码制与码盘
输出数码 第1(最内圈)码道 第2码道 第i码道 相邻码道分界线
优缺点 分辨率
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二进制码盘 图12-18 循环码盘 图12-19
C1C2…Cn(二进制码) 分21个黑白间隔, 对应 C1 分22个黑白间隔，对应 C2 分2i个黑白间隔 ，对应 Ci 第i道黑白分界线与i+1 道黑白分界线对齐
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反射式光栅
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透射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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2、工作原理 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。常用的光栅每 毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅 长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a + b。 通常取a = b＝W /2。
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度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：
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转轴 LED
光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
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（2）绝对式光电编码器 测量原理
的激励电压
uis Um sin t
uic U m cost
频率和相位相同，但幅值不 等：
uis Um sin sin t
uic Um cos cost
连续绕组中的感 应电压
e0 KUm cos(t ) KUm cos(t 2 x / W2 )
e0 KUm sin( ) cost
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若：
e1 Um cos , e2 Um sin
则：
ui KiUm cos( i )
Ri Ri
tan i
Ki
cosi
1
sin i
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图12-5 48点电位器桥细分电路
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48点电位器桥 细分电路图125图中第i个电 位器电刷两边 电阻比值为：
Ri tan(i 360 )
Ri
定尺（连续绕 组）
滑尺（断续绕 组）
W 2(a b)
断续绕组正弦 余弦两部分的 间距
l1
(n 2
1 4
)W1
图12－11 直线感应同步器绕组形式 （a）定尺绕组（b）W型滑尺绕组（c）U型滑尺绕组
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2、感应同步器的工作原理
感应同步器工作原理示意图
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载流线圈所产生的磁场
θ越小，B越大，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。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。
莫尔条纹演示
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莫尔条纹光学放大作用 举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示
光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m
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正向运动 产生
加法脉冲
正向 运动时， 与门IC2 无“减” 计数脉 冲输出。
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为光栅设计的专用数据转接器 （光栅计数卡）
内部包含以下电路：放大、整形、 细分、辨向、报警、阻抗变换等。
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为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）
绝对式光电编码器
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）
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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精度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
角度及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
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循环码盘（格雷码）
1）编码规则 将二进制码右移一位并舍去
最末位与原二进制做不进位加 法（异或）。
2）特点 相邻两个数码之间只有一位
变化。
格雷码 自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但
某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要 变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这 一缺点。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发 生变化，大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。 另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格 雷反射码或循环码。
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三、编码器
➢ 编码器具有高精度、高分辨率和高可靠性，用于位移测量。 ➢ 按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。 ➢ 旋转式编码器有两种——增量编码器和绝对编码器 ➢ 增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲
进行累计计数。 ➢ 绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。
转换方法: 二进制码->格雷码（编码）：从最右边一位起，依次将每一 位与左边一位异或(XOR)，作为对应格雷码该位的值，最左边一 位不变(相当于左边是0)； 格雷码-〉二进制码（解码）：从左边第二位起，将每位与左 边一位解码后的值异或，作为该位解码后的值（最左边一位依 然不变）.
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角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件
光栅扫描头
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防护罩内为直线光栅
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二、 感应同步器
感应同步器时20世纪60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。按其用途可分为两大类：①测量 直线位移的线位移感应同步器；②测量角位移的圆盘感应同步器。
1、感应同步器的结构
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5、辨向电路及波形
如果传感器只安装一套光电元件，则 在实际应用中，无论光栅作正向移动还是 反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信 号，无法分辨位移的方向。
例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反 转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将 错误地得到14336个脉冲，而正确值为： (10－4)×1024＝6144个脉冲。
测量精度。
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光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m
采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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（二）电位器桥细分
图12-6 电位器移相原理
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内感应出来的电动势为零；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，所以在探测线圈内感应出来的交流电压
也最大。
感应电动势为零
V
V
I
V
I
(a)
(c)
I
( b ) 感应电动势最大
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3、感应同步器的信号处理
鉴相法
鉴幅法
断续绕组（正弦 频率和幅值相同，相位差
绕组、余弦绕组） π/2：
第6章 数字式传感器
学习几种常用数字式传感器的结构、原理， 如计量光栅、感应同步器、编码器，并讨论在 直线位移和角位移中测量、控制的应用。
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一、光栅
1、光栅的类型和结构 光栅可分为透射式光栅和反射式光
栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元 件三大部分组成。
计量光栅按形状又可分为长光栅和 圆光栅。
（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： B ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）
= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
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3、光电转换 光栅传感器的光电转换 系统由聚光镜和光敏元件 组成，如右图 (a)所示。 当两块光栅作相对移动时 ，光敏元件上的光强随莫 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，光电元件输 出的电信号也最大；c处 由于光被遮去一半，光强减小；d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 而形成了如上图 (b)所示的输出波形。
矩形载流线圈中通过电流I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。如果线圈中通过的电流为交流电流i ( i = I
sinωt )，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(或从右至左)移过，如右下图所示。在(a)、(c) 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
一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。最简单的 绝对编码器是接触式编码器 ➢ 旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效、直接的数字 式传感器。
1、接触式编码器
码盘与被测的旋转轴相连,沿码 盘的径向安装几个电刷,每个电刷 与码盘上的对应码道直接接触，涂 黑部分为导电区，所有导电部分连 接在一起，接高电位，代表“1”， 空白部分表示绝缘区，为低电位, 代表“0”。每圈码道上都有一个 电刷,电刷经电阻接地。当码盘与 轴一起转动时,电刷上将出现相应 的电位,对应一定的数码
绝对式接触式编码器演示
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4个电刷 4位二进制码盘
+5V输入公共码道