第十章 数字式传感器(下).ppt

10.4角数字编码器,角度数字代码式电信号(二进制)十(六十)进制数编码技术译码技术角数字编码器又称码盘，它是测量轴角位置和位移的方法之一，它具有很高的精确度、分辨率和可靠性。角数字编码器分类如下图。,10.4角数字编码器,10.4.1基本结构,10.4角数字编码器,10.4.1基本结构码盘和读码元件（光电元件或电刷），如图10-23所示。,图10-23四位直接二进制绝对编码器码盘图,10.4角数字编码器,10.4.2码制和码盘二进制码盘（直接二进制，四位）码道，同心圆环；码道数与二进制位数（n）相同；每条码道分成2n个黑白间隔（或透光不透光）的码元（如R4=21=2个码元，R1=24=16个码元）；内码道R4为高位，外码道R1为最低位。特点：1n位二进制码盘具有2n种不同的的编码，称其容量为2n，最小分辨角（力）1=360o/2n，其外码道角节距为21。2有权码（四位二进制码为8421码）。3多位码盘制作困难（要提高分辨力，需增加二进制数的位数，即增加码道数）。4错码问题（相邻两码元之间存在多位变化，信号检测元件不同步或制作不精确等原因造成）。,10.4角数字编码器,解决错码办法：(1)循环码编码技术，如图10-24所示。相邻两码元之间只有一位不同（变化）；无权码（信号处理困难）；最小分辨角（力）1=360o/2n，其外码道角节距为41。,图10-24四位循环码码盘,10.4角数字编码器,二进制码与循环码对应关系如表10-2所示。,10.4角数字编码器,（2）导前滞后双读法，如图10-25所示。最低位（20）只有一个读码元件，其余各位设置两组读码元件，并依次错开L0/2(L0为低位码距)。直接二进制码规则：高位码的改变总是在其低位码由“1”变到“0”时；高位码的码距是较低一位码码距的2倍。读数规则：最低位处于“0”的左右极限位置范围时，导前读数正确，滞后读数不正确；最低位处于“1”的左右极限位置范围时，滞后读数正确，导前读数不正确。利用低位码状态控制高位码（利用逻辑电路实现）：当低位码为“0”时，读高一位导前值；当低位码为“1”时，读高一位滞后值。,10.4角数字编码器,图10-25双扫描码盘工作原理（a）码盘和电刷（光电元件）布置；（b）码盘结构展开图；（c）逻辑电路,10.4角数字编码器,5细分技术提高分辨率（码道外层制作一道等栅距的光栅刻线，安装两路光学系统，采用正、余弦组合技术细分）图10-26是绝对编码技术与细分技术结合，实现219分辨率的绝对编码器。,图10-26有分解器的高分辨率绝对编码器,10.5频率式数字传感器,被测量频率信号f优点：测量精度和分辨率高；抗干扰性强，稳定性好；便于传输、处理和存储；易于实现多路检测。类型：利用振荡器原理被测量振荡频率；利用机械振动系统被测量振动系统固有振动频率。,10.5频率式数字传感器,10.5.1RC振荡器式频率传感器将模拟传感器输出电量（电阻、电容、电感）作为振荡电路中的一个参数，利用这个参数的改变来改变振荡器的振荡频率，从而输出相应的频率信号。图10-29是温度频率传感器电路原理图，热敏电阻Rt作为文氏桥振荡回路中的一部分，其振荡频率为,图10-29热敏电阻-频率传感器电路,其中，,(10-28),从上式可见，频率f与Rt有关。,10.5频率式数字传感器,10.5.2振筒式传感器1.结构和工作原理振筒式频率传感器的基本结构如图10-30所示，主要由振动筒、激振线圈和拾振线圈、基座和外壳等组成。,图10-30振筒式传感器结构示意图1-引线；2-底座；3-支柱；4-磁芯；5-激振线圈；6-外保护筒；7-振动筒；8-拾振线圈；9-永磁棒；10-压力入口,10.5频率式数字传感器,振动筒可以等效为一个质量弹簧阻尼二阶强迫振动机械系统。其固有频率n和阻尼比分别为(10-30)(10-31)式中，k振筒的有效刚度；m振筒的有效质量；c振筒的阻尼系数。测试原理：振筒振动时，筒周围的介质随着振筒一起振动，则介质密度、压力振筒有效质量m和有效刚度k改变振筒的固有振动频率变化测介质密度、压力。,10.5频率式数字传感器,振动筒：弹性金属材料制成的薄壁圆筒，壁厚0.08mm左右，一端封闭，为自由端；另一端固定在基座上。振动圆筒的形状，即刚性的两端和柔性的薄壁，和周围介质的状态，决定圆筒的振型。图10-31示出振筒的几种振型。振筒式传感器常选用n=4，m=1的振型。外壳：用来屏蔽外界电磁场的干扰，并起机械保护作用。测量绝对压力时，振筒和外壳之间为真空参考室，作为参考标准，被测压力的气体充入振动筒内部。测量差压时，振动筒内外压差为p。测量密度时，振动筒内外充入同样的被测气体。,10.5频率式数字传感器,图10-31振筒式的振动模式（a）径向振型；（b）轴向振型,10.5频率式数字传感器,振筒式传感器按照电磁系统振动模式工作。该系统由激振线圈、拾振线圈和放大器组成，如图10-32所示。电路的输出脉冲信号频率就是振动筒的固有振动频率。,图10-32振筒传感器电路示意图,10.5频率式数字传感器,2振筒的振动频率与压力的关系当被测压力引入振筒内部时，筒在一定压差下工作，引起筒的应力变化，从而使筒的有效刚度改变，系统的固有振动频率随之改变。在温度不变时，压力p与频率f之间的关系如图10-33所示。压力频率的非线性关系需要在测量系统中加以修正。,图10-33振筒的压力频率特性曲线,10.5频率式数字传感器,当筒内外压力相等时，振筒的固有频率为(10-32)式中，A为与筒的尺寸、形状有关的系数；k1、m1分别表示筒的有效刚度和有效质量。当压力p作用于筒内壁（即筒内、外存在压差p）时，其共振频率为(10-33,34)式中，k2(p)为受压力p影响而引入的附加刚度系数；a为振筒常数。筒内压力大于筒外压力时取正号，反之取负号。a可近似表示为(10-35)式中，振筒材料的泊松比；E振筒材料的弹性模量；R振筒的平均半径；筒壁厚度；n整个圆周上振动的周期数，一般n=4。,10.5频率式数字传感器,温度误差：(10-36)式中，f温度从T1变化到T2时所引起的频率变化；K、R常数；T1、T2热力学温度。,10.5频率式数字传感器,3振筒的振动频率与密度的关系当振动筒内外无压差时，筒的振动频率由筒周围介质密度决定，=K0+K1/f+K2/f2(10-37)式中，介质密度；f振动频率；K0、K1、K2常数。f与成非线性关系，高精度测量时，需进行非线性修正。密度测量可以确定质量流量测量。(10-38)(10-39)式中，k流量计常数；h流量计两端压力差；介质密度。,10.5频率式数字传感器,10.5.3振膜式频率传感器基本原理：利用圆形恒弹性合金膜片的固有频率与作用在膜片上的压力有关（压力改变膜片的弹性系数）的原理构成。结构：图10-34（a）为一种振膜式压力传感器结构原理图。空腔一侧的承压膜片上的支架上固定着振动膜片。被测压力p进入空腔后，承压膜片变形，支架角度改变，振动膜片张紧，其刚度变化，固有振动频率改变。经激振、拾振线圈和放大、振荡电路电磁振动系统，输出与振动膜片的固有振荡频率相同的振动信号。,10.5频率式数字传感器,图10-34振膜式压力传感器,10.5频率式数字传感器,图10-34（b）是另一种振膜式压力传感器结构示意图。利用两个压电元件代替激振线圈和拾振线圈。膜片的固有振荡频率n为(10-40)式中，k常数；r膜片半径；E膜片材料弹性模量；h膜片厚度；p被测压力。,10.5频率式数字传感器,10.5.4振弦式频率传感器振弦式频率传感器以被拉紧的弦作为敏感元件，其振动频率与拉紧力的大小和弦的长度有关。当弦的长度调定后，弦振动频率的变化量便表示拉力的大小，即输入是力，输出是频率。优点：结构简单牢固；测量范围大；灵敏度高（可达0.05%）；线性度好（非线性误差小于0.1%）；温度误差小（小于0.01%）；测量电路简单。缺点：对传感器材料和加工工艺要求很高；测量精度较低，总测量精度为1.5%。,10.5频率式数字传感器,10.5.4.1结构和工作原理电流激励的振弦式频率传感器由一根放置在永久磁铁两磁极之间的金属弦振弦、放大振荡电路两部分组成，如图10-35所示。金属弦承受拉力T，不同的拉力T对应弦不同的固有振动频率。,图10-35振弦式力传感器（a）结构示意图（b）电原理图,10.5频率式数字传感器,振弦可等效为一个并联的LC网络。振弦、运算放大器及其它元件组成自激振荡器，如图10-35（b）所示。振荡电路只有在振弦的固有振动频率上，才能满足振荡条件，因此，电路的输出信号频率严格地控制在振弦的固有频率上，而与作用力T的大小有关，从而达到测力的（或位移等）目的。,10.5频率式数字传感器,振弦式频率传感器的LC等效原理设振弦l上处于磁感应强度B中的一段为le（有效长度），当弦上通有电流i时，振弦所受力为F=Blei此力可以分为两部分（F=FC+FL，相应的电流也可以分为两部分，i=iC+iL），FC（iC）用来克服弦的质量m的惯性，使它获得运动速度v；FL（iL）用来克服振弦作为一个橫向弹性元件的弹力。,10.5频率式数字传感器,对于弦的振动运动,式中，iC对应于力FC的电流。,具有运动速度v的振弦le在磁场B中的感应电动势e为由上式可以看出，振弦在磁场中运动相当于电路中电容的作用，其等效电容C为C=m/(Ble)2(10-41),10.5频率式数字传感器,当振弦在某时刻橫向运动偏离其平衡位置时，它的弹性力为FL=-k式中，k振弦的橫向刚度系数。从v=d/dt，e=Blev和FL=BleiL，可得式中，iL对应于力FL的电流。由上式可以看出，振弦的弹簧作用相当于电路中的电感，其等效电感L为(10-42),10.5频率式数字传感器,这样振弦的振动频率按一般LC网络计算，(10-43)这个结果与从二阶振动系统求得的结果是一致的，所以，将振弦等效为LC网络是合理的。,10.5频率式数字传感器,振弦的橫向刚度系数k与弦的张力T的关系为k=2T/l(10-44)弦的质量m为m=ll(10-45)于是，振弦的振动频率为(10-46)式中，弦的材料密度(=l/S)；弦的应力(=T/S)；弦的应变；E弦材料的弹性模量。,10.5频率式数字传感器,振弦的应变灵敏度K为(10-47)可见，要提高振弦的灵敏度，应使弦的原始固有频率f0低些，弦的长度短些，材料的弹性模量E大些。,10.5频率式数字传感器,10.5.4.2振弦式传感器的误差1.非线性误差当张力由T0变到T0+T时，弦的振动频率由f0变到f（=f0+f）从v=d/dt，e=Blev和FL=BleiL，可得(10-48),其非线性误差L为,(10-49),10.5频率式数字传感器,非线性误差的改善：（1）采用差动工作方式，如图10-36所示。,图10-36差动式振弦传感器,10.5频率式数字传感器,（2）信号处理电路采用线性化电路，如图10-37所示。10-37振弦式传感器线性化电路框图U1=K1f0UBU2=K2f0U1=K2K1f02UB=Kf02(10-50)式中，K1、K2分别为两运算电路的运算常数，K=K1K2UB为常数。,10.5频率式数字传感器,2温度误差当温度从t0变到t1时，由于热胀系数不一致，振弦所受到的预应力和被测力都会改变，设由T0变为T0+T0，其关系如下：(10-51)式中，线膨胀系数；E弹性模量；S截面积；l0弦及支座初始长度；下标l、b分别代表振弦和支座。由于SbSl，由上式可求得(10-52)若要消除温度误差，则必须使（bl）=0，但这很难作到。一般采取差动工作方法，可以很好地改善温度误差。,10.5频率式数字传感器,10.5.4.3振弦式传感器的应用1.差动振弦式压力传感器如图10-38所示，在圆形压力膜片的上、下两侧安装两根长度相等、相互垂直的振弦，构成差动振动工作方法。压力使弹性膜片变形，振弦式传感器差动工作，输出差频信号，反映压力大小。,10.5频率式数字传感器,图10-38差动式振弦压力传感器1-压力膜片；2-支座；3，4-振弦；5，6-拾振器7，8-激振器；9-支柱；10，11-放大/振荡电路；12-混频器；13-滤波、整形电路,10.5频率式数字传感器,2振弦式差压变送器如图10-39所示，振弦一端固定，一端与膜片相连，在差压作用下改变振弦的张力。,图10-39振弦式差压变送器基本结构,10.5频率式数字传感器,3振弦式加速度计如图10-40所示，当无加速度作用时，质量块2两边振弦的谐振频率相同；当有加速度作用时，由惯性力引起振弦的强迫振动