Chapter6

數字式傳感器6.1轉角-數字編碼器(AngleDigitalEncoder)檢測技術數字傳感器的特點精確度和分辨力高；抗干擾能力強，便于遠距離傳輸；信號易于計算機處理和存貯；可以減少讀數誤差。數字傳感器的分類根據工作原理分為：脈沖數字式傳感器如光柵傳感器、感應同步器、磁柵傳感器等頻率輸出式數字傳感器如振弦式、振筒式和振膜式傳感器

編碼器(Encoder)

機械轉動的模擬量(位移)數字信號(代碼)

編碼器：碼盤（測角度）和碼尺（測長度）

6.1碼盤式傳感器6.1碼盤式傳感器編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對編碼器)接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器6.1碼盤式傳感器增量編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數系統對脈沖進行加減(正向或反向旋轉時)累計計數，一般還需要一個基準數據即零位基準，才能完成角位移測量。絕對編碼器不需要基準數據及計數系統，它在任意位置都可給出與位置相對應的固定數字碼輸出，能方便地與數字系統（如微機）連接。

6.1碼盤式傳感器圖6-1

a）接觸式b）光電式1光源2透鏡3碼盤4狹縫5光電元件6電刷7激勵軌道6.1碼盤式傳感器接觸式二進制碼盤很簡單，但在實際應用中對碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴格，否則就會出現錯誤。例如，當電刷由位置(0111)向位置(1000)過渡時，若電刷安裝位置不準或接觸不良，就可能會出現815之間的任意一個十進制數，這種誤差稱為非單值性誤差。為了消除這種誤差,可采用雙電刷掃描或循環碼。6.1.1工作原理光學碼盤

光學碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形式表示的電信號的轉換部件。圖6-2光學碼盤式傳感器基本結構圖6.1.1工作原理碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規律排列的透光和不透光部分，即亮區和暗區。碼盤構造如圖6-3所示，它是一個6位二進制碼盤。圖6-3碼盤構造6.1.1工作原理當光源將光投射在碼盤上時，轉動碼盤，通過亮區的光線經窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區和暗區的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合，反映出按一定規律編碼的數字量，代表了碼盤軸的角位移大小。6.1.2碼制與碼盤編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環碼等。對于圖6-3所示的6位二進制碼盤，最內圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應于不同的編碼。例如零位對應于000000(全黑)；第23個方位對應于010111。這樣在測量時，只要根據碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉動的中間過程無關。6.1.2碼制與碼盤二進制碼盤的缺點高分辨率的碼盤加工困難易產生衍射；刻劃誤差（粗大誤差）。

6.1.2碼制與碼盤采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數的粗誤差。這主要是因為二進制碼當某一較高的數碼改變時，所有比它低的各位數碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。6.1.2碼制與碼盤消除粗大誤差的方法第一種方法是采用雙電刷，此法在工藝上和電路上都比較復雜，故很少采用。第二種方法是采用循環碼代替二進制碼。6.1.2碼制與碼盤從表中看出，循環碼是一種無權碼，從任何數變到相鄰數時，僅有一位數碼發生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現讀數誤差，產生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產生粗誤差。由于這一原因使得循環碼碼盤獲得了廣泛的應用。6.1.2碼制與碼盤圖6-4所示的是一個6位的循環碼碼盤。對于n位循環碼碼盤，與二進制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。圖6-4六位循環碼碼盤6.1.2碼制與碼盤循環碼碼盤的特點n位循環碼碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n最小分辨力1=3600／2n最外圈角節距為41

；循環碼為無權碼；碼盤轉到相鄰區域時，編碼中只有一位發生變化，不會產生粗誤差。6.1.3二進制碼與循環碼轉換根據上式用與非門構成循環碼-二進制碼轉換器，這種轉換器所用元件比較多。如采用存貯器芯片可直接把循環碼轉換成二進制碼或任意進制碼。6.1.3二進制碼與循環碼轉換二進制碼轉換成循環碼

圖6-5(a)并行變換電路(b)串行變換電路6.1.3二進制碼與循環碼轉換循環碼轉換成二進制碼的電路圖6-6(a)并行變換電路(b)串行變換電路6.1.4應用圖6-7光學碼盤測角儀原理圖6.1.4應用光源1通過大孔徑非球面聚光鏡2形成均狹長的光束照射到碼盤3上。根據碼盤所處的轉角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件出相應的電信號。該信號經放大、鑒幅、整形后,再經當量變換,最后進行譯碼顯示。糾錯和寄存電路在需要時采用。6.1.4應用編碼器的分辨力所代表的角度不是整齊的數，例如一個14位的碼盤,其分辨力為360o/2n=1′l9″。顯示器總是希望以度、分、秒來表示，為此需要使用脈沖當量變換電路。當量變換電路圖6-8當量變換實例當量變換電路工作之前，先把二進制計數器與脈沖當量變換計數器同時復零，將碼盤來的二進制編碼信號(若為循環碼盤，先變為二進制碼信號)輸入。這時振蕩器D1發出的計數脈沖通過與門D2同時進入這兩個計數器。每進一個脈沖，當量變換計數器所計之數增大θ1，圖中按14位碼盤安排，分值計數板進1個脈沖，秒值的十位與個位分別進1個和9個脈沖，128進制計數單元進13個脈沖。各計數單元之間具有進位關系。當量變換電路6.1.4應用當二進制計數器所計之數與二進制編碼輸入相符時，