数字化仪简介 1994-01-07 本文就数字化仪的组成、分类及几种典型的数字化仪的性能进行简单地介绍。 一、数字化仪的组成 现代数字化仪设备比较简单，一般由两部分组成，第一部分是感应板部分(又叫画图板DrawingBoard，但叫感应板比较确切)，第二部分是点设备(Pointing devices)，又叫传送器或者游标。对于立式数字化仪还有一个底座，是为了架感应板用的。下面简单介绍感应板和点设备。 1.感应板 感应板是数字化仪是重要的设备，它根据不同的原理，其内部构造不尽相同，其板内有可能放的是磁致伸缩线，有可能是放的静电感应线圈等等。总之，感应板总是构造一个待感应的环境，当点设备在其上面移动时，就得到相应的电信号。 一个感应板不是所有的区域都有效，它总是要定义一个有效区域(Active area)。在有效区域内可以实现有效地数字化，超出有效区域就不保证数字化的精度和正确性。另外在感应板上，有的数字化仪还设有软菜单，用来设置数字化仪的性能参数，大多数数字化仪的感应板上都有指示灯(Indicator light)，用来指示数字化仪的工作情况。 2.点设备 在现代数字化仪中，常常使用4键定标器，16键定标器，接触开关笔，一键开关笔，两键开关笔和压力敏感笔等点设备。这些点设备的操作可用于绝对方式和相对方式，主要取决于你的用户程序包的选择。这些点设备的使用方法很简单，当你把图纸放在感应板的有效面积上，想将图形输入到计算机时，只要将定标器的十字线对准要输入的点，然后按一下键，就将信息输入到计算机中，在图纸上不断移动，就输入相应的信息。下面简述这些点设备的情况。 1.4或16键定标器 这类定标器，其功能类似一个小键盘，用户程序可以通过接收其按键状态数据而运行相应的程序。定标器上的键可以在用户程序中进行定义设置。这种功能在一些专业CAD中是十分有用的。 2.接触开关笔 这种笔允许你迅速画草图和点菜单。笔尖类似于定标器的键。把笔放在你所希望数字化的点上，然后轻轻一压，你会听到一声卡搭声，然后抬起，就发送了一对座标数据。如果要发送一系列数据，只要拿住笔按一定的速度移动即可。 3.一键笔 这种笔可作为标准笔使用，边上的开关可用于设置命令，笔尖等于定标器的0键，开关等于定标器的1键。 4.两键笔 这种笔同样可作为标准笔使用，边上的按键可用来设置命令。这种两键笔的功能相当于四键定标器的三键功能。笔尖是0键，开关是1键和2键。可组合使用。 5.压力敏感笔 压力敏感笔允许用户通过改变笔尖上的压力，实现用户和系统的数据通信。软件可对压力的级别设置相应的值，用来改变诸如行宽和颜色之类的参数。 6.除上述点设备之外，还有3键定标器，12键定标器等等。 二、数字化仪的分类 数字化仪根据尺寸和使用条件的不同，大致可分为两大类，即大型数字化仪和小型数字化仪。大型数字化仪能够读取大面积的图形信息，它们常常被做成立式。小型数字化仪则读取小面积的图形信息，能够放在桌子上，使用起来灵活、方便，通常叫做图形输入板或平板式数字化仪(Tablet)。本文对这类输入装置不加区别，统称为数字化仪。 数字化仪还可以按操作方法分类，有自动式和非自动式两大类。自动式又分为扫描式和线性跟踪式，而非自动式又分为台架式和自由游标式。根据定位的测试方法还可以进一步细分，数字化仪的分类情况如下所示： 自动式数字化仪的图形输入既快又省力，但一张图纸往往由数万个，甚至数十万个信息组成。对这么多的信息一下子全部输入计算机，需要大容量的存储器，所以，硬件的造价比较高，这就给自动式数字化仪的应用带来了一定的限制。相反，非自动式数字化仪成本低，在技术上容易实现，所以在实际中被大量采用。 下面就上述所分类的几种数字化仪进行简要介绍。 1.台架式数字化仪 在非自动式数字化仪中，台架式一般用于大型数字化仪。现在一种国产的台架式数字化仪如“英雄”牌，利用旋转编码器或者直线刻度尺确定座标的位置。它是将X轴和Y轴交叉点对两轴的位移量以机械方式读取，并把它转换成电信号后，输给计算机，求出X轴和Y轴的座标。它的精度取决于旋转编码器或直线刻度尺的精度。一般这类台架式数字化仪的分辨率为0.01～0.02mm。其综和精度在±0.1mm以下。读取范围在900mm×1200mm左右。这种数字化仪操作复杂。现在国外的一些台架式数字化仪，大部分的读数方式是采用磁致方式，其精度可以做得很高，旦操作也更方便，灵活。 2.自由游戏标式数字化仪 在前面的分类中，我们把大型的数字化仪分为台架台。另一方面，从点设备的角度划分，又分为自由游标式和刻度滑尺式。在国产的台架式数字化仪中，大都采用刻度滑尺式的。现在国外不论是大型数字化仪还是小型数字化仪都是采用自由游标式。它的使用范围很广。一般分辨率为0.025mm-0.1mm。综合精度为±0.1-0.5mm。读取范围从280×280mm到1075×1530mm。 自由游标式数字化仪的种类繁多，即使采用同样的原理，所生产的厂家不同，其结构也不相同。下面通过具有代表性的电磁感应式，静电耦合式和磁致伸缩式的数字化仪作一简单介绍，使读者对数字化仪有一个初步的了解。 ①电磁感应式数字化仪 电磁感应式数字化仪，是根据电磁感应的原理来确定自由游标位置的。具体方法有两种，第一是相位差方法，第二是二极管定位方法，下面分别介绍。 a.相位差方法 利用相位差方法确定游标位置的数字化仪，它由游标和平板两部分组成。在游标里面没有设置输入线圈，而在平板里面设置相互垂直的两组线圈。当游标在平板上移动时，通过这两组相位差为90度的检测线圈读出感应信号，来确定游标的座标位置。 设在输入线圈的两端输入交流电压为E1， E1=A1 cosωt (1.1) 公式中，A1表示常数；ω表示角频率。 则在这两组检测圈线产生感应电压，此感应电压值与输入线圈距离的关系如下： Esin=A2sin(2πx/p)cosωt (1.2) Ecos=A2cos(2πx/p)cosωt (1.3) 式中，A2为常数，P为检测线间距，X为输入线圈的位置，用时间t对Ecos求导，则有： E'cos=A2ωcos(2πx/p)sinωt (1.4) 将(1.2)和(1.4)两相加，则得 E0=Esin+E'con (1.5) 从(1.1)和(1.5)两式可知，E0和E1之间存在相位差，且这个相位差的大小与输入线圈和移动距离成正比。因此，通过计算E0和E1之间的相位差，就能求出一个周期内在检测线上输入线圈的位置。 b.二极管法 这种数字化仪由二极管、环形计数器和游标(输入线圈)组成。环形计数器的每个输出端与二极管连接成扫描线。每个二极管的负极与环形计数器相连，正极连在一起，形成一个公共端，并通过一个电阻接到电源的高电平。为了确定输入线圈在X轴方向的座标，X轴环形计数器依次向相应的扫描线发出扫描脉冲，这时，游标附近的各扫描线通过公共输出点输出感应信号。一般这种结构的扫描线的间隔为10.24mm，而游标的输入线圈内径为25.5mm。 ②静电耦合式数字化仪 在平板面上输入三个脉冲信号T1、T2、T3，在电极线X0-X7上就感应出表示位置信息的电压。此时，如果将检测笔在数字化仪的平板上移动，通过检测电极线上的输出信号就可以求出笔的位置。这种静电式数字化仪与电磁感应式正好相反，它是利用笔的检测线圈来完成信号输出的。 ③磁致伸缩式数字化仪 在平板面上预先偏置一定的磁场，并在平板里面设置了X、Y写线和磁致伸缩延迟线。当电流流过写线时，在磁致伸缩延迟线中就会产生振动。这种振动波在延迟线中传递的速度与传递距离成正比。因此在写线上通电流时，测定振动波到达测试笔检测线圈所需要的时间，就可以求出检测线圈的位置。 这种数字化仪的最大缺点是很容易受外界磁场的干扰，其优点是结构非常简单。由于振动波的传递速度和传递距离存在正比关系，所以精度可以做的很高。如果在抗干扰方面采取相应措拖，这种方式的数字化仪其性能价格比是最高的，所以，目前国外所生产的数字化仪几乎都是磁致伸缩式的。 3.自动读取式数字化仪 在非自动式数字化仪中，图形信息的输入是靠人工操作完成的。在手工操作中，由于操作者的视觉误差，不可避免地产生读取误差。即使由同一个人操作，从人体工程学的观点出发，产生0.05mm左右的读取误差也是不可避免的。 图形的自动读取装置不但可以大大提高图形的读取精度，而且还可以把人从繁重的作业中解放出来，同时也能使输入的数据规格化。 过去的自动读取装置是通过卤素光源照射输入图纸，使反射光通过四个滤光镜，四个滤光镜分别对应于黑色、红色、蓝色和黄色。滤光镜后面设置光电倍增器以接受光束，并完成光电信号的转换。这种数字化仪，附着图纸的转筒以30-80转/分的速度转动，实现扫描。对于A1号图纸，当扫描间隔为0.2mm时，读一张图所需时间约为30分钟。对颜色的识别最多可达32种。 现在，随着电子扫描技术和固体摄像器件的发展，一小型的扫描器出现，即SCAN。它能够很方便地读取图形信息。 以上我们简单介绍了各种数字化仪，目前，一般来说人们所讲的数字化仪都是指非自动的数字化仪，而把自动式的数字化仪不叫做数字化仪(尽管按定义应该叫数字化仪)，而叫作扫描仪。所以，本文所讨论的数字化仪都是指非自动式数字化仪，而且是自由游标式的。 三、数字化仪的主要性能比较 为了读者对数字化仪有一个比较全面的了解，下面我们从13个方面来简单地比较各种数字化仪的性能情况。 \[1593011]\[1593021]\[1593022]