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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。,