第13章数字式传感器数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统相连。数字式传感器具有以下优点：测量精度和分辨率高；抗干扰能力强，稳定性好；易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测量；适宜于远距离传输。分类：脉冲输出式：栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器；编码输出式：绝对编码器；频率输出式；本章讲述常用的数字式传感器光栅传感器旋转式光电编码器内容13.1光栅传感器把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，如图13-2所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图13-2可见，在a-a线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在b-b线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率(1)位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为（2）莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应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，能在很大程度上消除短周期误差的影响。13.1.2光栅传感器的组成光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。1.光栅读数头光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅的光路（1）透射式光路（2）反射式光路前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图13-2看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数.通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期2π，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积：式中：uo——光电元件输出的电压信号；Uo——输出信号中的平均直流分量；Um——输出信号中正弦交流分量的幅值。2.光栅数显表光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。光栅传感器国内常用规格（长光栅）2.光栅测量系统（光栅读数头）光栅传感器的结构光栅传感器光源光电元件光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等。计量光栅又分为长光栅和圆光栅。根据栅线形式不同，分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，亦称幅值光栅；闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，亦称相位光栅。根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，如光学玻璃和制版玻璃；反射光栅则将栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。长光栅莫尔条纹播放动画1)莫尔条纹的放大作用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。辨