第七章数字式传感器

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个光电元件－－圈码道码盘－－有光源nn2、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α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C1C2…Cn(二进制码)R1R2…Rn（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n2/3601n2/3601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niiiniininCCN1112360223602、二进码与循环码的转换C1C2C3C4……CnR1R2R3R4……RnC1C2C3……Cn-1C1C2C3……Cn-1R1R2R3R4……RnC1C2C3C4……Cn1111iiiiiiCRRCCCRC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，iiiiiiiRCCRCRCQ1116.1.2增量编码器一、结构与工作原理1．组成结构图7-1-6①光源②码盘三个码道：1°零位码道A—－1条透个狭缝2°增量码道B—－m个透光不透光扇区3°辨向码道C—－m个透光不透光扇区（B、C全错开半个扇区）③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=1Q=0计数器加计数减计数2．净转角测量①分辨率m/3601②净转角与计数结果N的关系mNN3601mN360mN360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β，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2sin22）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H＞＞W。（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7－2－3主光栅移动一个栅距W，光电转换电压变化一个周期02cos()avmuUUxW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π/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),2,1(),360360sin(mimiWxUumi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：/xxNmWWm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7-2-4taniiiRR1cossiniiiK若12cos,sinmmeUeU，则cos()iimiuKU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：360tan()48iiRiR(1,2,48)i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7－2－6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：0sin(2)cos2mxektW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(n±1/4)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π/4两个磁头的输出电压相位差π/4的调幅信号：1sin(2)cos2mxeUtW2cos(2)cos2mxeUtW1sin(2)cos2mxeUtWtWxUem2sin)2cos(2磁头输出电压的处理鉴幅器鉴幅得到：'1sin(2)mxeUW'2cos(2)mxeUW送辨向细分电路测出位移x。减法器相减得到调相信号：021sin(22)mxueeUtW鉴相电路测量出该调相信号的相位2πx/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)(2baWN720断续绕组正弦余弦两部分的间距11)412(Wnl)412(1n7.3.2感应同步器的工作原理一、感应同步器中的互感图7-3-51、滑尺上断续绕组与定尺连续绕组间的互感1）正弦绕组sin2sin)(00MxWMxMs2）余弦绕组cos2cos)(00MxWMxMc2、定子上断续绕组与转子连续绕组间的互感1）正弦绕组sin2sin)(00MMMs2）余弦绕组cos2cos)(00MMMc二、感应同步器的等效电路图7-3-6iiiiRMjUjMRMjUUsinsinsin0000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20～40kHz。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π/2：tUumissintUumiccos频率和相位相同，但幅值不等：tUumiscoscostUumiscossin连续绕组中的感应电压)sin(00tURMemtURMemsin)sin(00感应电压0e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fmkf21lFk2振弦横向刚度系数llEllslFlmlFfvv2121212121应用：测力F，应力，位移L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①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。②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ilBFi，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：VlBe，式中dtdxV，x－振动位移，故BleV。振弦弹性力kxFk，与横向位移x方向相反，振弦与周围介质摩擦阻力VDFd与V方向相反，据牛顿定律，合力=dtdVmFFFdki，dtdV为振弦振动加速度。令振弦惯性力dtdVmFm，则有：dmkiFFFF两边同除以Bl得BlFBlFBlFBlFdmki令：edtBlkdtBleBlkVdtBlkBlkxBlFikk2)(dtdeBlmBleVdtdVBlmdtdVmFBlFimmm2)(eBlDBleVVVBlDVDFBlFiddd2)(所以eBlDdtdeBlmedtBlkiiiidmk222)()()(---------------------(1)因为dtdiLeL所以edtLiL1dtiCec1所以dtdeCicRieR所以ReiR所以RedtdeCedtLiiiiRcL1----------------------------------------(2)对比（1）（2）式可见：kBlL2)(，2)(BlmC，DBlR2)(，mkLC1三、振弦传感器的非线性1、单一振弦令FFF0F0——振弦初始张力F——被测量变化引起的振弦张力增量。0F时0021Ff0F时000001)1(2121FFfFFFlFFlf])(161)(81211[302000FFFFFFf])(81)(411[2200000FFFFFFffff所以])(81)(411[220000FFFFFFff当0FF时002FFff非线性误差041FF2．差动振弦图7-4-4FFF01FFF02所以0011FFff，0021FFff])(811[200021FFFFffff所以])(811[2000FFFFff当0FF时00FFff非线性误差20)(81FF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mEkaf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。Pff10二、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：)1()1(22022210xxffDD7.4.3振膜式和振梁式传感器一、振膜式传感器图7-4-81、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