第七章数字式传感器.doc

第七章 数字式传感器7.1 编码器7.1.1 直接编码器直接将角位移转换为2进制数码一、工作原理1、组成结构 图7-1-1 2、工作原理：各光电元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号分别代表二元码“1”和“0”。通过光电转换，码盘转角转换成成一组相应的n位二元码。二、码制与码盘二进制码盘 图7-1-2（a）循环码盘 图7-1-2（b）输出数码 C1C2Cn(二进制码)R1R2Rn（循环码）第1(最内圈)码道分21个黑白间隔, 对应C1分21个黑白间隔, 对应R1第2码道分22个黑白间隔，对应C2分21个黑白间隔，对应R2第i码道分2i个黑白间隔 ，对应Ci分2i-1个黑白间隔，对应Ri相邻码道分界线第i道黑白分界线与i+1道黑白分界线对齐第i道黑白分界线与第i+1道黑白分界线错开180/2i优缺点缺点：产生粗误差（图7-1-3）优点：不产生粗误差分辨率结论：直接编码器多采用循环码盘三、转换关系和转换电路1、转角与二进码转换 2、二进码与循环码的转换 C1C2C3C4CnR1R2R3R4Rn C1C2C3Cn-1 C1C2C3Cn-1R1R2R3R4Rn C1C2C3C4Cn 3、转换电路 1）二进制码转换为循环码1并行电路 图7-1-4（a） 2串行电路 图7-1-4（b） 2）循环码转换为二进制码 1并行电路 图7-1-5（a）2串行电路 图7-1-5（b） 触发器先清零，J=K=Ri ， 6.1.2 增量编码器一、结构与工作原理1组成结构 图7-1-6光源码盘 三个码道：1零位码道A1条透个狭缝 2增量码道Bm个透光不透光扇区 3辨向码道 Cm个透光不透光扇区 （B、C全错开半个扇区）光电元件三个与三个码道对应2工作原理码盘每转一周：光电元件A产生一个脉冲 光电元件B产生m个脉冲 光电元件C产生m个脉冲 相位差90二、转向和转角的测量1转向判别电路图7-1-8，波形图7-1-9 正转 反转感光先后 C先感光 B先感光相位关系 C超前 B超前触发器 Q=1 Q=0计数器 加计数 减计数2净转角测量分辨率 净转角与计数结果N的关系 7.2 光栅与磁栅7.2.1光栅一、光栅的结构和基本原理1、光栅传感器的结构 图7-2-11）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）光源和透镜 4）光电元件2、莫尔条纹的形成与特点 1）莫尔条纹的形成 图7-2-2 主光栅与指示光栅的栅线之间保持很小的夹角，在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹莫尔条纹。莫尔条纹之间距远大于光栅栅距W2）莫尔条纹的主要特性：（1)移动方向： 主光栅右移，则莫尔条纹向下移；主光栅左移，则莫尔条纹向上移。（2)移动距离：主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距H。莫尔条纹具有放大作用，即HW。 （3）平均效应：莫尔条纹具有减小光栅栅距局部误差的作用 3、光电转换电压与光栅位移的关系 图723 主光栅移动一个栅距W，光电转换电压变化一个周期 二、辨向原理 在条纹移动方向(y方向)上安放两个间距为 (n+1)H/4(n为整数)的光电元件，两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于/2。再将这两个相位差90的正弦信号送到图6-1-8所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。 三、细分技术m细分即分辨率W/m在主光栅移动一个栅距过程中，产生m个彼此相位差360/m的正弦交流信号m个ui波形依次产生m个过零脉冲，于是，与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为： 1、直接细分直接细分又称位置细分，通常为四细分。是用四个依次相距H/4的光电元件，获得依次相差90相角的四个正弦交流信号。主光栅每移动一个栅距，将产生四个过零计数脉冲，从而实现四细分。2、电位器桥(电阻链)细分 1）电位器移相原理 图7-2-4 若，则2）48点电位器桥细分电路 图7-2-5图中第i个电位器电刷两边电阻比值为： 就可从这48个电位器的电刷端得到48个相位差360/48的信号，这样就达到了48细分的目的。 7.2.2磁栅 磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路三部分组成。 一、磁栅的类型和结构 1、 磁栅的类型：长磁栅 测量直线位移园磁栅 测量角位移2、 磁栅的结构 图726 磁栅基体（用不导磁金属材料做成）上面涂复一层均匀的磁性薄膜，磁性薄膜上记录节距为W的矩形波或正弦波磁信号。 二、磁头 1、动态磁头 图7-2-7 速度响应式磁头，运动速度越快，输出信号越大，静止时没有信号输出。 2、静态磁头 图7-2-8 磁通响应式磁头，静止时也有信号输出。1） 激励绕组加适当强度的交变励磁信号，2） 输出绕组输出绕组中的感应电动势是磁栅与磁头相对位置的周期函数： 三、检测电路1、动态磁头检测电路动态磁头只有一组磁头，输出信号为正弦信号，检测电路较为简单。2、静态磁头检测电路静态磁头一般总是成对使用，两组磁头的安装位置相距(n1/4)W。其检测电路分为鉴幅式和鉴相式：鉴幅式鉴相式两个磁头的励磁电压完全相同相位差/4两个磁头的输出电压相位差/4的调幅信号：磁头输出电压的处理鉴幅器鉴幅得到：送辨向细分电路测出位移x。 减法器相减得到调相信号：鉴相电路测量出该调相信号的相位2x/W，从而测出位移x7.3感应同步器 7.3.1感应同步器的类型和结构 一、感应同步器的类型1、 直线式感应同步器测量直线位移；图7-3-12、 旋转式感应同步器测量角位移。图7-3-2二、感应同步器的结构直线式感应同步器旋转式感应同步器固定部分定尺（连续绕组）定子（断续绕组）运动部分滑尺（断续绕组）转子（连续绕组）绕组节距断续绕组正弦余弦两部分的间距 7.3.2感应同步器的工作原理 一、感应同步器中的互感 图7-3-5 1、滑尺上断续绕组与定尺连续绕组间的互感1）正弦绕组 2）余弦绕组 2、定子上断续绕组与转子连续绕组间的互感1）正弦绕组 2）余弦绕组 二、感应同步器的等效电路 图7-3-6 通常激励电压为几百毫伏至几伏，输出电压幅值属毫伏级。 激励频率选2040kHz。 三、感应同步器的激励和检测方式调相式调幅式断续绕组（正弦绕组、余弦绕组）的激励电压频率和幅值相同，相位差/2：频率和相位相同，但幅值不等：连续绕组中的感应电压感应电压的处理送到数字鉴幅电路送到数字鉴相电路7.4 频率式传感器7.4.1 振弦式传感器一、工作原理振弦导磁性好的金属细弦激振器（电磁铁）激励振弦横向振动拾振器振弦振动时产生感应电压，感应电压频率=振弦横向振动频率f 振弦横向刚度系数 应用：测力F，应力，位移等参数二、激励方式1间歇激励方式 图7-4-22连续激励方式电流法 图7-4-3（a） 振弦中有电流流过 用机电类比法分析可知，在磁场中振动的振弦可等效成一个并联的LC回路，因此图7-4-3（a）可等效成一个LC振荡器。电磁激励法 图7-4-3（b） 振弦中无电流流过 附机电类比法分析机电类比法的电流激励电路图7-4-3（a）振弦电流i使振弦在磁场中受力，该力使振弦中点在磁场中横向振动，振弦在磁场中运动产生感应电动势：，式中 ，x振动位移，故。 振弦弹性力，与横向位移x方向相反，振弦与周围介质摩擦阻力与V方向相反，据牛顿定律，合力= ， 为振弦振动加速度。令振弦惯性力 ，则有： 两边同除以得 令： 所以 -(1)因为 所以 所以 所以 所以 -(2)对比（1）（2）式可见： ， ， ，三、振弦传感器的非线性 1、单一振弦令 F0振弦初始张力被测量变化引起的振弦张力增量。时 时 所以 当时 非线性误差 2差动振弦 图7-4-4 所以 ， 所以 当时 非线性误差 结论：差动振弦比单一振弦灵敏度高，非线性小。7.4.2振筒式传感器一、振筒式压力传感器 图7-4-5 振筒的固有频率 被测压力引入振动筒内壁时，引起筒壁应力的变化，从而使筒的刚度K发生变化, 振动频率随之改变。 二、振筒式密度传感器 图7-4-6 测得空振筒振动频率f0与振筒内充满流体时的振动频率fx之比，可求得流体密度： 7.4.3振膜式和振梁式传感器一、 振膜式传感器 图7-4-8 1、组成结构 图6-3-92、工作原理 作用在膜片上的压力使振动膜片刚度变化，从而使膜片振动频率发生改变。二、振梁式传感器1、组成结构 图6-3-10 两个振动系统2、工作原理 当力F使弹性圆环受压时，振梁被拉伸使张力增加，固有振动频率增高，但振杆的张力没有变化，故其振动频率也没有变化。它的作用只是起温度补偿作用。7.4.4石英晶体谐振式传感器一、 组成结构石英晶体接入具有正反馈的放大电路，构成石英晶体振荡器。二、工作原理：压力和温度使石英晶体的固有频率变化