gangkou第三章

第三章一．数字式传感器1.特点：结构简单，具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确，易于实现自动化和数字化。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。稳定性好，易于微机接口，便于信号处理和自动化测量。2.常用数字传感器有四大类：栅式（光栅、磁栅）传感器编码器（接触式、光电式、电磁式）传感器频率输出式传感器感应同步器式传感器一．光栅式传感器1.莫尔条纹现象当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹莫尔条纹的宽度可按下式计算：设a=b=W/2，则(W/2)/B=sin(θ/2)，所以，B=W/(2sin(θ/2))，当θ很小时，sin(θ/2)=θ/2，故有：B=W/θ，称作莫尔条纹的宽度，又称为节距。2.莫尔条纹的特点①平均效应（消除光栅刻线的不均匀误差）：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用②对应关系（移动特性）：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。（主光栅相对指示光栅转角为逆时针方向，主光栅左移，则莫尔条纹下移）③放大作用：当W一定，而θ较小时，可使θ1，由公式B=W/θ可知，则BW。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝0.5º＝0.009rad，则：B=0.01/0.009≈1mm，放大100倍。若θ=0，则不产生莫尔条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。对于圆光栅，同样有这些特点。3.光栅位移转换的基本原理：当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化。输出表达式：Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]式中，2π/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：①辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；②精度低；分辨力只为一个栅距W。4.辨向原理：无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹。用两个光电元件相距B/4安装，我可以获得相位差为π/2的两个电信号，由此就可以解决辨向问题。5.细分技术：（解决精度问题）当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分。利用这种方法，可在一个周期内输出四个脉冲，所以又称之为四倍频电路，其分辨率提高四倍。栅距w=10μm时，分辨力为2.5μm，即脉冲当量为2.5μm，当w=4μm,其分辨力可为1μm。方法：四倍频细分、电桥细分、复合细分细分电桥是无源网络，只能消耗前置级的功率，细分越大消耗功率越多，所以选择桥臂电阻值时，应考虑前后两级衔接的问题。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，因根据前级的负载能力、细分数和后级吸收电流要求综合考虑。三．磁栅传感器利用磁栅与磁头的电磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器。1.特点：成本较低且便于安装和使用；制作简单，复制方便；精度较高；测量范围宽；不需要接长；抗干扰能力强。2.应用：磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上3.磁栅的结构：磁栅由磁性标尺、磁头以及检测电路三部分组成4.磁头：将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。分类：动态磁头(速度响应式磁头)和静态磁头（磁通响应式磁头）两种。动态磁头有一个输出绕组，只有在磁头和磁栅产生相对运动时才能有信号输出。静态磁头有激磁和输出两个绕组，不仅能在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时拾取信号，而且也能在它们相对静止时拾取信号。5.工作原理：两组绕组N1N2，激磁绕组N1通入电流，磁通的一部分通过铁芯，在输出绕组N2中产生电势信号。N1产生的正向反向磁场均可以使磁头铁芯饱和，在它变化的一个周期内，可使其饱和两次，磁头输出绕组中输出电压信号为非正弦周期函数，为了保证距离的准确性，通常磁头做成一体，两个磁头输出的信号载频相位差90°。6.信号处理方式A.鉴相处理方式：利用输出信号的相位大小来反映磁头的位置量或磁尺的相对位置的信号处理方式。对图所示的两组磁头A和B的激磁绕组分别通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流AB0i=i=Isin(/2)t(4-31)取磁尺上的某N点为起点，若A磁头离开起点的距离为x，则A和B磁头上拾磁绕组输出的感应电势为：A0B00e=(Esint)sin(2/)x(4-32)e=(Esint)sin(2/)n+1/4;=(Esint)cos(2/)x(4-33)xA0B00e=(Esint)sin(2/)x(4-32)e=(Esint)sin(2/)n+1/4;=(Esint)cos(2/)x(4-33)xA0B00e=(Esint)sin(2/)x(4-32)e=(Esint)sin(2/)n+1/4;=(Esint)cos(2/)x(4-33)xI0——激磁电流幅值；E0——磁头输出的感应电势幅值；ω——激磁电流频率的二倍值把A磁头输出的感应电势中的sinωt移相π／2，则得到xtEeA)/2sin()cos(0''BA000e=e+e=(Esint)cos(2/)x+(Ecost)sin(2/)x=Esint+(2/)x(4--35)'BA000e=e+e=(Esint)cos(2/)x+(Ecost)sin(2/)x=Esint+(2/)x(4--35)相位差2π/入得出磁头相对于磁尺的尺寸。B.鉴幅处理方式：利用输出信号的幅值来反映磁头的位置量或磁尺的相对位置的信号处理方式。感应电势为用检波器将和中的高频载波滤掉，便可得到相位差为π／2的两路交变电压信号，tWxEEmsin2cos''A0B022e=Esinxe=Ecosx（4-38）；（4-39）''A0B022e=Esinxe=Ecosx（4-38）；（4-39）两个信号与光栅传感器两个光电原件的输出信号是完全相同的，所以他们的戏份方法变向原理与光栅传感器相同。7.W；零磁栅录制比零位光栅刻线简单；存在零位误差和细分误差；系统总误差在±0.01m以内；分辨力为1~5m.。四．编码器：将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器）码盘室编码器分为：接触式编码器、电磁式编码器、光电式编码器五．接触式编码器1.工作原理：将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。2.绝对式旋转编码器的特点：在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的。因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据。检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差。3.接触式编码盘的优点：简单，体积小，输出信号强，不需放大。高精度、高分辨率、高可靠性，能直接输出某种码制的数码，主要用于各种位移的测量。缺点：①是存在电刷的磨损问题，故寿命短②触点接触，转速不能太高(几十转／分)，③而且精度受到最高位(最内圈上)分段宽度的限制。目前，电刷最小宽度可做到0.1mm左右。最高位每段宽度可达0.25mm，最多可做到9位二进制。消除非单值性误差有两种方法：一种方法是采用双电刷，即在编码盘的不同位置上分别安装一组电刷，并且当一组电刷位于过渡线上时，另一组电刷一定位于两个过渡线中间。这样，根据两组电刷的空间位置和测得的编码值进行比较判断，可推算出正确的测量值。另一种方法是采用特殊代码即循环码。【1）编码规则：将二进制码右移一位并舍去最末位与原二进制做不进位加法。2）特点相邻两个数码之间只有一位变化。】4.增量编码器的结构和工作原理：增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈(A、B)的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件。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。六．RC振荡器式频率传感器温度—频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时．RT的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。