第6章数字式传感器.ppt
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传感器原理及应用传感器原理及应用主讲人：
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武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院武汉大学电子信息学院光谱成像实验室光谱成像实验室光谱成像实验室光谱成像实验室第第66章章数字式传感器数字式传感器概述概述概述概述第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器随随着着微微型型计计算算机机的的迅迅速速发发展展和和广广泛泛应应用用泛泛应应用用，信信号号的的检检测测、控控制制和和处处理理已已进进入入的的数数字字化化时时代。
代。
概述概述概述概述第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器通通常常采采用用模模拟拟式式传传感感器器获获取取模模拟拟信信号号，利利用用A/D转转换换器器将将信信号号转转换换成成数数字字信信号号，再再用用微微机机和和其其他他数数字字设设备备处处理理进进行行处处理理，这种方法简便亦行。
这种方法简便亦行。
缺点：
缺点：
系统的构成复杂。
系统的构成复杂。
概述概述概述概述第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器数数字字式式传传感感器器就就是是为为了了解解决决这这些些问问题题而而出出现现的的，它它能能把把被被测测模模拟拟量量直直接接转转换换成成数数字字信信号号输出。
输出。
数数字字式式传传感感器器是是测测试试技技术术、微微电电子子技技术术与与计计算算机机技技术术相相结结合合的的产产物物，是是传传感感器器技技术发展的重要方向之一。
术发展的重要方向之一。
概述概述概述概述第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器的特点：
数字式传感器的特点：
测量精度高，分辨率高；测量精度高，分辨率高；易于处理与存储；易于处理与存储；抗干扰能力强，便于远距离传输。
抗干扰能力强，便于远距离传输。
可以减少读数误差；可以减少读数误差；概述概述概述概述第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器栅式数字传感器；栅式数字传感器；编码器；编码器；频率频率/数字输出式数字传感器；数字输出式数字传感器；感应同步器式的数字传感器。
感应同步器式的数字传感器。
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：
概述概述概述概述第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感器6.1码盘式传感器码盘式传感器6.2光栅传感器光栅传感器6.3感应同步器感应同步器6.4振弦式传感器振弦式传感器6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器第第第第6666章章章章数字式传感器数字式传感器数字式传感器数字式传感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：
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：
脉脉脉脉冲冲冲冲盘盘盘盘式式式式编编编编码码码码器器器器不不不不能能能能直直直直接接接接输输输输出出出出数数数数字字字字编编编编码码码码，需需需需要要要要增增增增加加加加有有有有关关关关数数数数字字字字电电电电路路路路才才才才可可可可能能能能得得得得到到到到数数数数字字字字编编编编码码码码。
而而而而码码码码盘盘盘盘式式式式编编编编码码码码器器器器能能能能直直直直接接接接输输输输出出出出某种码制的数码。
某种码制的数码。
某种码制的数码。
某种码制的数码。
目前，使用最多的是目前，使用最多的是光电编码器光电编码器。
码码码码盘盘盘盘式式式式编编编编码码码码器器器器也也也也称称称称为为为为绝绝绝绝对对对对编编编编码码码码器器器器，它它它它将将将将角角角角度度度度或或或或直直直直线线线线坐坐坐坐标标标标转转转转换为数字编码。
换为数字编码。
换为数字编码。
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一、光学码盘式传感器工作原理一、光学码盘式传感器工作原理一、光学码盘式传感器工作原理一、光学码盘式传感器工作原理6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码码码码盘盘盘盘由由由由光光光光学学学学玻玻玻玻璃璃璃璃制制制制成成成成，其其其其上上上上刻刻刻刻有有有有许许许许多多多多同同同同心心心心码码码码道道道道，每每每每位位位位码码码码道道道道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。
上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。
上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。
上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。
一、光学码盘式传感器工作原理一、光学码盘式传感器工作原理一、光学码盘式传感器工作原理一、光学码盘式传感器工作原理6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器当当当当光光光光源源源源将将将将光光光光投投投投射射射射在在在在码码码码盘盘盘盘上上上上时时时时，转转转转动动动动码码码码盘盘盘盘，通通通通过过过过亮亮亮亮区区区区的的的的光光光光线线线线经经经经窄窄窄窄缝缝缝缝后后后后，由由由由光光光光敏敏敏敏元元元元件件件件接接接接收收收收。
光光光光敏敏敏敏元元元元件件件件的的的的排排排排列列列列与与与与码码码码道道道道一一一一一一一一对对对对应应应应，对对对对应应应应于于于于亮亮亮亮区区区区和和和和暗暗暗暗区区区区的的的的光光光光敏敏敏敏元元元元件件件件输输输输出出出出的的的的信信信信号号号号，前前前前者者者者为为为为“1”1”，后后后后者者者者为为为为“0”0”。
当当当当码码码码盘盘盘盘旋旋旋旋至至至至不不不不同同同同位位位位置置置置时时时时，光光光光敏敏敏敏元元元元件件件件输输输输出出出出信信信信号号号号的的的的组组组组合合合合，反反反反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。
映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。
映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。
映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。
二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器编编码码器器码码盘盘按按其其所所用用码码制制可可分分为为二二进进制码、制码、十进制码、十进制码、循环码等。
循环码等。
C1C1码道码道码道码道C4C4码道码道码道码道最内层最内层2等分等分外面层依次外面层依次2倍等分倍等分二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器C1C1码道码道码道码道C4C4码道码道码道码道狭缝狭缝狭缝狭缝例例例例：
假假假假设设设设狭狭狭狭缝缝缝缝方方方方向向向向如如如如图图图图所所所所示示示示，则编码输出为：
则编码输出为：
则编码输出为：
则编码输出为：
C4C3C2C1=C4C3C2C1=11101110每每个个码码道道对对应应二二进制数的进制数的1位。
位。
二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器C1C1码道码道码道码道C4C4码道码道码道码道狭缝狭缝狭缝狭缝每每个个码码道道对对应应二二进制数的进制数的1位。
位。
内内层层为为高高位位，外外层为低位。
层为低位。
n位位（n个个码码道道）的的二二进进制制码码盘盘具具有有2n中中不不同同编编码码，称其称其容量容量为为2n。
最小分辨率为最小分辨率为:
二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器狭缝狭缝狭缝狭缝最最小小分分辨辨率率为为:
思考：
思考：
为为了了达达到到1的的分分辨辨率率，至至少少需需要要采采用用多多少少位位的的码盘？
码盘？
位位数数越越多多，可可分分辨辨的角度越小。
的角度越小。
二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器最最小小分分辨辨率率为为:
二二进进制制码码为为有有权权码码，编编码码Cn,Cn-1，C1对对应应于由零位算起的转角为：
于由零位算起的转角为：
二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器采采采采用用用用二二二二进进进进制制制制编编编编码码码码器器器器时时时时，任任任任何何何何微微微微小小小小的的的的制制制制作作作作误误误误差差差差，都都都都可可可可能能能能造造造造成成成成读读读读数数数数的的的的粗粗粗粗误误误误差差差差。
这这这这主主主主要要要要是是是是因因因因为为为为二二二二进进进进制制制制码码码码当当当当某某某某一一一一较较较较高高高高的的的的数数数数码码码码改改改改变变变变时时时时，所所所所有有有有比比比比它它它它低低低低的的的的各各各各位位位位数数数数码码码码均均均均需需需需同同同同时时时时改改改改变变变变。
如如如如果果果果由由由由于于于于刻刻刻刻划划划划误误误误差差差差等等等等原原原原因因因因，某某某某一一一一较较较较高高高高位位位位提提提提前前前前或或或或延延延延后后后后改改改改变变变变，就会造成就会造成就会造成就会造成粗误差粗误差粗误差粗误差。
如如：
由由二二进进制制码码0111过过渡渡到到1000时时，即即由由7变变为为8时时，如如果果刻刻度度机机械械加加工工误误差差，此此时时就就可可能能会会出现出现815间的某个数字。
间的某个数字。
二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘6.16.16.16.1码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器码盘式传感器消除粗大误差方法：
消除粗大误差方法：
双读数头法双读数头法。
循环码代替二进制码。
循环码代替二进制码。
双读数头法双读数头法双读数头法双读数头法二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘布布布布局局局局：
最最最最外外外外层层层层码码码码道道道道只只只只有有有有一一一一个个个个读读读读数数数数狭狭狭狭缝缝缝缝，其其其其它它它它码码码码道道道道都都都都有有有有两两两两个个个个读读读读数数数数狭狭狭狭缝缝缝缝，它它它它们们们们对对对对称称称称的的的的分分分分布布布布在在在在OOOO线线线线的的的的两两两两侧侧侧侧。
第第第第ii个个个个码码码码道道道道上上上上双双双双缝间距不超过：
缝间距不超过：
缝间距不超过：
缝间距不超过：
双读数头法双读数头法双读数头法双读数头法二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘精度由最低位决定精度由最低位决定精度由最低位决定精度由最低位决定双读数头法双读数头法双读数头法双读数头法二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘双双读读数数头头的的缺缺点点是是读读数数头头的的个个数数增增加加了了一一倍倍。
当当编编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。
码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。
循环码码盘循环码码盘循环码码盘循环码码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘
（1）n
（1）n位循环码码盘具有位循环码码盘具有位循环码码盘具有位循环码码盘具有22nn种不同编码种不同编码种不同编码种不同编码；
（2）
（2）循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；（3）（3）循环码为无权码；循环码为无权码；循环码为无权码；循环码为无权码；（4）（4）循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。
不
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