第13章数字式传感器 ·283 a-9 (13-1) 位数越大，能分辨的角度越小，测量也越精确。当n=20时，则对应的最小角度 单位为124". 13.1.2.2码盘式编码器的几点说明 (1)接触式四位二进制码盘 a)涂黑部分是导电区所以导电部分连在一起接高电位：空白部分代表绝缘区； b)每圈码边上都有一个电刷，电刷经电阻接地； 当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现响应的电位，对应一定的数码。 (2)分辨角度 若采用n位码盘，则能分辨的角度a-30,n越大→能分辨的角度越小，测量也 2 越精确。 (3)特点 该编码盘的结构虽然结构较简单，但对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要 求十分严格，否则就会出储。 例如：当电刷由h(0111)→i(1000)过度时，如电刷位置安装不准，可能出现8一15 之间的任一十进制数，这种误差属于非单值性误差。 h→i过渡时： 有可能①由h→i1 ②③④h→i111(1111)2-(15)o
13 ·283· 0 360 2 n = （13-1） 位数 n 越大，能分辨的角度越小，测量也越精确。当 n=20 时，则对应的最小角度 单位为 1.24''。 13.1.2.2 码盘式编码器的几点说明 （1）接触式四位二进制码盘 a）涂黑部分是导电区—所以导电部分连在一起接高电位；空白部分代表绝缘区； b）每圈码边上都有一个电刷，电刷经电阻接地； 当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现响应的电位，对应一定的数码。 （2）分辨角度 若采用 n 位码盘，则能分辨的角度 0 360 2 n = ，n 越大 → 能分辨的角度越小，测量也 越精确。 （3）特点 该编码盘的结构虽然结构较简单，但对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要 求十分严格，否则就会出锗。 例如：当电刷由 h（0111） → i（1000）过度时，如电刷位置安装不准，可能出现 8—15 之间的任一十进制数，这种误差属于非单值性误差。 h i → 过渡时： 有可能①由 h i → 1 ②③④ h i → 111 (1111)2=(15)10
·284. 传感器技术设计与应用 也可能①②③④都由h→1(1000)2=(8)10 (4)清除非单值误差的方法 方法1：采用双电刷、工艺电路上都比较复杂，故很少采用. 方法2：采用循环码代替二进制码。由于循环码的相邻的两个数码间只有一位时变 化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。 (5)循环码与二进制码的转换 由于循环码的各位没有固定的权，因此需要把它转换成二进制码。用R表示循环码 用C表示二进制码，二进制码转换为循环码的法则是 将二进制码与其本身右移一位后并舍未位的数码做不进位加法，所得结果就是循环码。 例题：二进制码1000(8)所对应的循环码为1100，因为 1000 二进制码 ⊕100 左移一个并舍去未数 1100 循环码 其中⊕表示不进位相加。二进制码变循环码的一般形式为 CiC.C3.C 二进制码 ⊕CCC_ 右移一位即二进制舍去C。 RRRR循环码 由此得
·284· 也可能①②③④都由 h i → (1000)2=(8)10 （4）清除非单值误差的方法 方法 1：采用双电刷、工艺电路上都比较复杂，故很少采用。 方法 2：采用循环码代替二进制码。由于循环码的相邻的两个数码间只有一位时变 化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最多也只是一位数。 （5）循环码与二进制码的转换 由于循环码的各位没有固定的权，因此需要把它转换成二进制码。用 R 表示循环码， 用 C 表示二进制码，二进制码转换为循环码的法则是： 将二进制码与其本身右移一位后并舍末位的数码做不进位加法，所得结果就是循环码。 例题：二进制码 1000（8）所对应的循环码为 1100，因为 1000 二进制码 100 左移一个并舍去末数 1100 循环码 其中 表示不进位相加。二进制码变循环码的一般形式为 1 2 3. C C C Cn 二进制码 1 2 1 . C C Cn− 右移一位即二进制舍去 Cn 1 2 3 4 R R R R . 循环码 由此得
第13章数字式传感器 ·285· (R=C R=C2⊕C R=C,⊕Ca 从上式也可以导出循环码变二进制码的关系式 C=R C,=R⊕Ca 上时表示，由循环码R变二进制码C时，第一位（最高位）不变，以后从高位开始 依次求出其余各位即本位循环码R,于已经求得的相邻高位二进制码C,作不进位相加 结果就是本位二进制码。因此两相同数码作不进位相加，其结果为0，故C式还可写成 C=R C=RCH+RC 表13-1给出了十进制数、 二进制数及四位循环码对照表。用与非门构并行循环码 二进制码编码器。这种并行转换器的转换速度较快，缺点是所用元件较多，N位码需用 n-1单元。 表13！十进制数、二进制数及四位循环码对照表 十讲制数 一讲数(C) 循环码R) 0000 0000 1 0001 0001 4 0100 0110 5 0101 0111 1000 1100 9 1001 1101 1100 1010 13 1101 1011
13 ·285· 1 1 2 2 1 1 . . i i i R C R C C R C C − = = = 从上式也可以导出循环码变二进制码的关系式 1 1 i i i 1 C R C R C − = = 上时表示，由循环码 R 变二进制码 C 时，第一位（最高位）不变，以后从高位开始 依次求出其余各位，即本位循环码Ri于已经求得的相邻高位二进制码 Ci-1作不进位相加， 结果就是本位二进制码。因此两相同数码作不进位相加，其结果为 0，故 Ci 式还可写成 1 1 1 1 i i i i i C R C R C R C − − = = + 表 13-1 给出了十进制数、二进制数及四位循环码对照表。用与非门构成并行循环码- 二进制码编码器。这种并行转换器的转换速度较快，缺点是所用元件较多，N 位码需用 n-1 单元。 表 13-1 十进制数、二进制数及四位循环码对照表 十进制数 二进制数（C） 循环码(R) 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 10 1010 1111 11 1011 1110 12 1100 1010 13 1101 1011
·286· 传感器技术设计与应用 100 1111 1000 13.1.3激光式角度传感器 13.1.3.1结构原理 激光式角度传感器的结构原理如图13-6所示，这一装置是麦克尔逊干涉仪的变型， M是反射镜，它至于参考光束I中，使光速I和Ⅱ平行。和2是两个可逆反射器，二 者距离d,设置在同一转台上。S是分光镜，它将激光束投到M、F2和聚光镜D上。P 是光电接收器，它将光的干涉条纹变为电信号。 图13-6激光式角度传感器的结构原理 光束1、Ⅱ之间的光#程差和转角α关系 1=dsina (13-2) 1还跟干涉条纹数目K、激光波长#和所射系数n有如下关系。 (13-3)
·286· 14 1110 1001 15 1111 1000 13.1.3.1 结构原理 激光式角度传感器的结构原理如图 13-6 所示，这一装置是麦克尔逊干涉仪的变型。 M 是反射镜，它至于参考光束 I 中，使光速 I 和 II 平行。F1 和 F2 是两个可逆反射器，二 者距离 d，设置在同一转台上。S 是分光镜，它将激光束投到 M、F2 和聚光镜 D 上。P 是光电接收器，它将光的干涉条纹变为电信号。 图 13-6 激光式角度传感器的结构原理 光束Ⅰ、Ⅱ之间的光#程差和转角 关系 l d = sin （13-2） l 还跟干涉条纹数目 K、激光波长#和所射系数 n 有如下关系。 2 k l n = （13-3）
第13章数字式传感器 ·287· 由式(13-2)（13-3)得 a=cn编 (13-4) 2.检测范围：±450 3.特点：分辨率高 分辨率：。=2相应于光电探测器上接收一条条纹的变化。 4,应用：主要应用于角度仪的计量装置。 13.2光栅传感器 光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角 度的精密测量，也可用来测量转换成长度或角度的其他物理量。如：位移、尺寸、转 速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光 栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。 13.2.1光栅传感器的结构与测量原理 狭义来讲：平行等宽而有等间隔的多狭缝即为衍射光栅。广义上讲：任何装置只要 它能起等宽而又等间隔的分割波阵面的作用，则均为衍射光栅。简单说，光栅好似一块 尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。 13.211光栅 图13-7给出的是直线光栅尺。图中，a-透光的缝宽；b-不透光的缝宽；wW=a+b光栅
13 ·287· 由式（13-2）、（13-3）得 arcsin( ) 2 k nd = （13-4） 2. 检测范围： 45 0 3. 特点：分辨率高。 分辨率： 0 2nd = 相应于光电探测器上接收一条条纹的变化。 4. 应用：主要应用于角度仪的计量装置。 光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角 度的精密测量，也可用来测量转换成长度或角度的其他物理量。例如：位移、尺寸、转 速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光 栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。 狭义来讲：平行等宽而有等间隔的多狭缝即为衍射光栅。广义上讲：任何装置只要 它能起等宽而又等间隔的分割波阵面的作用，则均为衍射光栅。简单说，光栅好似一块 尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。 13.2.1.1 光栅 图 13-7 给出的是直线光栅尺。图中，a-透光的缝宽；b-不透光的缝宽；w=a+b 光栅