦信號接不同的系數(shù)加在一起，形成數(shù)個(gè)相移不同的正弦信號輸出。各正弦波信號經(jīng)過零比較器轉(zhuǎn)換成一系列脈沖，從而細(xì)分了光敏元件的輸出正弦波信號，于是就產(chǎn)生了附加的最低有效位。如圖10-22所示的19位光電編碼器的插值器產(chǎn)生16個(gè)正弦波形。每二個(gè)正弦信號之間的相位差為π／8，從而在14位二進(jìn)制編碼器的最低有效位間隔內(nèi)產(chǎn)生32個(gè)精確等分點(diǎn)。這相當(dāng)于附加了5位二進(jìn)制數(shù)的輸出，使編碼器的分辨率從1/214提高到1/219，優(yōu)于1/5×25，角位移小于3’’。

第五十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器2.增量編碼器(Incrementalencoder)增量編碼器，其碼盤要比絕對編碼器碼盤簡單得多，一般只需三條碼道。這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對碼盤碼道的意義。第五十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器與絕對編碼器類似，增量編碼器的精度主要取決于碼盤本身的精度。用于光電絕對編碼器的技術(shù)，大部分也適用于光電增量編碼器。第五十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器4.光電增量編碼器的應(yīng)用（1）典型產(chǎn)品應(yīng)用介紹

圖10－24所示為LEC型小型光電增量編碼器的外形圖。每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為20～5000，最大允許轉(zhuǎn)速為5000r／min。第五十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器（2）測量轉(zhuǎn)速

增量編碼器除直接用于測量相對角位移外，常用來測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡單的方法就是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它所測量的是平均轉(zhuǎn)速。

第五十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器（3）測量線位移

在某些場合，用旋轉(zhuǎn)式光電增量編碼器來測量線位是一種有效的方法。這時(shí)，須利用一套機(jī)械裝置把線位移(Lineardisplacement)轉(zhuǎn)換成角位移(Angulardisplacement)。測量系統(tǒng)的精度將主要取決于機(jī)械裝置的精度第五十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第五十九頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器圖10－27（a）表示通過絲桿(Leadscrew)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導(dǎo)程為6mm的絲桿，可達(dá)到4μm的分辨力。為了提高精度，可采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機(jī)構(gòu)。圖（b）是用齒輪齒條(Rack-and-Pinion)來實(shí)現(xiàn)直線－旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說，這種系統(tǒng)的精度較低。圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動(dòng)和摩擦傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于需要進(jìn)行長距離位移測量及某些環(huán)境條件惡劣的場所。無論用哪一種方法來實(shí)現(xiàn)線位移－角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時(shí)，編碼器的零位基準(zhǔn)已失去作用。為計(jì)數(shù)系統(tǒng)所必須的基準(zhǔn)零位(benchmarkzero)，可由附加的裝置來提供。如用機(jī)械、光電等方法來實(shí)現(xiàn)。第六十頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器測量電路實(shí)際中，目前都將光敏元件輸出信號的放大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上計(jì)數(shù)與細(xì)分電路（統(tǒng)稱測量電路）就可組成一個(gè)位移測量系統(tǒng)。從這點(diǎn)看，這也是編碼器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

第六十一頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器在前幾節(jié)介紹的數(shù)字式傳感器中，除了絕對編碼器能將位移量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量外，其余幾種都是將位移量轉(zhuǎn)換成一系列計(jì)數(shù)脈沖，再由計(jì)數(shù)系統(tǒng)所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)來反映被測量的值。本節(jié)介紹的數(shù)字式傳感器，其輸出雖然也是一系列脈沖，但與被測量對應(yīng)的是脈沖的頻率。這種能把被測量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)且便于處理的頻率輸出的傳感器，即為頻率式傳感器(FrequencyTransducer)。前述用增量編碼器作轉(zhuǎn)速測量時(shí)，其編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率，這實(shí)際上就是一種頻率式傳感器。第四節(jié)頻率式傳感器第六十二頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器一、RC頻率式傳感器利用熱敏電阻把溫度變化轉(zhuǎn)換成頻率信號的方法是RC頻率式傳感器的一例。熱敏電阻作為RC振蕩器的一部分。基本電路如圖10－30所示。RC振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定第六十三頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第六十四頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器二、石英晶體(QuartzCrystal)頻率式傳感器利用石英晶體的諧振(Resonance)特性，可以組成石英晶體頻率式傳感器。石英晶體本身有其固有的振動(dòng)頻率，當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率(ForcedVibrationFrequency)與它的固有振動(dòng)頻率(NaturalVibrationFrequency)相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振。如果石英晶體諧振器作為振蕩器(Oscillator)或?yàn)V波器(Filter)時(shí)，往往要求它有較高的溫度穩(wěn)定性；而當(dāng)石英晶體用作溫度測量時(shí)，則要求它有大的頻率溫度系數(shù),因此,它的切割方向（切型cut）不同于用作振蕩器或?yàn)V波器的石英晶體。第六十五頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器

當(dāng)溫度在－80℃～＋250℃范圍時(shí)，石英晶體的溫度與頻率的關(guān)系可表示為

（10－18）

式中f0——t＝0℃時(shí)的固有頻率；a，b，c——頻率溫度系數(shù)。第六十六頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器

可以選擇一特定切型的石英晶體，使得式（10-18）中的系數(shù)b和c趨于零。這樣切型的晶體具有良好的線性頻溫系數(shù)，其非線性僅相當(dāng)于10－3數(shù)量級的溫度變化。晶體的固有諧振頻率取決于晶體切片的面積和厚度。在石英晶體頻率式溫度傳感器中，根據(jù)溫度每變化1度振蕩頻率變化若干赫茲的要求，以及晶體的頻溫系數(shù)，可確定振蕩電路的基頻。第六十七頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器第六十八頁，共七十五頁，2022年，8月28日第10章數(shù)字式傳感器三、彈性振體(Elasticvi