第14章 數(shù)字式傳感器及工程應(yīng)用

第14章數(shù)字式傳感器及工程應(yīng)用14.1數(shù)字式傳感器概述14.2編碼器14.3數(shù)字式溫度傳感器14.4光柵傳感器14.5數(shù)字式傳感器工程應(yīng)用案例返回主目錄14.1數(shù)字式傳感器概述按傳感器的輸出信號分類，傳感器可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩大類。若傳感器的輸出信號為模擬信號則稱作模擬式傳感器，若傳感器的輸出信號為數(shù)字信號則稱作數(shù)字式傳感器。隨著微型計算機的迅速發(fā)展及應(yīng)用的廣泛普及，微型計算機也進入了檢測、控制領(lǐng)域。由于前面介紹的傳感器都是模擬式傳感器，要與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配接，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才行。這樣既增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，又使控制精度受到A/D轉(zhuǎn)換精度和參考電壓精度的限制。而數(shù)字式傳感器能夠直接將被測參數(shù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，共計算機使用。

數(shù)字式傳感器與模擬式傳感器相比具有如下特點：①具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；②抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；③數(shù)字信號便于遠傳、處理和存儲；④便于和計算機數(shù)字系統(tǒng)連接，構(gòu)建龐大的測量、控制系統(tǒng)；⑤硬件電路便于集成化；⑥安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。數(shù)字式傳感器發(fā)展歷史不長，在測量和控制中，廣泛應(yīng)用的主要有兩類：一類是直接以數(shù)字代碼形式輸出的傳感器，如碼盤式編碼器、數(shù)字式溫度傳感器等；另一類是以脈沖形式輸出的傳感器，如脈沖盤式編碼器、感應(yīng)同步器、光柵和磁柵等。本章主要介紹幾種常用的數(shù)字式傳感器。14.2編碼器

將機械轉(zhuǎn)動的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的傳感器稱作編碼器。它主要分為脈沖盤式編碼器(又叫增量編碼器)和碼盤式編碼器(又叫絕對編碼器)兩大類。而碼盤式按其結(jié)構(gòu)又可分為接觸式和非接觸式兩種，其中非接觸式又有光電式、電磁式等多種。它們的分類關(guān)系如下所示：下面僅介紹幾種應(yīng)用比較廣泛的編碼器。14.2.1增量編碼器1.光電式增量編碼器的工作原理光電式增量編碼器的工作原理如圖14?1所示。它是在一個不透光的圓盤邊緣上，做上一圈圓心角相等的縫隙。在開有縫隙的圓盤兩邊分別安裝光源及光電接收元件。圖14?1光電式增量編碼器工作原理把開有縫隙的圓盤安裝在被測轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)過一個縫隙，在光敏元件上就發(fā)生一次光線的明暗變化，光敏元件就把光線的明暗變化變成一個電脈沖信號輸出。再經(jīng)過放大整形，就可以得到具有一定幅度的矩形脈沖信號，并且該矩形脈沖的個數(shù)等于圓盤轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)。將矩形脈沖信號送到計數(shù)器中去進行計數(shù)，則計數(shù)碼的大小就能反映圓盤轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角大小。顯然，圓盤上縫隙數(shù)的多少，代表了脈沖盤式編碼器的精度和分辨率。通常把圓盤上的一圈縫隙稱作一個碼道。具有碼道的圓盤稱作碼盤。2.旋轉(zhuǎn)方向判別電路由圖14?1可知，該碼盤可以把角位移轉(zhuǎn)變成電量，但它不能給出轉(zhuǎn)動的方向和零位。為了辨別角位移的方向，必須把它進行改進。改進后的碼盤具有等角距的內(nèi)外兩個碼道，并且內(nèi)外碼道的相鄰兩縫距離錯開半條縫寬，另外在內(nèi)外碼道（通常在外碼道）之外，開一狹縫，表示碼盤的零位，并在該碼盤的某一徑向位置兩側(cè)安裝光源、窄縫和光電轉(zhuǎn)換元件組，其結(jié)構(gòu)如圖14?2所示。顯然，它將轉(zhuǎn)過的角位移轉(zhuǎn)換成A、B兩路矩形脈沖輸出信號，并且被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向不同，則A、B兩路矩形脈沖的輸出相位也不一樣(見圖14?2(b))，利用這個相位差就可實現(xiàn)辨向計數(shù)。圖14?2光電式增量編碼器的結(jié)構(gòu)圖14?3光電式增量編碼器辨向計數(shù)電路及輸出波形常見的辨向計數(shù)電路結(jié)構(gòu)如圖14?3(a)所示。設(shè)內(nèi)碼道比外碼道超前半條縫寬，且透光縫隙和不透光縫隙寬度相等。當(dāng)正轉(zhuǎn)時，光敏元件2比光敏元件1先感光，經(jīng)放大整形后輸出B脈沖比A脈沖超前90?如圖14?3(b)所示。由于他們分別接到D觸發(fā)器的CP端和D端，則D觸發(fā)器在B脈沖的上升沿觸發(fā)，使D觸發(fā)器的Q端始終是零(即Q=0)。而Y輸出端則是碼盤每轉(zhuǎn)過一條縫隙就輸出一個脈沖。當(dāng)反轉(zhuǎn)時，光敏元件1比光敏元件2先感光，A脈沖比B脈沖超前90?，使D觸發(fā)器的Q端始終是1(即Q=1)。而Y輸出端則仍然是碼盤每轉(zhuǎn)過一條縫隙就輸出一個脈沖。將Q接到可逆計數(shù)器的加減控制端M，Y經(jīng)延時后接到可逆計數(shù)器的脈沖輸入端CP，則當(dāng)Q=0時可逆計數(shù)器加法(正轉(zhuǎn))計數(shù)，而當(dāng)Q=1時可逆計數(shù)器減法(反轉(zhuǎn))計數(shù)。將零位脈沖信號接到可逆計數(shù)器的復(fù)位端，實現(xiàn)了碼盤每轉(zhuǎn)動一圈就復(fù)位一次的目的。這樣無論正傳還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器每次反應(yīng)的都是相對于上次轉(zhuǎn)角的增量，故又把它稱作增量式編碼器。14.2.2碼盤式編碼器碼盤式編碼器是按角度直接進行編碼的傳感器。這種傳感器是把碼盤裝在被檢測的轉(zhuǎn)軸上，它的特點是可把轉(zhuǎn)軸的任意位置給出一個與位置相對應(yīng)的固定數(shù)字編碼輸出，能方便與數(shù)字系統(tǒng)（如微機）連接。碼盤式編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式編碼器的數(shù)字信號通過碼盤上的電刷輸出，長時間使用容易造成電刷磨損。非接觸式編碼器無電刷，而且體積小、壽命長，分辨率高，在自動測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。下面僅介紹碼盤式編碼器中性價比最高的光電式編碼器(a)光電式編碼器結(jié)構(gòu)示意圖(b)四位二進制碼盤結(jié)構(gòu)示意圖圖14?4光電式編碼器光電式編碼器屬于非接觸式，其基本結(jié)構(gòu)如圖14?4(a)所示。其中碼盤是由光學(xué)玻璃制成的，上面刻有許多同心碼道，每一條碼道上都刻有透光和不透光兩種區(qū)域，如圖14?4(b)所示。碼盤的編碼規(guī)則按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等多種。圖14?4(b)所示是一個四位二進制碼盤，最內(nèi)圈是二進制數(shù)的最高位，只有0和1，故碼道一半黑、一半白；四位二進制數(shù)的最小數(shù)是0，而最大數(shù)是15，故最外圈是24=16個大小相等而黑白相間的區(qū)域。其最小分辨角度α=360?/24=22.5?。由此可知，一個n位二進制碼盤的最小分辨角度α=360?/2n。且n越大，能分辨的角度越小，測量精度也就越高。二進制碼盤雖然結(jié)構(gòu)簡單，但對碼盤的制作和安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會出錯。例如：當(dāng)碼盤由（0111）向（1000）過度時，如果由于刻線誤差或安裝誤差等原因，使某一位提前或延后改變，就會出現(xiàn)較大誤差。為了避免較大誤差，通常采用循環(huán)碼盤代替二進制碼盤。一個四位循環(huán)碼盤的結(jié)構(gòu)如圖14-5所示。圖14?5四位循環(huán)碼碼盤結(jié)構(gòu)示意圖

表14-1給出了四位二進制碼和四位循環(huán)碼的對照表。從表中看出，由于循環(huán)碼相鄰的兩個數(shù)碼間只有一位變化，因此，即使制作和安裝不準(zhǔn)，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。從而大大提高了準(zhǔn)確度。十進制數(shù)(D)二進制碼(B)循環(huán)碼(C)十進制數(shù)(D)二進制碼(B)循環(huán)碼(C)000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000表14?1四位二進制碼與四位循環(huán)碼對照表

由于循環(huán)碼的各位沒有固定的權(quán)，通常需要把它轉(zhuǎn)換成二進制碼，然后再譯碼輸出。用C(C4C3C2C1)表示循環(huán)碼，用B(B4B3B2B1)表示二進制碼，從表14?1中可以找出循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進制碼的法則是

將它推廣到n位，則n位循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成n位二進制碼的法則是：

(14-1)(14-2)這種并行轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，缺點是所用元件較多。n位循環(huán)碼需用n-1個異或門。若用存儲芯片設(shè)計這種轉(zhuǎn)換器較為簡單。

根據(jù)式(14-1)設(shè)計一個四位循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進制碼的電路，即可用循環(huán)碼盤實現(xiàn)轉(zhuǎn)角的精確測量。設(shè)計這種轉(zhuǎn)換電路的方法很多，用異或門設(shè)計的轉(zhuǎn)換器如圖14-6所示。圖14?6循環(huán)碼—二進制碼轉(zhuǎn)換器14.3數(shù)字式溫度傳感器數(shù)字式溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種新型溫度傳感器，它的特點是直接將溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出，使用方便，測得的溫度更加準(zhǔn)確，便于和微機連接等。典型數(shù)字式溫度傳感器是DS18B20，它是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，工作電壓是3.0~5.5V/DC，測量溫度范圍為-55~+125°C，測溫分辨率為9~12位用戶可編程，最高精度可達±0.5°C。采用“一線總線”接口方式?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的串行數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。14.3.1DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖14?7是DS18B20的三種封裝形式，是三引腳器件。其中DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為地端；VDD為外接電源輸入端，當(dāng)采用寄生電源供電時，此端接地；NC為空引腳端。圖14?7DS18B20的封裝形式

圖14-8是DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它主要由64位光刻ROM、高速暫存RAM，溫度傳感器、EEPROM（存放高溫報警值TH、低溫報警值TL及配置寄存器值）四部分組成。圖14?8DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖1.光刻ROM光刻ROM中的64位數(shù)碼是出廠前被光刻好的，稱作DS18B20的序列號，這個序列號可以看作是該DS18B20的地址碼。以便實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20。64位光刻ROM的排列是：前8位是單線系列編碼，后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56位的CRC碼（冗余校驗）。2.EEPROMEEPROM是一個非易失性的可電擦除存儲器，共3個字節(jié)，分別存放高溫報警值TH、低溫報警值TL和配置寄存器值，掉電后數(shù)據(jù)不丟失。并在RAM中都存在鏡像。在EEPROM中，TH、TL寄存器的數(shù)據(jù)格式如下所示。其中S是符號位，0代表正，1代表負。配置寄存器的數(shù)據(jù)格式如下所示，它的作用是設(shè)置DS18B20的模式和分辨率。

其中，TM是模式設(shè)置位，TM=0代表工作模式，TM=1代表測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動它。R1和R0是用來設(shè)置分辨率的，其數(shù)值與分辨率的關(guān)系列于表14?2中。表14?2DS18B20數(shù)字溫度傳感器分辨率設(shè)置表3.高速暫存RAM它共有九個字節(jié)，每個字節(jié)都有一個地址。其中地址0和1存放溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)值；地址2和3是TH、TL的拷貝；地址4則是配置寄存器的拷貝。地址2、3、4的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。地址5、6、7是計數(shù)寄存器，也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。地址8存放的是前八個字節(jié)的CRC碼。其中地址0存放溫度值的低字節(jié)數(shù)值，地址1存放溫度值的高字節(jié)數(shù)值，不用的高位都作符號位?，F(xiàn)以12位分辨率為例，說明各位的定義及數(shù)據(jù)的存放形式。下圖是各位的定義：其中S為符號位，0代表正，1代表負。當(dāng)DS18B20完成對溫度的測量后，就把它轉(zhuǎn)換成一個二進制數(shù)存放到RAM的地址0和1字節(jié)中。并且這個二進制數(shù)是用16位符號擴展的二進制補碼形式提供，它的幾個典型數(shù)值對應(yīng)關(guān)系如表14-3所示。表14?3DS18B20典型溫度值與二進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系14.3.2DS18B20芯片指令介紹

1.ROM操作指令（共5條）1）ReadROM（讀ROM）[33H]

這個指令是讀取DS18B20的64位ROM值。當(dāng)總線上只存在一個DS18B20的時候才可以使用此指令。2）MatchROM（指定匹配芯片）[55H]

這個指令后面緊跟著由單片機發(fā)出的64位序列號，當(dāng)總線上有多只DS18B20時，只有與單片機發(fā)出的序列號相同的芯片才做出反應(yīng)。這條指令適應(yīng)單芯片和多芯片掛接。3）SkipROM（跳過ROM指令）[CCH]這條指令使芯片不對ROM編碼做出反應(yīng)，在單芯片的情況之下，為了節(jié)省時間則可以選用此指令。如果在多芯片掛接時使用此指令將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致錯誤出現(xiàn)。4）SearchROM（搜索芯片）[F0H]在芯片初始化后，當(dāng)總線上掛接多芯片時，可用搜索指令識別所有器件的64位ROM值。5）AlarmSearch（報警芯片搜索）[ECH]在多芯片掛接的情況下，報警芯片搜索指令只對符合溫度高于TH或小于TL報警條件的芯片做出反應(yīng)。只要芯片不掉電，報警狀態(tài)將被保持，直到再一次測得溫度達不到報警條件時為止。2.RAM存儲器操作指令（共6條）

1）WriteScratchpad（向RAM中寫數(shù)據(jù)）[4EH]這是向RAM中寫入數(shù)據(jù)的指令。首先把TH值寫入RAM的地址2字節(jié)，然后把TL值寫入RAM的地址3字節(jié)，最后把配置寄存器值寫入RAM的地址4字節(jié)。數(shù)據(jù)從最低有效位開始傳送。寫入過程中可以用復(fù)位信號中止。上述三個字節(jié)的寫入必須發(fā)生在總線控制器發(fā)出復(fù)位命令前，否則會中止寫入。

2）ReadScratchpad（從RAM中讀數(shù)據(jù)）[BEH]這是從RAM中讀數(shù)據(jù)指令，從地址0開始一直讀到地址8，完成整個RAM數(shù)據(jù)的讀出。芯片允許在讀過程中用復(fù)位信號中止讀取，即可以不讀后面不需要的字節(jié)以減少讀取時間。3）CopyScratchpad[48H]這是將RAM中的數(shù)據(jù)存入EEPROM中指令，以使數(shù)據(jù)掉電不丟失。此后由于芯片忙于EEPROM儲存處理，總線上輸出“0”，當(dāng)儲存工作完成時，總線將輸出“1”。4）ConvertT[44H]此指令是溫度轉(zhuǎn)換指令，收到此指令后芯片將進行一次溫度轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的溫度值放入RAM的地址0和1字節(jié)里。溫度轉(zhuǎn)換期間，總線上輸出“0”，當(dāng)轉(zhuǎn)換儲存工作完成時，總線將輸出“1”。在寄生工作方式時必須在發(fā)出此指令后立刻啟動強上拉，并保持一定時間（比如11位分辨率時應(yīng)至少保持375ms）來維持芯片工作。

5）RecallEEPROM

[B8H]此指令將EEPROM中的報警寄存器值（TH和TL）及配置寄存器值復(fù)制到RAM中的地址2、3、4字節(jié)里。此后由于芯片忙于復(fù)制處理，總線上輸出“0”，當(dāng)復(fù)制工作完成時，總線將輸出“1”。另外，此指令將在芯片上電復(fù)位時被自動執(zhí)行。這樣RAM中的兩個報警字節(jié)和配置寄存器字節(jié)里將始終為EEPROM中數(shù)據(jù)的鏡像。6）ReadPowerSupply（工作方式切換）[B4H]此指令發(fā)出后，芯片會返回它的電源狀態(tài)字，“0”為寄生電源狀態(tài)，“1”為外部電源狀態(tài)。14.3.3DS18B20與微控制器的連接電路DS18B20與微控制器（單片機）的硬件連接電路如圖14-9所示，其中，圖14-9(a)是DS18B20采用外部電源供電方的連接電路；圖14-9(b)是DS18B20采用寄生電源供電方式的連接電路圖14-9DS18B20與微控制器的連接電路14.3.4DS18B20的讀/寫時間隙：DS18B20的數(shù)據(jù)讀/寫是通過時間隙處理位和命令字來確認信息交換的。1.寫時間隙：

寫時間隙分為寫“0”和寫“1”，時序如圖14-10所示。圖14-10

寫時間隙時序

總線控制器要產(chǎn)生一個寫時序，必須把數(shù)據(jù)線拉到低電平然后釋放。若在寫時序開始后的15μs內(nèi)釋放總線?？偩€被5K的上拉電阻拉至高電平，則表示控制器寫“1”。而后則是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間，采樣時間為15~60μs。若在寫時序開始后的15μs內(nèi)不釋放總線，并持續(xù)保持至少60μs，則表示控制器寫“0”。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個至少15μs的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“0”或“1”應(yīng)該在45μs內(nèi)完成。整個位的發(fā)送時間應(yīng)該保持在60~120μs，否則不能保證通信的正常。

2.讀時間隙：讀時間隙也分為讀“0”和讀“1”兩種情況，時序如圖14-11所示。讀時間隙時控制時的采樣時間應(yīng)該更加的精確才行，讀時間隙時序也是必須先由主機產(chǎn)生至少1μs的低電平，表示讀時間的起始。圖14-11

讀時間隙時序隨后在總線被釋放后的15μs中DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位，這時控制器如果發(fā)現(xiàn)總線為高電平則表示讀出數(shù)據(jù)是“1”，如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)是“0”。每一位的讀取之前都由控制器加一個起始信號。14.3.5單片機對DS18B20操作流程若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待500ms溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9個字節(jié)，中途可停止，只讀簡單溫度值則讀前2個字節(jié)即可）。具體過程如下：①復(fù)位：復(fù)位就是由控制器（單片機）給DS18B20單總線至少480μs的低電平信號。②存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60μs后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60~240μs的低電平信號。③控制器發(fā)送ROM指令：ROM指令共有5條，每條指令長度為8位，每一個工作周期只能發(fā)一條，它們的功能是對片內(nèi)64位光刻ROM進行操作。④控制器發(fā)送存儲器操作指令：在ROM指令發(fā)送給18B20之后，緊接著就是發(fā)送存儲器操作指令了。⑤執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：存儲器操作指令結(jié)束后，就進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。14.3.6DS18B20使用注意事項較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個，在實際應(yīng)用中并非如此。連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。在DS18B20測溫程序設(shè)計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。14.4光柵傳感器

光柵按其工作原理和用途分類，有物理光柵和計量光柵之分。物理光柵是利用光柵的衍射現(xiàn)象工作的，主要用于光譜分析和光波長的檢測；計量光柵則是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來進行測量的，在坐標(biāo)測量儀和數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。14.4.1光柵的結(jié)構(gòu)及測量原理1.光柵的結(jié)構(gòu)

在鍍膜玻璃上均勻刻制許多明暗相間、等間距分布的細小條紋，就稱作光柵。光柵又分為長光柵和圓光柵兩類。每一類又分為透射式和反射式兩種。圖14-12所示為透射式長光柵結(jié)構(gòu)示意圖。它好象一把尺子，故通常又把光柵稱作光柵尺。a為不透光的縫寬，b為透光的縫寬；w=a+b稱為柵距（也稱作光柵常數(shù)），對于光柵尺來說是一個重要的參數(shù)。通常a=b=w/2，有的是a:b=1.1:0.9。圖14-12透射式長光柵結(jié)構(gòu)示意圖2.莫爾條紋將兩塊柵距相等的黑白型長光柵尺面對面相疊合，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，如圖14-13所示，這樣就可以看到在近于垂直的柵線方向形成明暗相間的條紋，這些條紋被稱作莫爾條紋。其中，兩條相鄰亮條紋（或暗條紋）之間的距離，稱作莫爾條紋的間距，記作BH圖14-13莫爾條紋的形成點擊進行莫爾條紋移動演示可動光柵固定光柵

3.測量原理實驗證明，當(dāng)一塊光柵不動，另一塊光柵沿著水平方向每移動一個微小的柵距w時，莫爾條紋就在垂直方向也相應(yīng)的移動一個較大的條紋間距BH。當(dāng)光柵反向移動時，條紋移動方向也反向。其演示實驗如下圖所示。從圖14?13(b)可以看出，線段AB=BH，線段BC=w/2。在兩塊光柵的柵線夾角θ較小時，莫爾條紋的間距BH與光柵的柵距w和柵線夾角θ之間有下列關(guān)系。

此式說明，莫爾條紋把柵距w放大了1/θ倍，且θ越小，放大倍數(shù)就越大(如w=0.02mm,θ=0.0017453rad(即0.1)，則BH=11.459mm)。也就是莫爾條紋的間距越大。由于莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同作用產(chǎn)生，所以對光柵刻線誤差有一定的平均抵消作用，能消除短周期誤差的影響。其次，因大間距容易測量和細分，可大大提高光柵的靈敏度。(14-3)綜上分析可知，莫爾條紋具有一下三個特點：①莫爾條紋具有位移放大作用。即將較小的位移間距放大成較大的莫爾條紋間距，便于測量和細分，提高測量精度。②莫爾條紋的移動方向與可動光柵的移動方向有關(guān)。即當(dāng)可動光柵沿著水平方向移動時，莫爾條紋就在垂直方向也相應(yīng)的移動。當(dāng)可動光柵反方向移動時，莫爾條紋的移動方向也反向。③莫爾條紋具有光柵刻線誤差的平均抵消作用。由于莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同產(chǎn)生，所以對光柵刻線誤差有一定的平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。14.4.2光柵傳感器的結(jié)構(gòu)

1.光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由標(biāo)尺光柵(又稱主光柵)、指示光柵(又稱副光柵)、光路系統(tǒng)和光電器件等組成。其長光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)如圖14-14所示。圖14-14

長光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)

其中主光柵較長，它的有效長度即為測量范圍；副光柵較短，但兩者具有相同的柵距。光路系統(tǒng)和光電器件與副光柵固定為一體。使用時一般副光柵固定不動，而主光柵安裝在被測物體上，并隨被測物體一起移動。光柵讀數(shù)頭的主、副光柵通過光路系統(tǒng)就把被測物體的微小位移量轉(zhuǎn)變成了莫爾條紋的亮暗變化。并且當(dāng)被測物體每移動一個微小柵距w時，莫爾條紋的亮度就明暗變化正好一個周期。光電器件的作用就是把莫爾條紋的這種明暗變化轉(zhuǎn)變成正弦變化的電信號，從光電器件輸出。

2.光柵數(shù)顯表光柵讀數(shù)頭把位移量轉(zhuǎn)變成了一個正弦電量輸出，要實現(xiàn)位移的測量和顯示還需要一個光柵數(shù)顯表。光柵數(shù)顯表主要有放大整形電路、辨向電路、細分電路及計數(shù)顯示電路等組成。放大整形電路的工作原理比較簡單。下面著重介紹辨向電路和細分技術(shù)的結(jié)構(gòu)及工作原理。1）辨向電路及辨向原理辨向電路的作用是判別位移的方向。由圖14-14可知，無論主光柵向左還是向右移動，莫爾條紋都作明暗交替變化，光電元件總是輸出同一變化規(guī)律的正弦電信號，無法辨別移動方向。圖14-15

辨向電路及辨向原理為了判斷位移的方向，在相隔1/4條紋間距（即BH/4）的位置上各放置一個光電器件，如圖14-15（a）所示。假設(shè)主光柵向右移動時，莫爾條紋向下移動，這樣，兩個光電元件輸出的正弦電信號u1和u2將出現(xiàn)π/2的相位差。經(jīng)過放大整形后得到兩個方波信號u1'和u2'，如圖14-15（b）所示。經(jīng)微分電路變成脈沖信號，如圖14-15（c）所示。從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可以看出，當(dāng)主光柵沿A方向移動時，u1'經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖，正好發(fā)生在u2'為“1”電平時，從而經(jīng)Y1輸出一個計數(shù)脈沖；而u1'經(jīng)反相微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2'的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞,故Y2無脈沖輸出。同理可知，當(dāng)光柵沿A反方向移動時，與門Y1無脈沖輸出，與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖，如圖14-15（d）所示。

2）細分技術(shù)所謂細分技術(shù)，就是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，來提高分辨率。細分方法目前有機械細分和電子細分兩大類。這里僅介紹四倍頻電子細分方法。在上述辨向原理中，由于在莫爾條紋1/4的間距上安置了兩只光電元件，那么在這兩只光電元件上輸出的電壓交流分量u1和u2將出現(xiàn)π/2的相位差。若將這兩個信號反向，在一個柵距內(nèi)就可以獲得四個依次相差π/2的交流電信號，當(dāng)光柵作相對運動時，再經(jīng)微分電路，就可以根據(jù)運動方向，在一個柵距內(nèi)得到四個正向計數(shù)脈沖，或四個反向計數(shù)脈沖。實現(xiàn)四倍頻細分。當(dāng)然，也可以在相差B/4的位置上安裝四個光電器件來得到。14.4.3光柵傳感器的精度1.光柵傳感器的精度長光柵傳感器的誤差可控制在0.2~0.4μm/m，分辨率為0.1μm，電路允許的計數(shù)速度為200mm/s。圓光柵傳感器的精度為0.1″~0.2″，分辨率為0.1″，電路允許的計數(shù)速度可達13.8°/s。2.光柵傳感器的應(yīng)用范圍長度與角度的精確測量，主要應(yīng)