数字式传感器讲解课件.ppt

1、 传感器与检测技术传感器与检测技术 朱启兵朱启兵2/45传感器与检测技术传感器与检测技术第第11章章 数字式传感器数字式传感器光光 栅栅1.2感应同步器感应同步器11.111.2编编 码码 器器11.3频率式传感器频率式传感器11.43/45数字式传感器数字式传感器 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。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，和处理已进入的数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用利用A/D转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理转换器将信号转换成数字信号，

2、再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种方法简便亦行，但系统的构成也很复杂。数字式传感进行处理，这种方法简便亦行，但系统的构成也很复杂。数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数字信号输出。字信号输出。数字式传感器具有下列特点：1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；2.抗干扰能力强，稳定性好；3.信号易于处理、传送和自动控制；4.便于动态及多路测量，读数直观；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。 目前，常用的数字式传感器有四大类：目前，常用的数字式传感器有四大类：(1) 栅式数字传感器；栅式数字传感器

3、；(2)编码编码器；器；(3)频率频率/数字输出式数字传感器；数字输出式数字传感器；(4)感应同步器式的数字传感器感应同步器式的数字传感器。 4/45数字式传感器数字式传感器感应同步器感应同步器 感应同步器时感应同步器时20世纪世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。线位移、角位移）传感器。工作原理：工作原理：电磁感应定律电磁感应定律结结 构：基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器构：基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感

4、量随位置变化来检测位移量的。量的。分分 类：线位移感应同步器（标准型，窄型，带型）；圆盘类：线位移感应同步器（标准型，窄型，带型）；圆盘感应同步器。感应同步器。 工作特点：感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。5/45数字式传感器数字式传感器6/45数字式传感器数字式传感器直线式感应同步器的基本结构直线式感应同步器的基本结构它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，它由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相

5、距用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距/2或或3/4。当定尺栅距为。当定尺栅距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离时，滑尺上的两个绕组间的距离L1应满足如下关系：应满足如下关系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时相差时相差/2，n=1时相差时相差3/4，n=2时相差时相差5/4。W2=2(a2+b2)W1=2(a1+b1)W1=W2正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组7/45数字式传感器数字式传感器感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理矩形载流线圈中通过直流电流矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中

6、通过的电流为交流电流内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i ( i = I sint )，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左至右并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左至右(或或从右至左从右至左)移过，如右下图所示。在移过，如右下图所示。在(a)、(c) 两图所示的情况下，通过闭合两图所示的情况下，通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在在(b)图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量最大，所以图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁

7、通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。 I载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场IV)( aIV)( cIV)( b感应电动势最大感应电动势为零8/45数字式传感器数字式传感器9/45数字式传感器数字式传感器定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压usUssint和ucUcsint，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； 与位移x等值的电角度，2xW210/45数字式传感器数字式传感器对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其

8、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。11/45数字式传感器数字式传感器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pi/2的正弦激磁电压，即usUmsint和ucUmcost。鉴相法鉴相法 根据式（102），当余弦绕组单独激磁时， 感应电势为 同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为 12/45数字式传感器数字式传感器鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移，此时感应同步器滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别加频率和相位相同，但幅值不同的正弦激励信号根据叠加原理，感应电势为 鉴幅法鉴幅法sins

9、in ;sincossmcmUUtUUt 若调整激励电压的若调整激励电压的2/x W则总感应电势等于零则总感应电势等于零13/45数字式传感器数字式传感器脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压,可认为感应电势为脉冲调宽法脉冲调宽法14/45数字式传感器数字式传感器数字测量系统数字测量系统鉴相法测量系统鉴相法测量系统图109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。 15/45数字式传感器数字式传感器16/45数字式传感器数字式传感器位移相位转换的功能是通过感应同步

10、器将位移量转换为电的相位移。模数转换的主要功能是将代表位移量（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放大、滤波、整形后的输出信号e，以及相对相位基准输出信号o。相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器、它是把加。减脉冲数转换为电的相位变化。模数转换的关键是鉴相器。 17/45数字式传感器数字式传感器 由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理是：当系统工作时，相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置0，则所在位置为“相对零点”。假定以此为基准，滑尺向正方向移动，的相位发生变化，与之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差，并输出反映滞后于的高电平。该两输出信

11、号控制脉冲移相器，使其产生相移，趋近于。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时。在这个相位跟踪过程中，插人到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示。18/45数字式传感器数字式传感器鉴幅法测量系统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。 19/45数字式传感器数字式传感器20/45数字式传感器数字式传感器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

12、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。按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。光光 栅栅 21/45数字式传感器数字式传感器透射式计量光栅的结构和工作原理透射式计量光栅的结构和工作原理 计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如图玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如图11-1所示。常用所示。常

13、用的光栅每毫米有的光栅每毫米有10、25、50、100和和250条线。主光栅的刻线一般比指示条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距，则光栅节距或栅距W为为Wa + b。通常取通常取a = bW /2。 若将两块光栅若将两块光栅(主光栅、指示主光栅、指示光栅光栅)叠合在一起，并且使它们的叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度刻线之间成一个很小的角度，如，如右图所示。由于遮光效应，两块光右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙块光栅的刻线

14、与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。这些条纹就称为莫尔条纹。22/45数字式传感器数字式传感器 如果改变如果改变角，两条莫尔条纹问的距离角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，也随之变化。由下图可知，条纹间距条纹间距B与栅距与栅距W和夹角和夹角有如下关系：有如下关系：BW22 tg2cosWW WWWWB2sin22 tg2cos22 tg2 当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会

15、沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条，莫尔条纹也移动一个间距纹也移动一个间距B。 越小，越小，B越大，越大，当小于当小于1以后，可使以后，可使BW，即莫尔现象具有使栅距，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。量莫尔条纹移动数，获取小于

16、光栅栅距的微小位移量。23/45数字式传感器数字式传感器 1光电转换光电转换 主光栅和指示光栅作相对位移主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信弓转换经过转换电路才能将光信弓转换成电信号。光栅传感器的光电转成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图如右图 (a)所示。当两块光栅作相所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强对移动时，光敏元件上的光强光栅式传感器的测量电路光栅式传感器的测量电路随莫尔条纹移动而变化。在随莫尔条纹移动而变化。在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光

17、电元件输处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图而形成了如上图 (b)所示的输出波形。所示的输出波形。 光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述： 式中式中 U0 输出信号的直流分量；输出信号的直流分量； Um 输出信号的交流信号幅值；输出信号的交流信号幅值； x 光栅的

18、相对位移量。光栅的相对位移量。WxUUUm2sin024/45数字式传感器数字式传感器 2辨向原理辨向原理 为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔1/4条纹间的位置上条纹间的位置上安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号U1、U2的相位差将为的相位差将为/2，可以根据它们超前可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。 两种信号经整形后得到方波两种信号经整形后得到方波U1/和和U2/。U2/ 作为门控信号同作为门控信号同U1/的微的微分信号

19、一起输入到与门分信号一起输入到与门Y1、同、同U1/倒倒相后的微分信号一起输入到与门相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，光栅右移时，U2/超前超前U1/，则先于，则先于U1/的微分信号打开了的微分信号打开了Y1，可从，可从Y1得得到向右移动脉冲输出（到向右移动脉冲输出（Y1称为右移称为右移动脉冲输出端）；而动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微倒相后的微分信号到达分信号到达Y2时时Y2已关闭，则已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了主光栅左反之亦然。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输右移动的方向辨别和移动脉冲的输出

20、。出。25/45数字式传感器数字式传感器 3细分原理细分原理 如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为出位移为0.1m，势必要求每毫米到线，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。万条，这是目前工艺水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。 在一个莫尔条纹

21、宽度上并列放置四个光电元件，如右下图在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相所示，得到相位分别相差位分别相差/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图如右下图 (b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。

22、此个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。种方法被称为四倍频细分法。若再增加光敏若再增加光敏元件，同理可元件，同理可以进一步地提以进一步地提高测量分辨率。高测量分辨率。26/45数字式传感器数字式传感器电桥细分电桥细分27/45第第10章数字式传感器章数字式传感器28/45数字式传感器数字式传感器10.3 编编 码码 器器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类： 脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可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

23、输出某种码制的数码能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码(后面将详后面将详细说明细说明)。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。电编码器，本节将重点予以介绍。 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，能方便地与数字系统码，能方便地与数字系统(如微机如微机)联接。编码器按其结

24、构可分为接触式、联接。编码器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光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码（绝对编码器）码盘式编码器增量编码器脉冲盘式编码器编码器)(光电式编码器电磁式编码器接触式编码器29/45数字式传感器数字式传感器电刷输出电刷输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为的旋转角度为360/2 n，若，若n4，则，则22.5。位数越多，可分辨的。位数越多，可分辨的角度越小，若取角度越小，若取n8，则，则1.4。当然，可分辨的角度越小，对码盘。当然，可分辨的角度越小，对码盘

25、和电刷的制作和安装要求越严格。当和电刷的制作和安装要求越严格。当n多到一定位数后（一般为多到一定位数后（一般为n8），），这种接触式码盘将难以制作。这种接触式码盘将难以制作。容易存在错码容易存在错码原因：需要同时改变原因：需要同时改变多个状态多个状态接触式旋转编码器接触式旋转编码器30/45数字式传感器数字式传感器31/45数字式传感器数字式传感器 光电式编码器光电式编码器 接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、能很高；而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，其易于集成的光电元件代替机械的接

26、触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。测量精度和分辨率能达到很高水平。 1光电式编码器的结构和工作原理光电式编码器的结构和工作原理 光电编码器的最大特点是非接触式的。光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都有几个码道，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。可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。不同的是光电编码器的码盘采用照相

27、腐蚀不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀直线坐标编码示意图32/45数字式传感器数字式传感器 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法插值法)来进一步提高分辨率。来进一步提高分辨率。33/45数字式传感器数字式传感器34/45数字式

28、传感器数字式传感器2.增量编码器增量编码器的圆盘上等角距地开增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈有两道缝隙，内外圈(A、B)的相的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码盘的外），开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下安装光源和光电接收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码

29、道上有多少缝隙每转件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差过一周就将有多少个相差90的的两相（两相（A、B两路）脉冲脉冲和两路）脉冲脉冲和一个零位一个零位(C相相)脉冲输出。增量脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身码器一样，主要取决于码盘本身的精度。的精度。增量码道增量码道辨向码道辨向码道35/45数字式传感器数字式传感器测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。 36/45数字式传感器数字式传感器测量线位移 利

30、用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度37/45数字式传感器数字式传感器图1027（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。 无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要

31、旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。38/45数字式传感器数字式传感器 计数和辨向计数和辨向为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用A、B两相脉冲来两相脉冲来实现。光电元件实现。光电元件A、B输出情号经放大整形后，产生输出情号经放大整形后，产生P1和和P2脉冲。将它们脉冲。将它们分别接到分别接到D触发器的触发器的D端和端和CP端，由于端，由于A、B两相脉冲两相脉冲(P1和和P2) 脉冲相差脉冲相差90，D触发器触发器FF在在CP脉冲脉冲(P2)的上升沿触

32、发。正转时的上升沿触发。正转时P1脉冲超前脉冲超前P2脉冲，脉冲，FF的的Q“1”表示正转；当反转时，表示正转；当反转时，P2超前超前P1脉冲，脉冲，FF的的Q“0”表示反表示反转。转。可以用可以用Q作为控制可逆计数器作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。光电脉冲变成编码输出。C相脉相脉冲接至计数器的复值端，实现冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复每码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称

33、为增量法。增量，故这种测量称为增量法。 39/45数字式传感器数字式传感器四倍频细分电路原理图如图1029（a）所示。输出x1与x2信号作为计数器双时钟输人信号。按电路图可得如下逻辑表达式：细分电路 40/45数字式传感器数字式传感器41/45数字式传感器数字式传感器 Q1、Q2、Q3和 Q4分别与S1、S2和相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位/2。电路各点的波形如图1029（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和 Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的12，但同时要满足与Y1

34、、Y2、Y3和Y4相“与”的要求。由图1029可知，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。42/45数字式传感器数字式传感器频率式数字传感器频率式数字传感器 频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：种类型： (1)利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，

35、常用振荡器有振荡频率，常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。荡电路和石英晶体振荡电路等。 (2)利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。映被测参数。43/45数字式传感器数字式传感器 一、一、RC振荡器式频率传感器振荡器式频率传感器 温度温度 频率传感器就是频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻用热敏电阻RT测量温度。测量温度。RT作为作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种放大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发生

36、器。当外界温度文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时变化时RT的阻值也随之变化，的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。振荡器的频率因此而改变。RC振振荡器的振荡频率由下式决定：荡器的振荡频率由下式决定：其中其中RT与温度与温度T的关系为的关系为 式中：式中：B为热敏电阻的温度系数。为热敏电阻的温度系数。213212123)(21TTRRRRCCRRRf)(00TTBTeRR电阻电阻R2、R3的作用是改善其的作用是改善其线性特性，线性特性，流过流过RT的电流尽可能小以防的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影其自身发热对温度测量的影响。响。44/45数字式传感器数字式传感器二、弹性振

37、动体频率式传感器二、弹性振动体频率式传感器 任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。 若激励力的若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这

38、一原理来测固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。量有关物理量的。 弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，振梁式等，45/45数字式传感器数字式传感器传感器的敏感元件是一根被预先拉紧的金属丝弦1。它被置于激振器所产生的磁场里，两端均固定在传感器受力部件3的两个支架2上且平行于受力部件。当堂力部件3受到外载荷后，将产生微小的挠曲，致使支架2产生相对倾角，从而松弛或拉紧了振弦，振弦的内应力发生变化，使振弦的振动频率相应地变化。振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度和内应力。46/45人有了知识，就

39、会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。