《D数字式传感器》PPT课件.ppt

第第13章章 数字式传感器数字式传感器将被测模拟量转换成数字输出的传感器。将被测模拟量转换成数字输出的传感器。测量精度和分辨率更高测量精度和分辨率更高 抗干扰能力强，稳定性好抗干扰能力强，稳定性好 测量范围大测量范围大 易于与计算机接口实现智能化易于与计算机接口实现智能化 便于传输、存储和信号处理便于传输、存储和信号处理 电路便于集成化电路便于集成化优点优点10/26/20221数字传感器的三大类数字传感器的三大类直接以数字量形式输出，如直接编码器直接以数字量形式输出，如直接编码器以脉冲形式输出，如光栅以脉冲形式输出，如光栅,磁栅等磁栅等以频率形式输出以频率形式输出。padehiml数字传感器数字传感器10/26/20222编码器编码器直接编码器：直接编码器：（绝对式）绝对式）直接将角位移或线性位移转换为二元码（即直接将角位移或线性位移转换为二元码（即“0”或或“1”）增量编码器增量编码器10/26/20223编码器编码器一、光电式直接编码器一、光电式直接编码器（绝对式）绝对式）1.1.构成：构成：由光学玻璃制成的圆形由光学玻璃制成的圆形码盘，码盘上刻有同心码道，码盘，码盘上刻有同心码道，码道上有亮区和暗区；码道上有亮区和暗区；光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成窄光束照射在光电元件上；窄光束照射在光电元件上；10/26/20224 二进制码、循环二进制码、循环码、十进制码、六十码、十进制码、六十进制码、四位二进制进制码、四位二进制码，格雷码。码，格雷码。2.2.码制码制padehiml编码器编码器 每个码道有一个光电元件，光电元件受光照为每个码道有一个光电元件，光电元件受光照为“0”“0”，不受光照为，不受光照为“1”“1”；转动码盘，转角转动码盘，转角即可转换成几位二元码。即可转换成几位二元码。10/26/202251 1）四位二进制码盘：最内圈码道为第一码道，）四位二进制码盘：最内圈码道为第一码道，半圈透亮，半圈不透亮。半圈透亮，半圈不透亮。对应最高位对应最高位C C4 4 最外圈为第最外圈为第n n码道，共分成码道，共分成2 2n n个亮暗间隔，对应最个亮暗间隔，对应最低位低位C C1 1，最小分辨率为，最小分辨率为=360/2=360/2n n编码器编码器padehiml10/26/20226当狭缝对准当狭缝对准a,b,c,pa,b,c,p位置时，得到的数码将是位置时，得到的数码将是0000,0001,0010,11110000,0001,0010,1111编码器编码器padehiml码盘转角与转换出的二进制码码盘转角与转换出的二进制码C C1 1，C C2 2 C Cn n的关系的关系10/26/2022710/26/2022810/26/2022910/26/2022102 2）二进制码的缺点：）二进制码的缺点：由于黑白分界线刻划不精确造成粗误差。由于黑白分界线刻划不精确造成粗误差。理想位置分界线理想位置分界线aa:01111000aa:01111000编码器编码器C1C2C3C411110000aa10/26/202211 当当C4的白分界线不清时，转动码盘时，输的白分界线不清时，转动码盘时，输出由出由01110000 1000，其中出现错误码，其中出现错误码“0000”；当当C4的黑分界线不清时，转动码盘时，输出的黑分界线不清时，转动码盘时，输出由由01111111 1000，其中出现错误码，其中出现错误码“1111”。3 3）循环码盘）循环码盘与二进制码相同之处：与二进制码相同之处：码道数等于数码位数，最小分辨率相同；码道数等于数码位数，最小分辨率相同；最内圈也是半圈透光，半圈不透光；最内圈也是半圈透光，半圈不透光；编码器编码器10/26/202212与二进制码不同之处与二进制码不同之处:第二道码也是一半透光一半不透光第二道码也是一半透光一半不透光第第i i码道分为码道分为2 2i i1 1(i2)(i2)个黑白间隔个黑白间隔,如如i i2,2,则等于则等于2 2；i i3 3，则等于则等于4 4；i i4 4，则等于则等于8 8个个间隔，第间隔，第i i码道的黑白分界线与第码道的黑白分界线与第i i1 1码道的码道的黑折分界线错开黑折分界线错开360/2360/2i i(i2)(i2)循环码是无权码。循环码是无权码。循环码转到相邻区域时，编码中只有一位发循环码转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。生变化。编码器编码器10/26/202213当狭缝对准当狭缝对准a,b,c,pa,b,c,p位置时，得到的数码将位置时，得到的数码将是：是：0000,0001,00110000,0001,0011，0010100000101000。编码器编码器10/26/202214十十进进制制012345 6789101112131415二二进进制制C0000000100100011010001010110011110001001101110111100110111101111循循环环码码R00000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110003.3.二进制码与循环码的转换二进制码与循环码的转换编码器编码器10/26/202215二进制码可转换为循环码：二进制码可转换为循环码：CnRn+不进位加法不进位加法转换关系转换关系举例：举例：二进制码二进制码循环码循环码C4 C3 C2 C1 C3 C2 C1R4 R3 R3 R1+0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1+1 1 1 0 1 1 01 0 0 1+编码器编码器10/26/202216由二进制码转换为循环码的电路：由二进制码转换为循环码的电路：CnCn-1RnRn-1Rn-2R1C1Cn-2C2CPRDD1D2RiQCiD并行转换电路并行转换电路并行转换电路并行转换电路串行转换电路串行转换电路串行转换电路的工作过程为：串行转换电路的工作过程为：D D1 1置置0 0，即，即Q=0Q=0。C Ci i端送端送入入C Cn n，异或门，异或门D D2 2输出输出R Rn nC Cn n 0 0C Cn n；随后加；随后加CPCP脉冲，脉冲，使使Q QC Cn n；在；在C Ci i端加端加C Cn-1n-1，D D2 2输出输出R Rn-1n-1C Cn-1n-1C Cn n。重复。重复上述过程，依次可得上述过程，依次可得R Rn n，R Rn-1n-1，R R2 2，R R1 1。编码器编码器+10/26/202217由循环码转换为二进制码的电路：由循环码转换为二进制码的电路：并行转换电路并行转换电路串行转换电路串行转换电路RnCnCn-1Cn-2C1R1Rn-2Rn-1CPRDDCiRiKJQ编码器编码器+10/26/202218串行转换电路的工作过程为：将串行转换电路的工作过程为：将JKJK触发器触发器R RD D复复0 0，Q Q0 0，R Rn n加到加到J J、K K，再加，再加CPCP脉冲，则脉冲，则Q QC Cn nR Rn n；设设Q Q端为端为C Ci+1i+1，J J、k k端加端加R Ri i；当当R Ri i“1”“1”，则加，则加CPCP后，后，Q Q i+1i+1，当当R Ri i“0”“0”，则加，则加CPCP后，后，Q QC Ci+1i+1，重复上述步骤，可依次获得：重复上述步骤，可依次获得：C Cn n，C Cn-1n-1，C C2 2，C C1 1其逻辑关系为：其逻辑关系为：编码器编码器10/26/202219绝对式绝对式编码器编码器型号型号轴径轴径输出码输出码精度精度PAL8 实心轴实心轴二进制码或格雷码二进制码或格雷码 8位位 9位位 10位位PAL110 实心轴实心轴二进制码或格雷码二进制码或格雷码 8位位 9位位 10位位 11位位PZX10 实心轴实心轴循环二进制码循环二进制码180分度分度PNL6 8 实心轴实心轴格雷码格雷码4 6 8 10 12位位10/26/202220二、增量编码器二、增量编码器脉冲盘式数字传感器脉冲盘式数字传感器编码器编码器10/26/202221（2）工作原理）工作原理脉冲式数字传感器一般只有脉冲式数字传感器一般只有3道码道，光电元件道码道，光电元件也只有也只有3个。个。最外圈码道上：提供初始的零位脉冲最外圈码道上：提供初始的零位脉冲中间圈：中间圈：增量码道增量码道最里圈：最里圈：辨向码道辨向码道均有均有m个透光和不透光的扇区个透光和不透光的扇区 但彼此错开但彼此错开900/m增量编码器的分辨率：增量编码器的分辨率：码盘每转一周，两个光电元件上将产生码盘每转一周，两个光电元件上将产生m个增量个增量码和码和m个辨向脉冲。个辨向脉冲。编码器编码器10/26/202222增量编码器原理演示增量编码器原理演示顺时针旋转式超前顺时针旋转式超前10/26/202223增量编码器原理演示增量编码器原理演示逆时针旋转时滞后逆时针旋转时滞后10/26/20222410/26/20222510/26/202226增增 量量 式光电编码器式光电编码器型号型号轴径轴径输出信号输出信号脉冲数脉冲数PIE5 6 8 10 实心轴实心轴A B Z10 20 30 40 50 60 90 100 120 125 150 240 256 300 320 360 400 500 512 600 720 750 800 900 1000 1016 1024 1080 1200 1250 1270 1500 1600 1800 2000 2048 2160 2400 2500 3600 4096 5000 7200 8000 8192PIE38 10 实心轴实心轴A B ZPZF PIF15 12 实心轴实心轴A B ZPID56空心槽空心槽A B ZPIM6 实心轴实心轴A B ZPHE8 10 半空心轴半空心轴A B ZPIS417 1:10 锥度空心轴锥度空心轴A B ZPKT661530 空心轴空心轴A BPKT7820 空心轴空心轴A B10/26/202227光栅光栅光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件物理光栅物理光栅:利用光的衍射现象利用光的衍射现象计量光栅：利用光栅的莫尔条纹计量光栅：利用光栅的莫尔条纹主要讨论的是：主要讨论的是：长度测量的黑白透射式计量光栅长度测量的黑白透射式计量光栅一、光栅一、光栅1、光栅传感器的结构和基本原理、光栅传感器的结构和基本原理主要有主光栅、指示光栅和光路系统主要有主光栅、指示光栅和光路系统10/26/202228n计量光栅技术的基础是莫尔条纹，计量光栅技术的基础是莫尔条纹，1874年由英年由英国物理学家首先提出这种图案的工程价值，直到国物理学家首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。进行精密测量。10/26/202229光栅光栅10/26/202230在指示光栅和标尺光栅上刻有等间距条纹，刻线密度在指示光栅和标尺光栅上刻有等间距条纹，刻线密度为为10条条/mm、25条条/mm、50条条/mm、100条条/mm。2、莫尔条纹的形成与特点、莫尔条纹的形成与特点将主光栅与指示相对叠合在一起，使两者光栅线保将主光栅与指示相对叠合在一起，使两者光栅线保持很小的角度，于是在近乎垂直栅线的方向上出现持很小的角度，于是在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹，即莫尔条纹。了明暗相间的条纹，即莫尔条纹。光栅光栅播放动画播放动画10/26/202231莫尔条纹的形成莫尔条纹的形成例如：例如：则则10/26/202232莫尔条纹具有以下主要特点：莫尔条纹具有以下主要特点：（1）移动方向：）移动方向：指示光栅不动，主光栅向右移动，莫尔条纹向下指示光栅不动，主光栅向右移动，莫尔条纹向下若主光栅左移，则莫尔条纹向上移动，指示光栅若主光栅左移，则莫尔条纹向上移动，指示光栅 相对于主光栅形成一个顺时针方向夹角相对于主光栅形成一个顺时针方向夹角（2）移动距离：）移动距离：主光栅沿栅线垂直方向移动一个光栅栅距主光栅沿栅线垂直方向移动一个光栅栅距W时，时，莫尔条纹正好移动一个间距莫尔条纹正好移动一个间距B。很小时：很小时：BW时，莫尔条纹具有放大作用时，莫尔条纹具有放大作用（3）平均效应：）平均效应：莫尔条纹具有减少光栅栅距局莫尔条纹具有减少光栅栅距局 部误差的作用。部误差的作用。光栅光栅10/26/202233光栅光栅光电转换电压与光栅位置的关系光电转换电压与光栅位置的关系u u0 0W/2W理论上输出波形为三角波理论上输出波形为三角波U Uavav实际波形可近似描述为：实际波形可近似描述为：10/26/20223410/26/202235光栅尺技术参数光栅尺技术参数机械电气特性机械电气特性准确度准确度2m,3m,5m分辨力分辨力5m（正弦波）,0.1m,0.2m,0.5m,1m（电子细分，最高到50倍）测量长度测量长度701020mm（每50mm一档），11401840mm（每100mm一档），20403040mm（每100mm一档）测量速度测量速度60M/分钟10/26/202236辨向原理辨向原理光电元件光电元件光栅光栅1210/26/202237细分技术（细分技术（1）直接细分直接细分 在在莫莫尔尔条条纹纹信信号号变变化化一一个个周周期期内内,发发出出若若干干个个脉脉冲冲,以以减减小小脉脉冲冲当当量量,如如一一个个周周期期内内发发出出n脉脉冲冲,即即可可使使测测量量精精度度提提高高n倍倍,而而每每个个脉脉冲冲相相当当于于原原来来栅栅距距的的1/n。由由于于细细分分后后计计数数脉冲频率提高了脉冲频率提高了n倍倍,因此也称之为因此也称之为n倍频。倍频。在在上上述述辨辨向向原原理理中中可可知知,在在相相差差BH/4位位置置上上安安装装两两个个光光电电元元件件,得得到到两两个个相相位位相相差差/2的的电电信信号号。若若将将这这两两个个信信号号反反相相就就可可以以得得到到四四个个依依此此相相差差/2的的信信号号,从从而而可可以以在在移移动动一一个个栅距的周期内得到四个计数脉冲栅距的周期内得到四个计数脉冲,实现四倍频细分。实现四倍频细分。10/26/202238细分技术（细分技术（2）电位器桥细分电位器桥细分令令若若可得到可得到k个彼此相差个彼此相差 的正弦信号的正弦信号10/26/202239细分技术（细分技术（2）电位器桥细分电位器桥细分10/26/20224010/26/20224110/26/202242频率式传感器频率式传感器能直接将被测量转换为振动频率信号的传感器称为能直接将被测量转换为振动频率信号的传感器称为频率式传感器。频率式传感器。振弦式张力传感器；振弦式张力传感器；振筒式压力传感器；振筒式压力传感器；振筒式密度传感器；振筒式密度传感器；振膜式桥梁式力传感器；振膜式桥梁式力传感器；石英晶体振荡器等；石英晶体振荡器等；这类传感器又称为这类传感器又称为-谐振式传感器谐振式传感器10/26/2022434i5eNS1F3AO2一、振弦式传感器一、振弦式传感器1.1.工作原理工作原理 O O、A A为两支点，金属为两支点，金属丝质量为丝质量为m m，弦长为，弦长为l，张力，张力为为F F，其固有频率为，其固有频率为K振弦的横向刚度系数。振弦的横向刚度系数。频率式传感器频率式传感器10/26/202244两式联立得两式联立得:式中：式中：振弦的线密度振弦的线密度(m/l)(m/l)；S S振弦的横截面积振弦的横截面积 v v振弦的体密度振弦的体密度(m/sl)(m/sl)l l振弦的长度增量振弦的长度增量E E弹性模量弹性模量F/SF/S，振弦的应力，振弦的应力频率式传感器频率式传感器10/26/2022452.2.差动式振弦传感器差动式振弦传感器 减小非线性误差和温度误差减小非线性误差和温度误差F F0 0初始张力初始张力 f f0 0初始频率初始频率频率式传感器频率式传感器10/26/202246忽略其高次项：忽略其高次项：非线性误差非线性误差，即，即 解决办法解决办法差动式差动式膜片下弦上弦f1f2频率式传感器频率式传感器10/26/202247 当被测参数作用在弹性膜片上时，上、下当被测参数作用在弹性膜片上时，上、下弦产生大小相等、方向相反的张力增量。弦产生大小相等、方向相反的张力增量。此时，此时，可见，与单根振弦相比，灵敏度提高可见，与单根振弦相比，灵敏度提高1 1倍，倍，且非线性误差减小很多且非线性误差减小很多,即即频率式传感器频率式传感器10/26/202248二、石英晶体谐振式传感器二、石英晶体谐振式传感器 当给石英晶体的电极施加交变激励电压时，晶当给石英晶体的电极施加交变激励电压时，晶体会产生机械振动，而当振动时，两极又会产生交体会产生机械振动，而当振动时，两极又会产生交变电压，将石英晶体接入正反馈放大器电路中，两变电压，将石英晶体接入正反馈放大器电路中，两极电压经放大后又同相位反馈到晶体电极上，加强极电压经放大后又同相位反馈到晶体电极上，加强原来的交变电压，维持振动。原来的交变电压，维持振动。1.1.工作原理工作原理 逆压电效应：当给石英晶体的电极施加交变激逆压电效应：当给石英晶体的电极施加交变激励电压时，晶体会产生机械振动。励电压时，晶体会产生机械振动。频率式传感器频率式传感器10/26/2022492.2.石英晶体的谐振石英晶体的谐振当强迫振动频率等于它的固有频率时，即产生谐振当强迫振动频率等于它的固有频率时，即产生谐振其谐振频率为：其谐振频率为：d d 晶体厚度晶体厚度E E6666 厚度切变模量厚度切变模量 晶体密度晶体密度 其中：其中：当当d d、为常数时，为常数时，f fg g（E E6666）当石英振荡器承受静态压力时，当石英振荡器承受静态压力时，E E6666随压力的变随压力的变化而变化，所以有化而变化，所以有f fKFKF与压力量呈线性关系。与压力量呈线性关系。频率式传感器频率式传感器10/26/202250f f f f0 0（1 1atatbtbt2 2ctct3 3）a a，b b，c c 频率温度系数频率温度系数3.3.石英晶体频率式温度传感器石英晶体频率式温度传感器当当80t250 80t250，频率与温度的关系：，频率与温度的关系：f f0 0 t t0 0时的固有频率时的固有频率当当b b，c 0c 0：f ff f0 0（1 1atat）呈线性呈线性频率式传感器频率式传感器10/26/202251作业：n一个增量编码器每圈一个增量编码器每圈2000个刻度（脉冲），问个刻度（脉冲），问现检测到现检测到1000个脉冲，问转过的角度？若个脉冲，问转过的角度？若1秒秒检测检测60000脉冲，问转速（转脉冲，问转速（转/分）？分）？n已知长光栅的栅距为已知长光栅的栅距为10m，标尺光栅与指示，标尺光栅与指示光栅的夹角为度，计算摩尔条文的宽度。当标光栅的夹角为度，计算摩尔条文的宽度。当标尺移动尺移动50m时，摩尔条纹移动多少距离？时，摩尔条纹移动多少距离？n一增量式光电脉冲编码器输出两路方波信号一增量式光电脉冲编码器输出两路方波信号u1、u2，u1、u2相位差为相位差为/2，试设计辩试设计辩向向电电路路（原理（原理图图），并画出），并画出辩辩向向电电路的路的输输出与出与u1、u2的对应关系波形图。的对应关系波形图。10/26/202252结束10/26/202253