数字式位置传感器
传感器的分类(频率式和数字式)
第5章 频率式和数字式传感器 5.2.2
1. 接触式码盘
图5-3（a）为一个四位接触式码盘。 涂黑部分为导电区， 输出为“1”，空白部分为不导电区，输出为“0”。 所有导电部 分连在一起，接高电位。 图示码盘共有四圈码道，在每圈码道 上都有一个电刷，电刷经电阻接地。 当码盘与被测物转轴一起 转动时，电刷上出现的电位对应一定的数码。若有n条码道， 则角度分辨率为
第5章 频率式和数字式传感器
第5章 频率式和数字式传感器
5.1 振弦式频率传感器 5.2 数字编码器 5.3 感应同步器 5.4 磁栅传感器 5.5 光栅传感器 5.6 容栅传感器 5.7 球同步器(球栅)
第5章 频率式和数字式传感器
5.1 振弦式频率传感器
5.1.1 振弦式频率传感器的结构原理
振弦式传感器是以被拉紧了的细弦作为敏感元件， 其结构
节距为W（标准为2 mm）， 机械位移x
2 x， 其总感应电动势e与两尺的相对位移x关系为
W
e
kU
m
sin(t
)
kU
m
sin(t
2π W
x)
（5-3）
第5章 频率式和数字式传感器 2. 鉴幅型 如果给滑尺的正、余弦绕组以同频、 同相但不等幅的电
压激磁时， 则可根据感应电势的幅值来鉴别位移量，称为鉴 幅型。 正、余弦同时激磁时的总感应电势为
360 Q 2n
（5-2）
第5章 频率式和数字式传感器
图5-3 码盘式转角（a） 接触式8421码盘； （b） 接触式格雷码盘；（c) 光电式角编码器
第5章 频率式和数字式传感器 2. 光电式码盘
光电式码盘亦称脉冲式角度—数字编码器， 其结构示意图 如图5-3（c）所示。 在一个圆盘上按码道开有相等角距的缝 隙， 在码道上分为透明区和不透明区 ， 分别代表“1”和 “0”， 相当于接触式码盘的导电区和不导电区。 在开缝圆盘 两边分别安装光源及光敏元件， 相当于接触式码盘的电源和 电刷。 其测量方法与接触式码盘相似。
数字式传感器及应用
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电磁编码器的基本结构
电磁式编码器 由于精度高， 寿命长，工作 可靠，对环境 条件要求较低， 但成本较高。
1—磁鼓 2—气隙 3—磁敏传感部件 4—磁敏电阻
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10.2.4 脉冲盘式数字传感器
• 脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有3个码道，它不能直接产生编码输出，故它不具有 绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。
• 感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。它的基本结构由两个平面矩形线圈组成， 它们相当于变压器的初、次级绕组，通过这两个绕组间的互感值随位置变化来检测位移量。
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1.载流线圈所产生的磁场
矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图
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辨 向 电 路
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3.细分技术
• 为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。另 一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫 尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由于细 分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫做倍频。
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脉冲盘式编码器示意图
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2.旋转方向的判别
• 码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。
位移传感器
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有 多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b） 所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一 个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时， 次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之 间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位 置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1> e2 ， ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往 复变化，其输出电压ey，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。
2. 数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同
特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输 出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲
就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数 字式传感器的工作原理。 1）光栅位移传感器
光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它 的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般 为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相 差很多，其结构如图3-8所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光 栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角 度 ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
传感器应用技术智慧树知到课后章节答案2023年下淄博职业学院
传感器应用技术智慧树知到课后章节答案2023年下淄博职业学院淄博职业学院项目一测试1.属于传感器静态特性指标的是（）A:临界频率 B:灵敏度 C:阻尼比 D:固有频率答案:灵敏度2.在传感器及检测系统的静态特性指标中，表达其对输入量变化的反应能力的是（）A:重复性 B:量程 C:灵敏度 D:线性度答案:灵敏度3.传感器中直接感受被测量的部分是（）A:转换元件 B:敏感元件 C:转换电路 D:调理电路答案:敏感元件4.下列指标中，属于传感器动态特性指标的是（）A:过载能力 B:线性度 C:幅频特性 D:灵敏度答案:幅频特性5.传感技术的研究内容主要包括：（）A:信息处理 B:信息获取 C:信息传输 D:信息转换答案:信息获取;信息传输;信息转换项目二测试1.欲测量应力选择的传感器是（）A:光栅式 B:应变式 C:压阻式 D:霍尔式答案:应变式2.当应变片的主轴线方向与试件轴线方向一致，且试件轴线上受一维应力作用时，应变片灵敏系数K的定义是（）。
A:应变片电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比 B:应变片电阻与试件主应力方向的应变之比 C:应变片电阻相对变化与试件作用力之比 D:应变片电阻相对变化与试件主应力之比答案:应变片电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比3.由（）、应变片以及一些附件(补偿元件、保护罩等)组成的装置称为应变式传感器。
A:敏感元件 B:信号采集电路 C:调理电路 D:弹性元件答案:弹性元件4.在金属于箔式应变片差动单桥测力实验中不需要的实验设备是（）。
A:低通滤波器 B:差动放大器 C:电压表 D:直流稳压电源答案:低通滤波器5.下列那一个不属于电位器式传感器的特点（）A:分辨力高B:受环境因素影响小 C:结构简单尺寸小 D:输出信号大答案:分辨力高项目三测试1.在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（）是线性的关系。
A:变极距型 B:变面积型 C:变介电常数型 D:其余选项都不对答案:变面积型2.为了减小电容式传感器的测量非线性误差，我们应该将两个相同的电容式传感器，联接成（）形式。
1-4 位移传感器解析
7
4.1.1 光栅传感器
放大
圆光栅还有一个 参数叫栅距角 γ 或称 w 放大 a b 节距角 , 它是指圆光 栅上相邻两条栅线 的夹角。
a w
b
(a ) 长光栅
(b ) 圆光栅
4.1.1 光栅传感器
2. 莫尔条纹原理
莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮 光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅 （通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多微小的 窗口排列而成。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
微窗单元为一长方形, 中间有一透光孔, 透光 孔内光强透过率为一常数C, 孔以外区域光强透过 率为零或接近于零, 透光孔的内边缘沿y 方向的跨 度Δ y是一个变量，可表示为 h y 1 sin 2 x W 2
5
4.1.1 光栅传感器
1.光栅位移传感器的结构 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透 光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅， 或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和 漫反射的条纹，称为反射光栅。
利用光栅的一些特点可进行线位移和角位 移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长 度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的 光栅为圆形，称之为圆光栅。
如果滑尺相对于 定尺自某初始位置算 起的位移量为x。则x机 械位移引起的电角度 变化θ＝2πx/W。
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4. 感应同步器信号处理方式
当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uos= K us cos K— 电磁感应系数 —定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uoc = K uc cos（ + π /2） =－K ucsin
数字式传感器与模拟式传感器的区别
数字式传感器与模拟式传感器的区别数字式传感器的性能区别于模拟式汽车衡，主要有以下几点：(1)解决模拟式传感器信号弱的问题模拟式传感器的输出信号最大一般在几十毫伏，最低时只有百万分之几毫伏。
在电缆传输这些弱信号过程中，很容易受到干扰，从而造成系统工作不稳定或计量性能降低。
而数字式传感器的输出信号均在3～4V左右，其抗干扰能力远大于模拟信号的百万倍。
(2)解决射频干扰问题模拟式称重传感器的低电压信号极易受到电子干扰及其它天线电信号的干扰，而数字式称重传感器在设计时已考虑到这些抗干扰能力，它们可以在高干扰区域，并保证计量性能。
(3)解决防潮、防腐问题数字式传感器采用100%不锈钢焊接壳体。
密封、防水、防潮湿、防腐蚀，适用于各种恶劣工作环境，计量性能不受任何影响，防护等级达到IP68。
(4)解决防雷击问题数字式传感器具有防雷击和大电流放电能力，在室外安装使用时，这一点尤其重要。
METTLER-TOLEDO数字式汽车衡系统通过美国权威机构Lightning Technologies，INC的雷击测试。
(5)解决偏载/温度影响问题数字式称重传感器能自动补偿和调整因偏载和温度变化而产生影响。
(6)解决时间效应—蠕变问题当负荷时间加在-称重传感器上时，其输出常有较大变化，数字式称重传感器通过内部微处理器里的软件，自动补偿了蠕变。
(7)数字式汽车衡称重精度、稳定性和可靠性更高，减少模拟式汽车衡经常引起的误差由于经校正后的称重数据是以数字形式存储在每个传感器内部的，因此就减少了模拟信号引起的积累误差。
这些误差通常都是由于模拟信号在传输过程中由接头、接线排(端子)、电位器、开关及长电缆等因素造成的。
数字式称重传感器的补偿/修正参数存储在传感器内部的永久性存储器中，因此，省掉了开关/电位器等元器件。
(8)具有自诊断功能数字式传感器具有自诊断功能。
它不断对内部工作状况进行检测，当检测到出现故障时，会发出错误代码，这就大大降低了漏检故障的可能性，这也是模拟式称重传感器无法做到的。
数字式传感器
莫尔条纹
图 10-17 光栅的莫尔条纹 （a） 光栅 （b） 莫尔条纹 1-主光栅 2-指示光栅
当夹角θ很小时，B >> W，即莫尔条纹具有放大作 用，读出莫尔条纹的数目比读刻线数便利的多。 根据光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系， 通过测量莫尔条纹移过的距离，就可以测出小于 光栅栅距的微位移量。 由于莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的， 光电元件接收的光信号是进人指示光栅视场的线 纹数的综合平均结果。若某个光栅有局部误差或 短周期误差，由于平均效应，其影响将大大减弱。 并削弱长周期误差。 此外，由于θ角可以调节，从而可以根据需要来调 节条纹宽度，这给实际应用带来了方便。
目前构成频率式传感器最简单的方法有两种： 一种是利用电子振荡器的原理，只要使振 荡电路中某个部分由于被测量的变化而改 变，就可改变振荡器的振荡频率。典型例 子如改变LRC振荡电路中的电容，电感或 电阻；另一种方法是利用机械振动系统， 通过其固有振动频率的变化来反映被测参 数的值。
振弦式频率传感器
ec KU m sin t cos
当正弦绕组单独激磁时，感应电势为
es KU m cos t sin
正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理， 总感应电势为
e ec es KU m sin t cos KU m cos t sin
K U m cos t K U m cos t 2x / W2
振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度ρ和内应力σ，可用下式表示：
1 f0 / 2l
图10-24激振方式原理框图 （a）连续激励方式 （b）间断激励方式
图10-25振弦式力传感器 1、5—振弦；2—支座；3、11—激励； 4—柱体；10、9—拾振器；7—弹性模片 8、10—放大\震荡电路；12—混频器； 13 —滤波整形电路
传感器应用技术智慧树知到期末考试章节课后题库2024年淄博职业学院
传感器应用技术智慧树知到期末考试答案章节题库2024年淄博职业学院1.MQN型气敏电阻可测量（）的浓度，TiO2型气敏电阻的浓度。
答案:锅炉烟道中剩余的氧气###气体打火机间的有害气体2.电感式传感器可以对（）等物理量进行测量。
答案:位移###振动###压力###流量3.传感技术的作用主要体现在：（）。
答案:传感技术在系统安全经济运行监测中得到了广泛应用###传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步###传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分###传感技术是产品检验和质量控制的重要手段4.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的压电效应；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的逆压电效应。
答案:对5.有一温度计，它的测量范围为0～200℃，准确度为0.5级，当示值为20℃时的示值相对误差为5％，100℃时的示值相对误差为1℃。
答案:对6.欲探测埋藏在地下的金银财宝，应选择直径为500mm左右的电涡流探头。
欲测量油管表面和细小裂纹，应选择直径为5mm左右的探头。
答案:对7.光敏二极管属于内光电效应，光电池属于光生伏特效应。
答案:对8.对处于钢板深部的缺陷宜采用超声波探伤；对处于钢板表面的缺陷宜采用电涡流探伤。
答案:对9.用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为10mV/pC，试确定输入3g（平均值）加速度时，电荷放大器的输出电压（平均值，不考虑正负号）；答：2100mV。
并计算此时该电荷放大器的反馈电容Cf 。
答：100pF 答案:对10.大面积钢板探伤时，耦合剂应选自来水为宜；机床床身探伤时，耦合剂应选机油为宜；给人体做B超时，耦合剂应选液体石蜡。
答案:对11.公式EH=KHIBcosq 中的角q 是指答案:磁力线与霍尔薄片的垂线之间的夹角12.答案:（a）和 (d)13.为了得到尽可能大的电荷输出，我们应该将多个压电晶片（）使用。
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增量式光电编码器的测量分辨力取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及分 辨率为：
360o
n
分辨率 1 n
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11-4
E1050-14 绝对式 角编码器的 特性参数
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位数 分辨力 最大误差 外尺寸/mm 输.出轴尺寸/mm 重量/g 允许转速/r·min_1 电源电压/V
最小分辨角度为 α=360º/2n =360÷16=22.5º
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司光盘资料）
其他角编码器外形（续）
其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
2．绝对式光电编码器结构
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
光源 输出信号 使用温度 工作环境 相对湿度/（%）
振动/g 冲击/g
14
80" ±100" Φ 50× 40 Φ 6× 12
250
200 DC12(±5%)，5(±5%)
红外LED 格雷码，TTL电平
－40～+55℃ 相对湿度95 （35℃时）
增量式测量得到的脉冲波形
绝对式测量的特点是： 每一被测点都有一个对应的编码,常以二进制数据
形式来表示（例如:10 1011 0010）。即使断电之后 再重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的 数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
第二节 角编码器
角编码器是一种旋转式位置传感器，它的转 轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。
直接测量 没有转换
误差
工作台运动方向
光栅
2.间接测量
编码器 在间接测量中，
工作台 丝杠 进给电机
多使用旋转式位置 传感器。测量到的
回转运动参数仅仅
x
是中间值，但可由
这中间值再推算出
与之关联的移动部
θ
件的直线位移。间
接测量须使用丝杠
-螺母副、齿轮-齿
条副等传动机构。
齿轮-齿条副的位移转换演示 +x
滚珠丝杠-螺
螺母 丝杠
母副能够减小传
θ
动磨檫力，延长
使用寿命，减小
间隙误差。
x
平均螺距误差大于10μm
传动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，
求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫
米？螺母的平均速度v又为多少？
螺距t=4mm
N=10圈时，θ =？度 x=？mm
滚珠
θ
例：设齿轮的分度圆直 齿条
径为200mm ,齿数z=100,
传感器测得齿轮转过了
-x
齿轮
θ=180度。求：
θ
1）所转过的齿数N；
2）齿条的齿距t；
3)齿条所移动的距离 x。
解： 1）所转过的齿数
N=(z÷360º) ×θ
D 齿条为直线运动，
=(100/360º)×180º=50 齿轮作旋转运动
2）齿条的齿距
若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值， 再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则 该测量方式为间接测量。
直接测量 示意图
随动刀具
光栅尺
光栅读数头
5
间接测量 示意图
随动刀具
6
7
1.直接测量
回转工作台 旋转运动θ
利用角位移 传感器直接测 量工作台的角 位移
直接利用数字式直线位移传感器 测量直线机床的位移量
第十一章 数字式位置传感器 目录
11.1 位置测量方式 11.2 角编码器 11.3 光栅传感器 11.4 磁栅传感器 11.5 容栅传感器
进入 进入
进入 进入
进入
第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置传 感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传 感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该 测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量 的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角编 码器、圆光栅、圆磁栅等。
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
绝对式测量角编码器
每一个微小的
角位移都有一个对
应的编码，常以二
进制数据形式来表
示。在绝对式测量
θ
中，即使中途断电，
重新上电之后，当
前位置的二进制编
码数据仍然不变。
自然二进制码
1 0 0 1 或格雷码
绝对式编码器（接触式）演示
4个电刷 4位二进制
码盘 +5V输入 公共码道
绝对式光电码盘与增量式码盘的区别
低位 高位
绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位）
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量分辨力取决于 它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码 道数n 有关，即最小能分辨的角度为：
α=360º/2n 分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制 编码或一连串脉冲。角编码器有两种基本类型： 绝对式角编码器和增量式角编码器。
回目录
光电脉冲角编码器示意图
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一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。
透光区
不透光区
机电类 《自动检测技术及应用》
多媒体课件
（共13章，第十一章）
统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4
课程配套网站
或
2012年7月版
2020/4/7
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第十一章 数字式位置传感器
介绍几种常用数字式位置传感器的结 构、原理，如角编码器、M法测速、光栅 传感器、莫尔条纹、磁栅传感器、容栅 传感器等，并讨论他们在直线位移和角 位移精密直
螺母
线-旋转转换设备
丝杠
均存在间隙误差,
x 特别是从正转切
换到反转时,间隙
将导致测量死区,
必须予以补偿。
二、增量式和 绝对式测量
在增量式测量中，移动 部件每移动一个基本长度 单位，位置传感器便发出 一个测量信号，此信号通 常是脉冲形式。这样，一 个脉冲所代表的基本长度 单位就是分辨力，对脉冲 计数，便可得到位移量。
t=πD/z=6.28mm；3）齿条所移动的距离x=N t=
. 50×6.28=314mm.测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移
传动机构 齿距t 齿轮
滚珠丝杠-螺母 副、齿轮-齿条副 等传动机构能够 将旋转运动转换 成直线运动。但 应设法消除传导 过程产生的间隙 误差。
齿条
x
θ
滚珠丝杠螺母副