教学材料《检测技术基础》-11

第11章数字式传感器前面介绍的传感器大部分是将非电量转换为电模拟量输出，直接配用模拟式仪表显示。当这类模拟信号与电子计算机等数字系统配接时，必须先经过一套模数(A/D)转换装置，将模拟量转换为数字量，才能输入到计算机。这样不但增加投资，也增加系统的复杂性，降低了系统的可靠性和精确度。数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量，这样就不需要(A/D)转换，可以直接用数字显示，提高测量精度和分辨率，并且易于与微机连接，也提高了系统的可靠性。此外，数学式传感器还具有抗干扰能力强、适宜远距离传输等优点。下一页

返回第11章数字式传感器数字式传感器的发展历史不长，到目前为止它的种类还不太多，其中有的可以直接把输入量转换成数字量输出，有的需进一步处理，才能得到数字量输出。上一页

返回11.1数字编码器数字编码器包括码尺和码盘，前者用于测量线位移，后者用于测量角位移。编码器还可分为绝对式编码器和增量式编码器。11.1.1数字式编码器的输出形式1.绝对式编码器绝对式编码器是按位移量直接进行编码的转换器，其精度大于1%。它的结构和原理可分为接触式、光电式和电磁式。绝对式编码器将被测点的绝对位置转换为二进制的数字编码输出，即便中途断电，重新上电后也能读出当前位置的数据。显然，若要求的分辨力越高、量程越大，二进制的数位就越多，结构就越复杂。下一页

返回11.1数字编码器2.增量式编码器增量式编码器测量输出的是当前状态与前一状态的差值，即增量值。它通常是以脉冲数字形式输出，然后用计数器计取脉冲数。因此它需要规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测物理量的值，同时它还要确定一个零位标志，即测量的起始点标志。这样，被测量就等于当量值乘以自零位标志开始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。增量式测量的缺点是:一旦中途断电，将无法得知运动部件的绝对位置。11.1.2数字式编码器的工作原理及应用下面以光电式编码器为例来说明数字式编码器的工作原理及应用。光电式编码器是用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。上一页

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返回11.1数字编码器1.增量式光电编码器(1)增量式光电编码器的结构与原理增量式光电编码器的结构如图11-1所示。在它的编码盘边缘等间隔地制出n个透光槽。发光二极管(LED)发出的光透过槽孔被光敏二极管所接收。当码盘转过1/n圈时，光敏元件即发出一个计数脉冲，计数器对脉冲的个数进行加减增量计数，从而判断编码盘旋转的相对角度。

(2)增量式光电编码器的应用增量式光电编码器除了可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，进而用来测量转速。如果通过机械装置，将直线位移转换成角位移，还可以用来测量直线位移。上一页

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返回11.1数字编码器2.绝对式光电编码器(1)绝对式光电编码器的结构与原理绝对式光电编码器的核心部件是编码盘，编码盘由透明区及不透明区组成。这些透明区及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。图11-2(a)所示为一个四位自然二进制编码器的编码盘。若涂黑部分为不透明区，输出为“1"，则空自部分为透明区，输出为“0”，它有四条码道，对应每一条码道有一个光电元件来接收透过编码盘的光线。当编码盘与被测物转轴一起转动时，若采用n位编码盘，则能分辨的角度为上一页

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返回11.1数字编码器自然二进制码虽然简单，但存在着使用上的问题，这是由于图案转换点处位置不分明而引起的粗大误差。为了避免这种误差，可采用格雷码(Graycode)图案的编码盘。格雷码具有代码从任何值转换到相邻值时字节各位数中仅有一位发生状态变化的特点;而自然二进制码则不同，代码经常有2~3位甚至4位数值同时变化的情况。这样，采用格雷码的方法即使发生前述的错移，由于它在进位时相邻界面图案的转换仅仅发生一个最小量化单位(最小分辨率)的改变，因而不会产生粗大误差。这种编码方法称作单位距离性码，是常采用的方法。上一页

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返回11.1数字编码器绝对式光电编码器对应每一条码道有一个光电元件，当码道处于不同角度时，经光电转换的输出就呈现出不同的数码，如图11-2(b)所示。它的优点是没有触点磨损，因而允许转速高，最外层缝隙宽度可做得更小，所以精度也很高，其缺点是结构复杂、价格高、光源寿命短。图11-3所示为绝对式光电编码器测角仪的原理图。在采用循环码的情况下，每一码道有一个光电元件;在采用二进码或其他需要“纠错”即防止产生粗大误差的场合下，除最低位外，其他各个码道均需要双缝和两个光电元件。根据编码盘的转角位置，各光电元件输出不同大小的光电信号，这些信号经放大后送入鉴幅电路，以鉴别各个码道输出的光电信号对应于“0”态或“1”态。上一页

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返回11.1数字编码器经过鉴幅后得到一组反映转角位置的编码，将它送入寄存器。在采用二进制、十进制、度分秒进制编码盘或采用组合编码盘时，有时为了防止产生粗大误差要采取“纠错”措施，“纠错”措施由纠错电路完成。有些还要经过代码变换，再经译码显示电路显示编码盘的转角位置。(2)绝对式光电编码器的主要技术指标绝对式光电编码器有如下主要技术指标:①分辨率。分辨率指每转一周所能产生的脉冲数。②输出信号的电特性。表示输出信号的形式(代码形式、输出波形)和信号电平以及电源要求等参数称为输出信号的电特性。上一页

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返回11.1数字编码器③频率特性。频率特性是对高速转动的响应能力，取决于光敏器件的响应和负载电阻以及转子的机械惯量。④使用特性。使用特性包括器件的几何尺寸和环境温度。

3.光电式编码器的应用(1)位置测量把输出的脉冲f和g分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量(转角/脉冲)就可测出编码盘转过的角度。为了能够得到绝对转角，在起始位置，对可逆计数器清零。上一页

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返回11.1数字编码器在进行直线距离测量时，通常把它装到伺服电动机轴上，伺服电动机又与滚珠丝杠相连，当伺服电动机转动时，由滚珠丝杠带动工作台或刀具移动，这时编码器的转角对应直线移动部件的移动量，因此，可根据伺服电动机和丝杠的转动以及丝杠的导程来计算移动部件的位置。光电编码器的典型应用产品是轴环式数显表，它是一个将光电编码器与数字电路装在一起的数字式转角测量仪表。它适用于车床、铣床等中小型机床的进给量和位移量的显示。

(2)转速测量转速可由编码器发出的脉冲频率或脉冲周期来测量。上一页

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返回11.1数字编码器利用脉冲频率测量是在给定的时间内对编码器发出的脉冲计数，然后求出其转速(单位为r/min),即图11-5(a)所示为用脉冲频率法测转速的简图，在给定t时间内使门电路选通，编码器输出脉冲允许进入计数器计数，这样可算出t时间内编码器的平均转速。利用脉冲周期测量转速，是通过计数编码器一个脉冲间隔内(脉冲周期)标准时钟的脉冲个数来计算其转速，转速(单位为r/min)可由下述公式计算，即上一页

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返回11.1数字编码器图11-5(b)所示为用脉冲周期测量转速的简图，当编码器输出脉冲正半周时选通门电路，标准时钟脉冲通过控制门进入计数器计数，计数器输出N2，即可用上式计算出转速。上一页

返回11.2光栅式传感器11.2.1光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杠上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。1.光栅尺标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成光栅尺，如图11-6所示，其中长的一块为标尺光栅，短的一块为指示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从图11-6中光栅尺线纹的局部放大部分来看，自的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度。下一页

返回11.2光栅式传感器设栅距为W，则W=a+b，一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹的宽度是相等的，即a=b。2.光栅读数头光栅读数头由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成，如图11-7(a)所示。光栅读数头的光源一般采用白炽灯。白炽灯发出的光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。由于光敏元件输出的电压信号比较微弱，因此，必须先将该电压信号进行放大，以避免在传输过程中被多种干扰信号所淹没、覆盖而造成失真。驱动电路的功能就是实现对光敏元件输出信号进行功率放大和电压放大。按光路分，光栅读数头的结构形式除了垂直入射式外，常见的还有分光读数头、反射读数头等，它们的结构如图11-7(b)、图11-7(c)所示。上一页

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返回11.2光栅式传感器按其形状和用途，光栅可以分成长光栅和圆光栅两类。长光栅用于长度测量，又称直线光栅;圆光栅用于角度测量。按光线的走向，可分为透射光栅和反射光栅。11.2.2光栅的基本工作原理1.莫尔条纹光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔(Moire)，法文的原意是水面上产生的波纹。莫尔条纹是指两块光栅叠合时，出现光的明暗相间的条纹，从光学原理来讲，如果光栅栅距与光的波长相比较是很大的话，就可以按几何光学原理来进行分析。图11-8所示为两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。上一页

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返回11.2光栅式传感器

莫尔条纹有如下几个重要特性:(1)消除光栅刻线的不均匀误差由于光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内许多刻线的综合结果。因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效应，这有利于提高光栅的测量精度。

(2)位移的放大特性莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距w，它随着光栅刻线夹角而改变。

(3)移动特性莫尔条纹随光栅尺的移动而移动，它们之间有严格的对应关系，包括移动方向和位移量。上一页

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返回11.2光栅式传感器图11-8中主光栅相对指示光栅的转角方向为逆时针方向。主光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动;主光栅向右移动，莫尔条纹向上移动。(4)光强与位置关系两块光栅相对移动时，从固定点观察到莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2π，这种正弦波形的光强变化照射到光电元件上，即可转换成电信号关于位置的正弦变化。当光电元件接收到光的明暗变化，则光信号就转它可以用光栅位移量x的余弦函数表示为上一页

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返回11.2光栅式传感器2.辨向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是做明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号，就无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。图11-10所示为辨向的工作原理和它的逻辑电路。3.细分技术由前面讨论可知，当光栅相对移动一个栅距W，则莫尔条纹移过一个间距B，与门输出一个计数脉冲，这样其分辨率为w。为了能分辨比w更小的位移量，就必须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，这种方法就称为细分。上一页

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返回11.2光栅式传感器由于细分后计数脉冲的频率提高了，故又称为倍频。通常采用的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。作为电子细分方法，它们均属于非调制信号细分法，下面简要介绍电桥细分法。电桥细分法的基本原理可以用下面的电桥电路来说明。图11-11(a)的电桥电路Uo1和Uo2分别为从光电元件得到的两个莫尔条纹信号，R1和R2是桥臂电阻，RL为过零触发器负载电阻。设z点的输出电压为UZ，根据电工基础中的节点电压法可知上一页

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返回11.2光栅式传感器若电桥平衡时，则如前所述，莫尔条纹信号是光栅位置状态的正弦函数,所以选取不同R1/R2值，就可以得到任意的值。也就是说通过选择R1和R2的阻值，理论上可以得到任意多的细分数。采用两个相位差π//2的信号来进行测量和移相，在测量技术上获得了广泛的应用。虽然具体电路不完全相同，但都是从这个基本原理出发的。上一页

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返回11.2光栅式传感器

图11-11(b)所示为一个10倍频细分的电位器桥细分电路，图中标明了各输出口的初相角。电桥接在放大级的后面，因为光电元件输出信号的幅值和功率都很小，直接与电桥相连接，将使后面的脉冲形成电路不能正常工作，此电路最大可进行12倍频细分。细分电桥是无源网络，它只能消耗前置级的功率。细分数愈大，消耗功率愈多，所以在选择桥臂电阻的阻值时，应考虑前后两级的衔接问题。阻值太大，影响输出，对后级不利;阻值太小，消耗功率太大，对前级加重负载。因此，应根据前级的负载能力、细分数和后级吸收的电流要求来综合考虑。上一页

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返回11.2光栅式传感器4.光栅数显装置光栅数显装置的结构示意图和电路原理框图如图11-12所示。图中各环节的典型电路及工作原理前面已经介绍过。在实际应用中，对于不带微处理器的光栅数显装置，完成有关功能的电路往往由一些大规模集成电路(LSI)芯片来实现，下面简要介绍国产光栅数显装置的LSI芯片对应完成的功能。这套芯片共分三片，另外再配两片驱动器和少量的电阻、电容，即可组成一台光栅数显表。(1)光栅信号处理芯片(HKF710502)该芯片的主要功能是:完成从光栅部件输入信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实现和分辨率的选择等。上一页

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返回11.2光栅式传感器(2)逻辑控制芯片(HKE701314)该芯片的主要功能是:为整机提供高频和低频脉冲，完成BCD译码、XJ校验以及超速报警。(3)可逆计数与零位记忆芯片(HKE701201)该芯片的主要功能是:接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数;接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。11.2.3光栅式传感器的应用由于光栅式传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面，光栅式传感器都起着重要作用。上一页

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返回11.2光栅式传感器光栅式传感器通常作为测量元件应用于机床定位、量速度、加速度和振动等。图11-13所示为光栅式万能测长仪的工作原理图。由光栅式传感器获得的四路原始信号，经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辨向电路辨向进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。这是光栅式万能测长仪从光栅式传感器输出信号后读出的整个逻辑，每步逻辑由相应的电路来完成，通常采用大规模集成电路来实现以上功能随着微机技术的不断发展，目前人们已研制出带微机的光栅数显装置。采用微机后，可使硬件数量大大减少，功能越来越强。上一页

返回11.3感应同步器感应同步器是一种新颖的数字位置检测元件，具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长且制造工艺简单等优点，被广泛应用于自动化测量和控制系统中。11.3.1感应同步器的结构和类型感应同步器分为直线式和旋转式(圆盘式)两种基本类型。直线式用于测量直线位移，旋转式用于测量角位移，它们的基本工作原理是相同的。感应同步器是由可以相对移动的滑尺和定尺(对于直线式)或转子和定子(对于旋转式)组成。基板材料一般采用低碳钢或者玻璃等非导磁材料。加工后的基板上粘贴绝缘层和铜箔，绝缘层和铜箔要求厚度均匀和平整。下一页

返回11.3感应同步器典型的直线感应同步器的定尺长度为250mm，分布着周期W为2mm的连续绕组。滑尺长100mm，分布着交替排列的两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，它们的周期相等，相位差为90°电角度，即位置上相差W/4的距离。直线感应同步器有标准型、窄型和带型几种形式。标准型感应同步器是其中精度最高的一种，使用也最广泛;窄型感应同步器的定尺和滑尺宽度都只有标准的一半，主要用于位置受到限制的场合;因它的宽度窄，所以藕合情况不如标准型，精度也较低，当设备上的安装面不易加工时，可采用带型感应同步器。定尺绕组用照相腐蚀法印制在钢带上，滑尺预先安装、调整好并封装在一个盒子里，通过支架与机体连接。由于钢带两端固定点可随设备伸缩，故能减小由于受热变形而产生的测量误差。上一页

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返回11.3感应同步器当量程较大时，可将标准型感应同步器和窄型感应同步器的定尺拼接使用，带型定尺不需要拼接，但由于其刚性较差，机械安装参数不易保证，其测量精度也比标准型低。11.3.2感应同步器的基本工作原理与信号处理方式1.基本工作原理将感应同步器定尺与滑尺面对面地安装在一起，并使两者之间留有约0.25mm的间隙。在定尺绕组上加上激励电流于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为上一页

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返回11.3感应同步器图11-15所示为感应同步器的工作原理图。图11-15(a)的A点处滑尺中的余弦绕组与定尺绕组重合，藕合系数Kc最大，而正弦绕组正好跨在定尺绕组上，通过正弦绕组的磁力线左右各半，方向相反，相互抵消，藕合系数Ks为零;图11-15(a)的B点处滑尺向右移W/4，则Kc为零，Ks为最大;图11-15(a)的C点处滑尺向右移至W/2处，余弦绕组与定尺反向重合，Kc为反向最大，正弦绕组又跨在定尺绕组上，Ks为零;同理，图11-15(a)的D点处Kc为零，Ks为反向最大;图11-15(a)的E点处又重复到图11-15(a)的A点处位置。从以上分析可作出如图11-15(b)所示的正弦、余弦绕组藕合系数与相对位置的关系曲线。上一页

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返回11.3感应同步器正弦绕组、余弦绕组藕合系数与相对位置关系可写为综上可得正弦绕组、余弦绕组的感应电动势为利用专门设计的电路对感应电势进行适当处理，就可以把位移量x检测出来。上一页

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返回11.3感应同步器2.信号处理方式与磁栅式传感器相同，感应同步器输出信号也可采用不同的处理方式。从励磁形式来说，一般可分为两大类:一类是以滑尺(或定子)励磁，由定尺(或转子)取出感应电动势;另一类则相反，目前较多采用的是前一类形式的激励。依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型3种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅型的信号处理方式。下面简要介绍感应同步器鉴相型和鉴幅型的信号处理方式。(1)输出信号的鉴相处理上一页

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返回11.3感应同步器若正弦绕组、余弦绕组的电动势如下式，即则可以用与磁栅式传感器同样的鉴相处理方式处理。(2)输出信号的鉴幅处理若在滑尺的正弦绕组、余弦绕组上施加同频率、相位相反、不同幅值的交流励磁电压us和uc(由专用的信号发生器提供)，us和uc的表达式为上一页

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返回11.3感应同步器定尺绕组的感应电动势分别为定尺上的总电动势为所以，e的幅值与定尺、滑尺的相对位移就建立了联系，可通过对e的幅值的测量，测出定尺、滑尺间的相对位移。上一页

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返回11.3感应同步器11.3.3感应同步器在数控机床闭环系统中的应用目前，数控机床控制技术已发展到CNC(计算机数控)、DNC(直接数控，也称群控或集中控制)、FMS(柔性制造系统)等阶段。这些控制系统的发展，也离不开精确的位移检测元件。由于感应同步器具有抗干扰能力强、可靠性高、对环境的适应性较强、重复精度高、结构坚固和维护简单等一系列优点，使其成为数控机床闭环系统中最重要的位移检测元件，受到国内外的普遍重视。1.定位控制系统在自动化加工和控制中，往往要求加工件或控制对象按给定的指令移动位置，这是位置控制系统所应具有的基本功能。上一页

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返回11.3感应同步器定位控制仅仅要求控制对象按指令进入要求的位置，对运动的速度无特定的要求。在加工过程中，主要实现坐标点到点的准确定位。比较典型的是卧式锁床、坐标锁床和锁铣床在切削加工前刀具的定位过程。图11-16所示为鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图，由输入指令脉冲给可逆计数器，经译码、D/A转换、放大器后送执行机构驱动滑尺。2.随动控制系统随动控制系统是在机床主动部件上安装检测元件，发出主动位置检测信号，并用它作为控制系统的指令信号，而机床的从动部件，则通过从动部件的反馈信号和主动部件始终保持着严格的同步随动运动。上一页

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返回11.3感应同步器由于感应同步器具有很高的灵敏度，只要自动控制系统和机械传动部件处理得当，使用感应同步器为检测元件的精密同步随动系统可以获得很高的随动精度。图11-17所示为鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图，标准信号发生器发出幅值相同的sinωt和cosωt信号，同时送到主动滑尺和从动滑尺作为励磁信号。这种随动控制系统可用于仿形机床和滚齿机等设备上。仿形机床是直线直线运动方式的精密随动控制系统。在加工成形平面的自动化设备中，利用两套直线感应同步器沿工件模型轮廓运动，同时发出两个坐标轴的指令信号，分别控制另外两套感应同步器，就可使电火花切割机、气割焊枪或铣刀加工出和模型一致的工件。上一页

返回11.4频率输出式数字传感器频率输出式数字传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一系列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过电子电路累计这些脉冲数，从而测得被测量;或者用测量与被测量有关的脉冲周期的方法来测得被测量。频率输出式数字传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一。频率输出式数字传感器一般有三种类型:①利用振荡器的原理，使被测量的变化改变振荡器的振荡频率。常用振荡器有RC振荡电路和石英晶体振荡电路两种。下一页