第 3章 数字式传感器
数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。
与模拟传感器相比的特点是,抗干扰能力强,稳定性强 ;
易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。
本章讲述常用的数字式传感器
? 光栅传感器
? 磁栅传感器
? 旋转式光电编码器
? 直线感应同步器
? 旋转变压器
3.1 光栅传感器
一,光栅及其测量系统
1.光栅的结构类型
1）长光栅尺
2）圆光栅
刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用
来测量角度或角位移。
根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向
光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另
一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心
的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
2.光栅测量系统（光栅读数头）
二,光栅传感器的工作原理
1.莫尔条纹的形成及其特征
当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微
小的夹角时,光源照射光栅尺，由于 挡光
效应, 两块光栅刻线的相交处形成亮带，
而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅
线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间
的条纹,这些条纹称为, 莫尔条纹, 。
?莫尔条纹的特征
1) 放大作用
???
W
W
BC
ABB H ????
2
42
2
s in
22
放大倍数为 1/θ,θ 越小,
B越大。
例如 θ=0.1 ° 时
θ=0.1 ° =0.1× 2π/360
=0.00175432rad
W=0.02mm BH=11.4592mm。
2) 对应关系
)c os)2c os (0 xUUxWUUU mavmav W2(,???? ?????
3） 误差的平均效应
光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用 。
莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差
有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔
条纹的位置和形状影响甚微 。 能在很大程度上消除
短周期误差的影响 。
例 W=0.02mm,接收元件尺寸 10× 10mm2,在
10mm范围内有 500条刻线参与工作, 某几条刻线误
差对莫尔条纹位置和形状基本无影响 。
2.辨向原理及辨向电路
1）为什么要辨向
当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移
动时，在一固定点安装的光电元件只能接
收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数
字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无
法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量
出有往复移动时位移的大小。因而必须在
测量电路中加入辨向电路。
2）辨向原理与辨向电路
辨向电路
设计数器记得脉冲数为
N，位移
x=N W
光栅测量位移属于增量
式测量。
三,细分技术
? 目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。
? 细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周
期内,发出 n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的 1/n。
由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称之
为 n倍频。
? 细分类型：
电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。
1,四倍频细分
在相差 B/4位置上安放两个光电元件, 得到两个相差
π/ 2电压信号 （ S和 C）, 将这两个信号整形, 反相
得到四个依次相差 π/ 2的电压信号 。 0° （ S）,
90° （ C） 180° （ S） 270° （ C） 。
在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动
时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动
时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
2.电位器桥（电阻链）细分
?实现方法及原理
四细分后得到的四个相位差为 90度的交流信号
Umsinθ,Umcosθ 和 -Umsinθ,-Umcosθ 。以这四
个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位
器，构成电位器桥，把 θ=0 -360度,（ x=0-W）
分成四个象限。
每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作
用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相
同的一系列移相信号（新函数）。
四,光栅数显装置
? 主要芯片简介
1.光栅信号处理芯片 (HKF710502)
主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、
参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。
2.逻辑控制芯片（ HKE701314）
主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成 BCD译码；
XJ校验及超速报警。
3.可逆计数与零位记忆芯片（ HKE701201)
主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完
成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位
的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。
五,光栅传感器的应用
3.2 旋转式光电编码器
一,增量式 旋转光电编码器
1.工作原理
2.增量式光电盘
4.旋转方向的判别
二,绝对式光电编码器
1.测量原理
2.绝对式光电码盘
n2
3 6 0
m in
???
3.循环码盘
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。
2）特点
相邻两个数码之
间只有一位变化。
4.提高分辨率的方法－插值法
三,光电编码器的应用
1.在数控机床中的应用
2.角度及转速的测量
脉冲频率法
脉冲周期法
3.3 直线式感应同步器
一,直线式感应同步器的结构
二, 工作原理
三, 数显装置
1.鉴幅式
2.主要性能指标
1）精度
在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的
最大可能偏离量，用正负偏差表示
2）分辨力
系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉
冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量 q是指一个
脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测量，可用下
式计算：
m) ( ?nWq /10 3??
式中,W－节距
n－系统的细分数
3）跟踪速度
当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量
脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而
不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度 ui为
qfu ii ?
式中,fi-增量脉冲频率
q-脉冲当量
四,安装使用注意事项
安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、
滑尺组件和防护罩三部分。
感应同步器的安装要求如下：
五,感应同步器的应用
1.机床闭环控制
2.定位控制
3.随动控制
3.4 旋转变压器
一,旋转变压器的结构
二,旋转变压器的工作原理
1.两级绕组式的工作原理
2.四级绕组式的工作方式
1）鉴相工作方式
定子绕组分别通以同幅
值、同频率、相位相差
90度的交流电压。
tUu
tUu
mc
ms
?
?
c o s
s in
1
1
?
?
根据叠加原理，转子绕组
中的感应电压为这两个电
压的代数和，即
)c o s (2 ?? ?? tKUu m
2）鉴幅式工作方式
当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的
交流电压
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tUu
cmc
sms
?
?
c os
s in
1
1
?
? 其幅值分别为
?
?
c os
s in
mcm
msm
UU
UU
?
?
α－定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为
tKUu m ??? s in)c o s (2 ??
由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而
变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位
移的变化。
三,旋转变压器的应用
在数控机床中的应用
数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。
与模拟传感器相比的特点是,抗干扰能力强,稳定性强 ;
易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。
本章讲述常用的数字式传感器
? 光栅传感器
? 磁栅传感器
? 旋转式光电编码器
? 直线感应同步器
? 旋转变压器
3.1 光栅传感器
一,光栅及其测量系统
1.光栅的结构类型
1）长光栅尺
2）圆光栅
刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用
来测量角度或角位移。
根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向
光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另
一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心
的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
2.光栅测量系统（光栅读数头）
二,光栅传感器的工作原理
1.莫尔条纹的形成及其特征
当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微
小的夹角时,光源照射光栅尺，由于 挡光
效应, 两块光栅刻线的相交处形成亮带，
而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅
线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间
的条纹,这些条纹称为, 莫尔条纹, 。
?莫尔条纹的特征
1) 放大作用
???
W
W
BC
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2
42
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22
放大倍数为 1/θ,θ 越小,
B越大。
例如 θ=0.1 ° 时
θ=0.1 ° =0.1× 2π/360
=0.00175432rad
W=0.02mm BH=11.4592mm。
2) 对应关系
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3） 误差的平均效应
光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用 。
莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差
有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔
条纹的位置和形状影响甚微 。 能在很大程度上消除
短周期误差的影响 。
例 W=0.02mm,接收元件尺寸 10× 10mm2,在
10mm范围内有 500条刻线参与工作, 某几条刻线误
差对莫尔条纹位置和形状基本无影响 。
2.辨向原理及辨向电路
1）为什么要辨向
当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移
动时，在一固定点安装的光电元件只能接
收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数
字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无
法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量
出有往复移动时位移的大小。因而必须在
测量电路中加入辨向电路。
2）辨向原理与辨向电路
辨向电路
设计数器记得脉冲数为
N，位移
x=N W
光栅测量位移属于增量
式测量。
三,细分技术
? 目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。
? 细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周
期内,发出 n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的 1/n。
由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称之
为 n倍频。
? 细分类型：
电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。
1,四倍频细分
在相差 B/4位置上安放两个光电元件, 得到两个相差
π/ 2电压信号 （ S和 C）, 将这两个信号整形, 反相
得到四个依次相差 π/ 2的电压信号 。 0° （ S）,
90° （ C） 180° （ S） 270° （ C） 。
在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动
时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动
时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
2.电位器桥（电阻链）细分
?实现方法及原理
四细分后得到的四个相位差为 90度的交流信号
Umsinθ,Umcosθ 和 -Umsinθ,-Umcosθ 。以这四
个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位
器，构成电位器桥，把 θ=0 -360度,（ x=0-W）
分成四个象限。
每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作
用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相
同的一系列移相信号（新函数）。
四,光栅数显装置
? 主要芯片简介
1.光栅信号处理芯片 (HKF710502)
主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、
参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。
2.逻辑控制芯片（ HKE701314）
主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成 BCD译码；
XJ校验及超速报警。
3.可逆计数与零位记忆芯片（ HKE701201)
主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完
成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位
的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。
五,光栅传感器的应用
3.2 旋转式光电编码器
一,增量式 旋转光电编码器
1.工作原理
2.增量式光电盘
4.旋转方向的判别
二,绝对式光电编码器
1.测量原理
2.绝对式光电码盘
n2
3 6 0
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3.循环码盘
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。
2）特点
相邻两个数码之
间只有一位变化。
4.提高分辨率的方法－插值法
三,光电编码器的应用
1.在数控机床中的应用
2.角度及转速的测量
脉冲频率法
脉冲周期法
3.3 直线式感应同步器
一,直线式感应同步器的结构
二, 工作原理
三, 数显装置
1.鉴幅式
2.主要性能指标
1）精度
在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的
最大可能偏离量，用正负偏差表示
2）分辨力
系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉
冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量 q是指一个
脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测量，可用下
式计算：
m) ( ?nWq /10 3??
式中,W－节距
n－系统的细分数
3）跟踪速度
当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量
脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而
不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度 ui为
qfu ii ?
式中,fi-增量脉冲频率
q-脉冲当量
四,安装使用注意事项
安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、
滑尺组件和防护罩三部分。
感应同步器的安装要求如下：
五,感应同步器的应用
1.机床闭环控制
2.定位控制
3.随动控制
3.4 旋转变压器
一,旋转变压器的结构
二,旋转变压器的工作原理
1.两级绕组式的工作原理
2.四级绕组式的工作方式
1）鉴相工作方式
定子绕组分别通以同幅
值、同频率、相位相差
90度的交流电压。
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根据叠加原理，转子绕组
中的感应电压为这两个电
压的代数和，即
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2）鉴幅式工作方式
当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的
交流电压
tUu
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? 其幅值分别为
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α－定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为
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由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而
变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位
移的变化。
三,旋转变压器的应用
在数控机床中的应用
