14数字式传感器习题及解答

一、单项选择题

1、循环码0110对应的二进制码是（ ）。

A. 0110 B. 0100 C. 0101 D. 1001 2、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距（ ）

A．与栅线的宽度成正比 B.与栅线间宽成正比 C．与夹角近似成正比 D.与栅距近似成正比

3、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终 止位置对应的编码是0101，则该码盘转动的角度可能会是（ ）

A．45° B.60° C.90° D.120°

4、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终止位置对应的编码是1111，则该码盘转动的角度可能会是（ ）

A．60° B.90° C.180° D.270° 5、一个6位的二进制光电式编码器，其测量精度约为（ ）

A．5.6° B. 0.17° C．0.016° D. 60° 6、（ ）属于脉冲盘式编码器。

A．接触式编码器 B．光电式编码器 C．增量编码器 D．电磁式编码器

7、采用50线/mm的计量光栅测量线位移,若指示光栅上的莫尔条纹移动了12条,则被测线位移为（ ）mm A．0.02 B. 0.12 C． 0.24 D. 0.48

二、多项选择题

1、以下传感器中属非接触式的有：（ ）

A.电磁式编码器 B.光电式编码器 C.脉冲盘式编码器 D.计量光栅 2、计量光栅的特点是（ ）。

A．测量精度高 B．成本低 C．非接触式 D．对环境要求不高

三、填空题

1、循环码1101对应的二进制码是

。

。

2、采用4位二进制码盘能分辨的角度为 3、计量光栅是利用光栅的

现象进行测量的。

。

4、光栅测量原理是以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为 5、莫尔条纹有

、 和 这三个重要特点。

近似成反比。

6、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距与

7、目前为止，数字式传感器最主要的两种类型是 和 。 8、直线式编码器用于测量 ， 用于测量角位移。 9、计量光栅主要由 和 两部分组成。

10、计量光栅中的光电转换装置包括主光栅、 、 和光电元件。 11、为了提高光栅的分辨率，测量比栅距更小的位移量，光栅采用细分技术，常有的细分技术有直接细分、 和 。

12、数字式传感器是能够直接将 转换为 的传感器。与模拟式传感器相比，具有测量精度和分辨率高、 、抗干扰能力强、便于与微机接口和适宜 的优点。

13、数字式传感器主要有 和 两种类型，可用于 和 测量。

14、编码器按结构形式可分为 和 两大类，分别用于测量 和 。

15、计量光栅利用光栅的 现象，以线位移和 为基本测试内容，应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、制造大规模集成电路的设备及检测仪器等。 16、计量光栅按应用范围不同可分为 和 ；按用途不同有测量线位移的 和 ；按光栅结构不同，又可分为 和 。 四、简答题

1、什么是数字式传感器？它有何特点？

2、利用某循环码盘测得的结果为“0110”，其实际转过的角度是多少？

3、透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的关系是什么？

W

光栅1

dd

ff

dd

ffBHdd光栅2

4、如何判别光栅传感器的运动方向？

图14.14 辨向原理u2u1BHuu13W4u2光电元件0WW莫尔条纹42WxAAu1u2Y1AAY25、如何实现提高光电式编码器的分辨率？

6、二进制码与循环码各有何特点？并说明它们的互换原理。 7、简述光栅莫尔条纹测量位移的三个主要特点? 8、简述光栅读数头的组成和工作原理？ 9、简述计量光栅的结构和基本原理。

10、什么是数字式传感器？数字式传感器与模拟式传感器相比具有何优点？

五、计算题

1、一个8位光电码盘的最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度至大为0.01mm，则码盘半径应有多大？

2、一个21码道的循环码盘，其最小分辨力θ1=?，若一个θ1角对应圆弧长度至少为0.001mm，问码盘直径多大？

3、若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指标光栅之间夹角0.01rad。求： (1)求其形成的莫尔条纹间距BH是多少?

(2)若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为10s，问此时

6光栅允许最快的运动速度v是多少?

4、利用一个六位循环码盘测量角位移,其最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度最大为0.01mm,则码盘半径应有多大?若码盘输出数码为“101101”,初始位置对应数码为“110100”,则码盘实际转过的角度是多少？

第14章 数字式传感器

一、单项选择题

1、B 2、D 3、C 4、C 5、A 6、C 7、C

二、多项选择题 1、ABD 2、AC

三、填空题

1、1001 2、22.5° 3、莫尔条纹 4、光栅栅距

5、位移放大；辨别运动方向（辨向）；误差平均效应 6、（刻线）夹角

7、编码器；脉冲数字传感器 8、线位移；旋转式编码器 9、光电转换装置；光栅数显表 10、指示光栅；光路系统 11、倍频细分；电桥细分

12、非电量；数字量；稳定性好；远距离传输 13、编码器；脉冲数字传感器；位移；计数 14、直线式；旋转式；线位移；角位移 15、莫尔条纹；角位移

16、透射光栅；射光栅；长光栅；圆光栅；幅值（黑白）光栅；相位（闪耀）光栅

四、简答题

1、答：数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。

优点：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与微机接口，适宜远距离传输。 数字式传感器可用于测量位移（包括线位移和角位移）和计数。

2、答：循环码“0110”对应的二进制码是“0100”，转换成十进制数是4， 该4位码盘的最小分辨率为360°/2=22.5° 所以实际转过的角度为4×22.5°=90°。

3、答：① 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）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，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。在d - d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f - f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。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。

4

② 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为：

BHW2sin2W4、答：为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。 在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1′和u2′。

当光栅沿A方向移动时，u1′经微分电路后产生的脉冲, 正好发生在u2′的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1′经反相并微分后产生的脉冲，则与u2′的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。

在光栅沿－A方向移动时，u1′的微分脉冲发生在u2′为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1′的反相微分脉冲则发生在u2′ 的“1”电平时， 与门Y2输出一个计数脉冲。

u2′的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1′所产生的脉冲输出。

这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲， 再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。

5、答：光电式编码器的分辨率与码道数有关，如果分辨率要求很高，采用单盘方式不仅要求圆盘直径增大，而且精度也难以达到，因此可考虑采用双编码器，用两个较低分辨率的码盘来组合成一个较高分辨率的编码器。

6、答：二进制码盘简单，但在实际应用中，对码盘的制作和电刷的安装要求十分严格，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。

为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。

CnBn二进制码转循环码：

CiBiBi1(i0

循环码转二进制码： BnCn BiCiBi1(i0n1)n1)7、答：光栅莫尔条纹测位移的三个主要特点：

（1）位移的放大作用：光栅每移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个宽度BH，莫尔条纹的间距BH与两光栅夹角的关系为：

BH2Wsin2W

由此可见，越小，BH越大，BH相当于把W放大了1/倍。即光栅具有位移放大作用，从而可提高测量的灵敏度。

（2）莫尔条纹移动方向：当固定一个光栅时，另一个光栅向右移动时，则莫尔条纹将向上移动；反之，如果另一个光栅向左移动，则莫尔条纹将向下移动。因此，莫尔条纹的移动方向有助于判别光栅的运动方向。

（3）误差的平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对线纹的刻划误差有平均抵消作用。

8、答：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。其工作原理：标尺光栅固定在被测物体上，指示光栅相对于光电元件固定，两光栅在光照下可形成具有明暗相间带的莫尔条纹。标尺光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，就可将光信号转换为接近于正弦周期函数的电信号输出，从而可知被测物体移动位移的大小。

9、答：计量光栅传感器的结构包括两个部分：光电转换装置和光栅数显表，其中前者又包括以下四个部分：①主光栅(又称标尺光栅) ，均匀地刻划有透光和不透光的线条；②指示光栅，刻有与主光栅同样刻线密度的条纹；③光路系统，包括光源和透镜；④光电元件。计量光栅主要利用了莫尔条纹现象。主光栅与指示光栅的栅线叠合在一起，中间保持很小的夹角，在大致垂直于栅线的方向上会出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。光栅测量原理就是以移动的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。 10、答：数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。

数字式传感器与模拟式传感器相比，具有测量精度和分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强、便于与微机接口和适宜远距离传输的优点。

五、计算题 1、解：3601.4 822r2280.01r0.4mm 80.012/222、解：13602.9106rad 2122r0.001r667.5mm 2122/2W10.02mm 503、解：(1)由光栅密度50线/mm，可知其光栅栅距

根据公式可求莫尔条纹间距BHW，式中为主光栅与指标光栅夹角，得

BHW0.022mm 0.01(2)光栅运动速度与光敏二极管响应时间成反比，即

v所以最大允许速度为20m/s。

W0.02620m/s t104、解：∵ 该循环码盘为六位循环码盘 ∴ 最小分辨率为：3605.625 26设码盘半径为r，∵5.625°的角度对应圆弧长度为0.01mm, ∴ ∴ r3605.625 2r0.013600.010.1mm

25.625又∵ 码盘输出数码为“１０１１０１”，将其转换为二进制码，则

循环码：1 0 1 1 0 1

 1 1 0 1 1 二进制码：1 1 0 1 1 0 ∴ 二进制码为１１０１１０，对应十进制数为：

25242221321642

同理，由于初始位置对应数码为“１１０１００”，将其转换为二进制码，则

循环码：1 1 0 1 0 0

 1 0 0 1 1 二进制码：1 0 0 1 1 1 ∴ 二进制码为１００１１１，对应十进制数为：

252221203242139

∴ 码盘实际转过的角度为：

x(39)15155.62584.375