第10章 数字式传感器

第10章数字式传感器 数字式传感器 定义 把被测模拟信号直接转换为数字电信号输出的一类传感器 优点 便于信号处理 模拟传感器输出为模拟电信号 为了获取数字信号 一般需要加上AD转换器 而数字式传感器直接输出数字信号 可与数字化处理设备直接相连抗干扰能力强精度高 根据输出信号形式分为 直接以数字量形式输出 如绝对编码器以脉冲形式输出 如增量编码器以频率形式信号输出 如频率式温度计 光栅尺测位移 编码器测角度 数字式传感器 主要内容 感应同步器 略 光栅编码器频率式传感器 一 感应同步器 利用电磁感应原理把位移量转换为数字量分类 测量直线位移的直线式感应同步器和测量角度的旋转式感应同步器结构 由两个绕组构成 直线式为定尺和滑尺 旋转式为定子和转子 1 1 感应同步器的结构 定尺的节距 为导片宽度 标准型定尺长度为250mm 节距为2mm滑尺的节距 标准型滑尺长度为100mm 由两个滑尺绕组构成 分别为正弦绕组和余弦绕组 一般两个绕组的间距 1 2 感应同步器的工作原理 工作时 给滑尺绕组通以正弦激磁电压 在定尺周围产生同频率的交变磁通 使得定尺绕组上感应出同频率的感应电势 感应电势的幅度与定滑尺之间位置x的关系 感应电势的幅度与定滑尺之间位置x的关系 测量出 就可以得到位移x 三种工作方式 鉴相法鉴幅法脉冲调宽法 略 鉴相法 根据输出感应电势的相位来获取位移x 鉴幅法 根据输出感应电势的幅度来获取位移x 鉴相法测量系统组成 位移 相位转换模数转换计数显示 鉴幅法测量系统 鉴相法集成芯片 AD2S90 测量系统 感应同步器的接长使用 当一块感应同步器长度不够时 需用多块连接使用 需要注意减小行程误差 二 光栅 2 1 光栅的结构 光栅尺 包括标尺光栅和指示光栅光栅由透光和不透光的栅条相间隔构成光电转换系统 光源 聚光透镜和光电元件 主光栅和指示光栅 栅距 W光栅夹角 纵向形成周期性莫尔条纹 条纹周期B 莫尔条纹 横向移动导致莫尔条纹纵向变化 莫尔条纹的特点 主光栅和指示光栅水平移动一个栅距W 莫尔条纹纵向移动一个周期B由于 光栅间的水平微小位移转化为莫尔条纹的纵向较大位移 具有位移放大作用 可被用于测量微小的水平位移 2 2 光电转换系统 光电器件放置在莫尔条纹的某位置 测量透过条纹的光强度的变化 转换为电信号 光电器件输出的电信号 x为水平位移量 2 3 辩向原理 在相距处 放置两个光电器件 形成相位差的两个输出信号 当位移从左到右时 超前 当位移从右到左时 超前 然后通过整形电路得到两个方波信号 再通过微分和 与 门电路 实现两路脉冲信号的输出 分别代表两个方向的移动 三 编码器 在医用X线机 DR等设备中 用来测量球管到感光板的距离 用来控制胶片盒的送片装置等 作用 测量旋转角度 位移 距离等有两类编码器 绝对编码器 输出多位二进制编码信号 直接代表角度值增量编码器 输出脉冲信号 每个脉冲信号代表一个角度变化值 需要后接设备对脉冲信号计数 3 1 接触式绝对编码器 结构 码盘 与转轴相连电刷 与码盘接触 固定不动 码盘 在绝缘基体上分布有铜制导电区码道 同心圆 设码道数为n扇区 径向分区 每个扇区有n小块区域 按照一定编码方式 使n小块区域编为导电和不导电 设定扇区数为 则可使得每个扇区的编码不同工作时 通过导电环给导电区加上高电平 工作原理 当码盘转动时 n个电刷同时处于某个扇区 以n位高低电平的形式 输出扇区的编码根据输出的编码可以得到码盘的位置 从而测得码盘旋转的角度 测量角度的分辨率为 编码方式 二进制码 BCD码 将扇区编号转化为二进制码当电刷不能同步进入下一个扇区时 会出现错码 产生测量误差 称为非单值误差 编码方式 格雷码 循环码 相邻扇区的编码有且仅有一位不同 不会出现非单值误差输出的格雷码可通过硬件或软件转换为二进制码 BCD码和格雷码 接触式编码器的缺点 电刷与码盘直接接触 接触磨损影响使用寿命由于接触的限制 码盘转速不能太高 否则容易损坏 3 2 光电式绝对编码器 码盘由透光和不透光区域构成利用光源和光电器件检测扇区透光和不透光来实现编码由于是非接触的 克服了接触型编码器的缺点 绝对编码器输出的编码反映了码盘的绝对位置 但是为了提高测量的分辨率 需要增加码道数 使得制作工艺变难 因此 绝对编码器的分辨率很难提高 3 3 光电式增量编码器 码盘由三个码道构成 增量码道S1 由一定数量扇区构成 扇区数决定角度分辨率 码盘由三个码道构成 辩向码道S2 扇区数与S1相同 但每个扇区位置与S1的相差90度对输出信号的处理可用于辨别旋转的方向 码盘由三个码道构成 零位码道Z 只包含一个扇区 用于初始复位和记录旋转的圈数 另外 有光源和三个光电器件 三个光电器件用于获取三种码道的位置信息 三个码道输出脉冲信号 根据S1和S2信号相位差可判断旋转方向 四 频率式传感器 定义 将被测量转换成相应频率的正弦信号或脉冲信号输出 通过测量输出信号的频率来获取被测量 组成 振荡器 产生输出的振荡信号 且信号频率f可随被测量的变化而变化信号频率测量仪器 如 RC频率式传感器测量温度 信号频率的基本测