第 10章
位移 -数字传感器
电子信息及电气工程系
10-1 概述
一、位移 -数字传感器的特点,
大量程，高精度，高分辨率，抗干扰
能力强，稳定性好，易于与计算机接口。
二、分类
角度数字编码器
光栅传感器
感应同步器
10-2 编码器
一、分类
脉冲盘式编码器（增量编码器）
接触式编码器
编码器 码盘式编码器 电磁式编码器
（绝对编码器）光电编码器
二、码盘式编码器（绝对编码器）
1、接触式码盘
1）四位二进制码盘
电刷
α=360 0/2n
循环码盘
2）循环码盘
相邻的两个数码间只有一个是变化的
。可降低对对码盘的制作与电刷的安装
要求。
2、光电式编码器（非接触式）
结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透
光的码形。装有与码道相同个数的光电转换
元件替代电刷。
提高分辨率
的方法：插
值法
特点：非接触式，分辨率高，精度高
（ 10-8）,n可达 16，体积小,
易于集成，允许高速旋转。但
复杂，光源寿命较短。
三、脉冲盘式编码器（增量编码器）
1、结构与工作原理
光电转换器
光栅盘缝隙
(1度 1个 )
光电管
三、脉冲盘式编码器（增量编码器）
实际码盘
零位
外圈
内圈
零位脉冲
A相脉冲
B相脉冲
光电
转换
n决定了码盘的精度，受电刷数量的限制
特点：简单
对码盘的制作与电刷的安装要求严
辩向电路,
2、输出
例：国产 SZGH-01
600P/r A,B相脉冲，相差 90度
1P/r C脉冲，作零位标记
30KHZ
最高可达 25000P/r
3、精度取决于码盘本身的精度
分辨率取决于每转的脉冲数
4、利用 C相脉冲，每转一圈复位一次，
因而无论正、反转，计数器每次反映的
都是相对于上次角度的增量，故称为增
量法。
10-3 栅式数字传感器
一、分类
1、光栅,
物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于
光谱分析，波长等的测定。
计量光栅：利用莫尔（ Moire）现象，主
要用于测量长度、角度,v,a
,震动等。
2、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录
音带。
本节主要介绍计量光栅
二、计量光栅
1、分类
透射光栅 长光栅 幅值光栅（黑白光栅）
反射光栅 圆光栅 相位光栅（闪耀光栅）
新型：激光全息光栅，偏振光栅
此处主要讲 透射光栅
2、工作原理
光栅,栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则
、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。
a=b
光栅距,
d = a+b
a
b
d
w
莫尔条纹两个亮
条纹之间的宽度
既为其间距。
莫尔条纹,两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅
线形成很小的夹角 θ,由此出现的明暗相间的条
纹。
w
w
1）栅尺,
标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动
指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔
条纹区。
2）莫尔条纹,
w = d/θ 当 θ很小时 w对 d有几百倍的放大作用
例：令 d = 0.02mm,θ = 0.00174532rad
则 w = d/θ = 11.4592mm
K= w / d=573
栅尺移动一个 d,莫尔条纹移动一个 w ；
栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应
误差平均效应,
栅线标准均方差 σ
莫尔条纹均方差：
σ=√n
3）光能分布,
理想：三角波
实际：正弦波
四、光栅测量系统
组成,
光栅光学系统
电子系统（细分、辩向、显示）
机械部分
1、光栅光学系统（简称光栅系统）
1）组成与功能
a 照明系统 ；
b 光栅副,标尺光栅与指示光栅，在平行
光照射下形成 莫尔条纹。
测量装置的精度主要由标尺光栅决定。
c 光电接收系统,光电接收元件，把由光栅副
形成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。
光电元件输出信号的周期数与移过的栅距
数相等。
光栅读数头,照明系统，指示光栅，光电接
收系统（除标尺光栅外）组合在一起。在它与标
尺光栅作相对位移的过程中，根据标尺光栅读出
移动部件的位移量。
辩向,
2、电子系统
1）电子细分
目的：提高分辨率
措施：倍频、插补，在信号的一个周期内
插入许多计数脉冲，以提高信号的
重复频率和分辨率。
分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等
向
a 四倍频直接细分电路,
在一个 w内依次放四个光电接收元件，相差
90度，移动一个 d，可获得四相信号。
整形、辩向。
10
倍
频
矢
量
图
b 矢量细分 (P201)
2、光栅测量的特点
高精度,0.2- 0.4μm/m,仅次于激光
高分辨率,0.1μm
大量程：可大于 1米
抗干扰能力强，可实现动态测量。
3、应用范围
长度与角度的精密测量（如数控机床，
测量机等），以及能变为位移的物理量（
如震动、应力、应变等）。
作 业
1、试述光栅传感器的基本原理及特点。
2、电子细分电路的目的是什麽？
3、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。
如果光敏二极管的响应时间为 10-6S，栅线
密度为 50线 /mm，计算光栅所允许的移动速
度。
位移 -数字传感器
电子信息及电气工程系
10-1 概述
一、位移 -数字传感器的特点,
大量程，高精度，高分辨率，抗干扰
能力强，稳定性好，易于与计算机接口。
二、分类
角度数字编码器
光栅传感器
感应同步器
10-2 编码器
一、分类
脉冲盘式编码器（增量编码器）
接触式编码器
编码器 码盘式编码器 电磁式编码器
（绝对编码器）光电编码器
二、码盘式编码器（绝对编码器）
1、接触式码盘
1）四位二进制码盘
电刷
α=360 0/2n
循环码盘
2）循环码盘
相邻的两个数码间只有一个是变化的
。可降低对对码盘的制作与电刷的安装
要求。
2、光电式编码器（非接触式）
结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透
光的码形。装有与码道相同个数的光电转换
元件替代电刷。
提高分辨率
的方法：插
值法
特点：非接触式，分辨率高，精度高
（ 10-8）,n可达 16，体积小,
易于集成，允许高速旋转。但
复杂，光源寿命较短。
三、脉冲盘式编码器（增量编码器）
1、结构与工作原理
光电转换器
光栅盘缝隙
(1度 1个 )
光电管
三、脉冲盘式编码器（增量编码器）
实际码盘
零位
外圈
内圈
零位脉冲
A相脉冲
B相脉冲
光电
转换
n决定了码盘的精度，受电刷数量的限制
特点：简单
对码盘的制作与电刷的安装要求严
辩向电路,
2、输出
例：国产 SZGH-01
600P/r A,B相脉冲，相差 90度
1P/r C脉冲，作零位标记
30KHZ
最高可达 25000P/r
3、精度取决于码盘本身的精度
分辨率取决于每转的脉冲数
4、利用 C相脉冲，每转一圈复位一次，
因而无论正、反转，计数器每次反映的
都是相对于上次角度的增量，故称为增
量法。
10-3 栅式数字传感器
一、分类
1、光栅,
物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于
光谱分析，波长等的测定。
计量光栅：利用莫尔（ Moire）现象，主
要用于测量长度、角度,v,a
,震动等。
2、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录
音带。
本节主要介绍计量光栅
二、计量光栅
1、分类
透射光栅 长光栅 幅值光栅（黑白光栅）
反射光栅 圆光栅 相位光栅（闪耀光栅）
新型：激光全息光栅，偏振光栅
此处主要讲 透射光栅
2、工作原理
光栅,栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则
、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。
a=b
光栅距,
d = a+b
a
b
d
w
莫尔条纹两个亮
条纹之间的宽度
既为其间距。
莫尔条纹,两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅
线形成很小的夹角 θ,由此出现的明暗相间的条
纹。
w
w
1）栅尺,
标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动
指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔
条纹区。
2）莫尔条纹,
w = d/θ 当 θ很小时 w对 d有几百倍的放大作用
例：令 d = 0.02mm,θ = 0.00174532rad
则 w = d/θ = 11.4592mm
K= w / d=573
栅尺移动一个 d,莫尔条纹移动一个 w ；
栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应
误差平均效应,
栅线标准均方差 σ
莫尔条纹均方差：
σ=√n
3）光能分布,
理想：三角波
实际：正弦波
四、光栅测量系统
组成,
光栅光学系统
电子系统（细分、辩向、显示）
机械部分
1、光栅光学系统（简称光栅系统）
1）组成与功能
a 照明系统 ；
b 光栅副,标尺光栅与指示光栅，在平行
光照射下形成 莫尔条纹。
测量装置的精度主要由标尺光栅决定。
c 光电接收系统,光电接收元件，把由光栅副
形成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。
光电元件输出信号的周期数与移过的栅距
数相等。
光栅读数头,照明系统，指示光栅，光电接
收系统（除标尺光栅外）组合在一起。在它与标
尺光栅作相对位移的过程中，根据标尺光栅读出
移动部件的位移量。
辩向,
2、电子系统
1）电子细分
目的：提高分辨率
措施：倍频、插补，在信号的一个周期内
插入许多计数脉冲，以提高信号的
重复频率和分辨率。
分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等
向
a 四倍频直接细分电路,
在一个 w内依次放四个光电接收元件，相差
90度，移动一个 d，可获得四相信号。
整形、辩向。
10
倍
频
矢
量
图
b 矢量细分 (P201)
2、光栅测量的特点
高精度,0.2- 0.4μm/m,仅次于激光
高分辨率,0.1μm
大量程：可大于 1米
抗干扰能力强，可实现动态测量。
3、应用范围
长度与角度的精密测量（如数控机床，
测量机等），以及能变为位移的物理量（
如震动、应力、应变等）。
作 业
1、试述光栅传感器的基本原理及特点。
2、电子细分电路的目的是什麽？
3、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。
如果光敏二极管的响应时间为 10-6S，栅线
密度为 50线 /mm，计算光栅所允许的移动速
度。
