传感器与检测技术 第十一章 数字传感器精.ppt

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1、传感器与检测技术 第十一章 数字传感器第1页，本讲稿共47页 二、透射式计量光栅的结构和工作原理 计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅(动尺和滑尺)。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如下图所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为Wa+b。通常取a=bW/2。光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹 若将两块光栅若将两块光栅(主光栅、指主光栅、指示光栅示光栅)叠合在一起，并且使它叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角们的刻线之间成一个很

2、小的角度度，如右图所示。由于遮光效，如右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。这些条纹就称为莫尔条纹。第2页，本讲稿共47页(1)莫尔条纹（莫尔条纹（Moire）条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0,w1=w2 B=光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0,

3、w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第3页，本讲稿共47页莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度(

4、2)光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分：直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分：透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光第4页，本讲稿共47页 如果改变如果改变角，两条莫尔条纹问的距离角，两条莫尔条纹问的距离B也随之变化。由下图可知，也随之变化。由下图可知，条纹间距条纹间距B与栅距与栅距W和夹角和夹角有如下关系：有如下关系：当当指指示示光光栅栅沿沿着着主主

5、光光栅栅刻刻线线的的垂垂直直方方向向移移动动时时，莫莫尔尔条条纹纹将将会会沿沿着着这这两两个个光光栅栅刻刻线线夹夹角角的的平平分分线线的的平平行行方方向向移移动动，光光栅栅每每移移动动一一个个W，莫莫尔尔条条纹也移动一个间距纹也移动一个间距B。越越小小，B越越大大，当当小小于于1以以后后，可可使使BW，即即莫莫尔尔现现象象具具有有使使栅栅距距放放大大的的作作用用。因因此此，读读出出莫莫尔尔条条纹纹的的数数目目比比读读光光栅栅刻刻线线的的数数目目要要方方便便得得多多。通通过过光光栅栅栅栅距距的的位位移移和和莫莫尔尔条条纹纹位位移移的的对对应应关关系系，就就可可以以容容易易地地测测量量莫莫尔尔条纹

6、移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。第5页，本讲稿共47页二、光栅式传感器的测量电路第6页，本讲稿共47页 1光电转换 主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图(a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。在在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑

7、，光强为处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图了如上图(b)所示的输出波形。所示的输出波形。光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：式中式中 U0 输出信号的直流分量；输出信号的直流分量；Um 输出信号的交流信号幅值；输出信号的交流信号幅值；x 光栅的相对位移量。光栅的相对位移量。第7页，本讲稿共47页 2辨向原理辨向原理 为为了了辨辨别别主主光光栅栅是是向向左左还还是是向向右右移移动动，可可在在相相隔隔1/4条条纹纹间间的的位位置

8、置上上安安装装两两只只光光敏敏元元件件，这这两两只只光光敏敏元元件件输输出出信信号号U1、U2的的相相位位差差将将为为/2，可以根据它们超前可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。两种信号经整形后得到方波U1/和U2/。U2/作为门控信号同U1/的微分信号一起输入到与门Y1、同U1/倒相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，U2/超前U1/，则先于U1/的微分信号打开了Y1，可从Y1得到向右移动脉冲输出（Y1称为右移动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微分信号到达Y2时Y2已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，反

9、之亦然。这样就实现了动光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。第8页，本讲稿共47页 3细分原理细分原理 如如果果仅仅以以光光栅栅的的栅栅距距作作其其分分辨辨单单位位，只只能能读读到到整整数数莫莫尔尔条条纹纹；倘倘若若要要读读出出位位移移为为0.1m，势势必必要要求求每每毫毫米米到到线线1万万条条，这这是是目目前前工工艺艺水水平平无无法法实实现现的的。如如果果采采用用栅栅距距细细分分技技术术可可以以获获得得更更高高的的测测量量精精度度。常常用用的的细细分分方方法法有有直直接接倍倍频频细细分分法法、电电桥桥细细分分法法等等。这这里里仅仅以以四四倍倍频频细细分分为为例介绍直接倍频细分法。例介绍直接

10、倍频细分法。在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，如如右右下下图图(a)所所示示，得得到到相相位位分分别别相相差差/2四四个个正正弦弦周周期期信信号号。用用适适当当电电路路处处理理这这些些信信号号，使使其其合合并并得得到到如如右右下下图图(b)所所示示的的脉脉冲冲信信号号。每每个个脉脉冲冲分分别别和和四四个个周周期期信信号号的的零零点点相相对对应应，则则电电脉脉冲冲的的周周期期反反应应了了1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度。用用计计数数器器对对这这一一列列脉脉冲冲信信号号计计数数，就就可可以以读读到到1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度的的位位移移量量

11、，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。若再增加光敏元件，同理可以进一步地提高测量分辨率。第9页，本讲稿共47页应用数控机床位置反馈第10页，本讲稿共47页长光栅长光栅-直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅-角位移角位移 构成：主光栅构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅-动光栅动光栅长度长度-测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(10、25、50、100、125线线/mm)第11页，本讲稿共47页工作台丝杠编码器步进电机第12页，本讲稿共47页第13页，本讲稿共47页三、光栅在

12、数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置第14页，本讲稿共47页第15页，本讲稿共47页2 编 码 器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码(后面将详细说明)。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码第

13、16页，本讲稿共47页 一、接触式码盘编码器 1结构与工作原理 接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制(如8-4-2-1码、循环码等)图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的数字编码输出。下面以四位二进制码盘为例，说明其工作原理和结构。涂黑处为导电区，将所有导涂黑处为导电区，将所有导电区连接到高电位电区连接到高电位(“1”)；空白；空白处为绝缘区，为低电位处为绝缘区，为低电位(“0”)。四个电刷沿着某一径向安装，四四个电刷沿着某一径向安装，四位二进制码盘上有四圈

14、码道，每位二进制码盘上有四圈码道，每个码道有一个电刷，电刷经电阻个码道有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘转动其一角度后，接地。当码盘转动其一角度后，电刷就输出一个数码；码盘转动电刷就输出一个数码；码盘转动一周，一周，电刷就输出电刷就输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨的旋转角度为辨的旋转角度为360/2 n，若，若n4，则，则22.5。位数越多，可分辨的。位数越多，可分辨的角度越小，若取角度越小，若取n8，则，则1.4。当然，可分辨的角度越小，对码盘和。当然，可分辨的角度越小，对码盘和电刷的制作和安装要求越严格。当电刷的

15、制作和安装要求越严格。当n多到一定位数后（一般为多到一定位数后（一般为n8），这），这种接触式码盘将难以制作。种接触式码盘将难以制作。第17页，本讲稿共47页第18页，本讲稿共47页 8-4-2-1码码制制的的码码盘盘，由由电电刷刷安安装装不不可可能能绝绝对对精精确确必必然然存存在在机机械械偏偏差差，这这种种机机械械偏偏差差会会产产生生非非单单值值误误差差。例例如如，由由二二进进制制码码0111过过渡渡到到1000时时（电电刷刷从从h区区过过渡渡到到i区区），即即由由7变变为为8时时，如如果果电电刷刷进进出出导导电电区区的的先先后后可可能能是是不不一一致致的的，此此时时就就会会出出现现815间

16、间的的某某个个数数字字。这这就就是是所所谓谓的的非非单单值值误差。误差。2消除非单值误差的办法消除非单值误差的办法 采用循环码采用循环码(格雷码格雷码)采采用用循循环环码码制制可可以以消消除除非非单单值值误误差差。其其编编码码如如前前表表所所示示。循循环环码码的的特特点点是是任任意意一一个个半半径径径径线线上上只只可可能能一一个个码码道道上上会会有有数数码码的的改改变变，这这一一持持点点就就可可以以避避免免制制造造或或安安装装不不精精确确而而带带来来的的非非单单值值误误差差。循循环环码码盘盘结结构构如如下下图图(b)所所示示。由由循循环环码码的的特特点点可可知知，即即使使制制作作和和安安装装不

17、不准准，产产生生的的误误差差最最多多也也只只是是最最低低位位的的一一个个比比特特。因因此此采采用用循循环环码码盘盘比比采采用用8-4-2-1码码盘盘的的准准确确性性和可靠性要高的多。和可靠性要高的多。第19页，本讲稿共47页 扫描法扫描法 扫扫描描法法有有V扫扫描描、U扫扫描描以以及及M扫扫措措三三种种。它它是是在在最最低低值值码码道道上上安安装装一一电电刷刷，其其他他位位码码道道上上均均安安装装两两个个电电刷刷：一一个个电电刷刷位位于于被被测测位位置置的的前前边边，称称为为超超前前电电刷刷；另另一一个个放放在在被被测测位位置置的的后后边边，称称为为滞滞后后电电刷刷。若若最最低低位位码码道道有

18、有效效位位的的增增量量宽宽度度为为x，则则各各位位电电刷刷对对应应的的距距离离依依次次为为1x、2x、4x、8x等等。这这样样在在每每个个确确定定的的位位置置上上，最最低低位位电电刷刷输输出出电电平平反反映映了了它它真真正正的的位位值值，由由于高电位有两只电刷，就会输出两种电平，根据电刷分布和编于高电位有两只电刷，就会输出两种电平，根据电刷分布和编码变化规律，可以读出真正码变化规律，可以读出真正反映该位置的高位二进制码反映该位置的高位二进制码对应的电平值。当低一级码对应的电平值。当低一级码道上电刷真正输出的是道上电刷真正输出的是“1”的时候，高一级码道上的真的时候，高一级码道上的真正输出必须从

19、滞后电刷读出；正输出必须从滞后电刷读出；若低一级码道上电刷真正输若低一级码道上电刷真正输出的是出的是“0”，高一级码道上，高一级码道上的真正输出则要从超前电刷的真正输出则要从超前电刷读出。由于最低位轨道上只读出。由于最低位轨道上只有一个电刷，它的输出则代有一个电刷，它的输出则代表真正的位置，这种方法就表真正的位置，这种方法就是是V扫描法。扫描法。第20页，本讲稿共47页当某一个二进制码的第 i 位是1时，该二进制码的第i+1位和前一个数码的i+1位状态是一样的，故该数码的第i+1位的真正输出要从滞后电刷读出。相反，当某个二进制码的第i位是0时，该数码的第i+1位的输出要从超前电刷读出。读者可以

20、从表上的数码来证实。这种方法的原理是根据二进制码的特点设计的。由于8-4-2-1码制的二进制码是从最低位向高位逐级进位的，最低位变化最快，高位逐渐减慢。第21页，本讲稿共47页 二、光电式编码器 接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。1光电式编码器的结构和工作原理 光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。不同的是

21、光电编码器的码盘采用照相腐蚀工艺，在一块圆形光学玻璃上刻有透光和不透光的码形。在几个码道上，装有相同个数的光电转换元件代替接触式编码器的电刷，并将接触式码盘上的高、低电位用光源代替。当光源经光学系统形成一束平行光投射在码盘上时，光经过码盘的透光和不透光区，脉冲光照射在码盘的另一侧的光电元件上，这些光电元件就输出与码盘上的码形（码盘的绝对位置）相对应的（开关/高低电平）电信号。光电编码器与接触式码盘编码器一样，可以采用循环码或V扫描法来解决非单值误差的问题。直线坐标编码示意图第22页，本讲稿共47页 2用插值法提高分辨率 为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。

22、但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法)来进一步提高分辨率。例如，若码盘已具有14条(位)码道，在14位的码道上增加1条专用附加码道，见下图所示。附加码道的的扇形区的形状和光学的几何结构与前14位有所差异，且使之与光学分解器的多个光敏元件相配合，产生较为理想的正弦彼输出。附加码道输出的正弦或余弦信号，在插值器中按不同的系数叠加在一起，形成多个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信弓再经过零比较器转换为一系列脉冲，从而细分了附加码道的光电元件输出的正弦信号。于是产生了附加的低位的几位有效数值。下图所示的19位光电编码器的插值

23、器产生16个正弦波信号。每两个正弦信号之间的相位差为间的相位差为/8，从，从而在而在14位编码器的最低位编码器的最低有效数值间隔内插入了有效数值间隔内插入了32个精确等分点，即相个精确等分点，即相当于附加当于附加5位二进制数位二进制数的输出，使编码器的分的输出，使编码器的分辨率从辨率从2-14提高到提高到2-19，角位移小于角位移小于3秒。秒。第23页，本讲稿共47页ABC 0 1 10 1 10 1 00 1 00 0 00 0 10 0 10 0 0ABABABABCCCC高电平区低电平区ABC1 1 11 1 11 1 01 1 01 0 01 0 11 0 11 0 0ABABABAB

24、CCCC第24页，本讲稿共47页三、光电编码传感器应用举例三、光电编码传感器应用举例 钢带式光电编码数字液位计钢带式光电编码数字液位计 钢钢带带式式光光电电编编码码数数字字液液位位计计是是目目前前油油田田浮浮顶顶式式储储油油罐罐液液位位测测量量普普遍遍应应用用的的一一种种测测量量设设备备。在在量量程程超超过过 20m 的的应应用用环环境境中中，液液位位测测量量分分辨辨率率仍仍可达到可达到 1mm，可以满足计量的精度要求。，可以满足计量的精度要求。这这种种测测量量设设备备主主要要由由编编码码钢钢带带、读读码码器器、卷卷带带盘盘、定定滑滑轮轮、牵牵引引钢钢带带用用的的细细钢钢丝丝绳绳及及伺伺服服系

25、系统统等等构构成成。编编码码钢钢带带的的一一端端（最最大大量量程程读读数数的的一一端）系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在端）系在牵引钢带用的细钢丝绳上，细钢丝绳绕过罐顶的定滑轮系在大罐的浮顶上，编码钢带的另一端绕过大罐底部的定滑轮缠绕在卷带盘上。当大罐液位下降时，细钢丝绳和编码钢带中的张力增大，卷带盘在伺服系统的控制下放出盘内的编码钢带；当大罐液位上升时，细钢丝绳和编码钢带中的张力减小，卷带盘在伺服系统的控制下将编码钢带收入卷带盘内。读码器可随时读出编码钢带上反应液位位置的编码经处理后进行就地显示或以串行码的形式发送给其它设备。第25页，本讲稿共47页 编码钢带如下图所示

26、。如果最低码位（最低码道数据宽度）为1m（透光和不透光的部分各为1m），则需要15个码道，即最高码位（最高码道数据宽度）为16384mm（16.384m），编码钢带的最大有效长度可达32.768m。这样的编码钢带的加工工艺的难度较大，强度也较低，使用起来也不方便。因此有必要采用插值细分技术以减少码道数量，增加最低码道的数据宽度。如果将最低码道的数据宽度增加到5mm，次最低码道的数据宽度将为1cm，在最低码道上应用插值细分技术也可以获得1m的分辨率。这样一来，在量程为20m的条件下，码道数量将减少到12个。编码钢带示意图第26页，本讲稿共47页 插值细分示意图如下图6所示。采用这种办法可以将原来

27、的2种可能的不同状态，细分成10种可能的不同状态。将这种细分方式应用到最低位码道上，就可以把5mm的数据宽度细分成1mm。译码方式既可以用实现也可以利用单片机由软件实现。e d c b a0 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 1 10 0 1 1 10 1 1 1 11 1 1 1 1e d c b a1 1 1 1 11 1 1 1 01 1 1 0 01 1 0 0 01 0 0 0 00 0 0 0 0五倍频插值细分示意图第27页，本讲稿共47页 四、脉冲盘式数字传感器四、脉冲盘式数字传感器 脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器又又称称为为增增量量编编码码器器。增增量量编编码码器器一一

28、般般只只有有三三个个码码道道，它它不不能能直直接接产产生生几几位位编编码码输输出出，故故它它不不具具有有绝绝对对码码盘盘码码的的含含义义，这这是是脉脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。1增量编码器的结构和工作原理增量编码器的结构和工作原理 增增量量编编码码器器的的圆圆盘盘上上等等角角距距地地开开有有两两道道缝缝隙隙，内内外外圈圈(A、B)的的相相邻邻两两缝缝错错开开半半条条缝缝宽宽；另另外外在在某某一一径径向向位位置置（一一般般在在内内外外两两圈圈之之外外），开开有有一一狭狭缝缝，表表示示码码盘盘的的零零位位。在在它它们们相相对对的的两两侧侧面面分分别别安

29、安装装光光源源和和光光电电接接收收元元件件，如如下下图图所所示示。当当转转动动码码盘盘时时，光光线线经经过过透透光光和和不不透透光光的的区区域域，每每个个码码道道将将有有一一系系列列光光电电脉脉冲冲由由光光电电元元件件输输出出，码码道道上上有有多多少少缝缝隙隙每每转转过过一一周周就就将将有有多多少少个个相相差差90的的两两相相（A、B两两路路）脉脉冲冲脉脉冲冲和和一一个个零零位位(C相相)脉脉冲冲输输出出。增增量量编编码码器器的的精精度度和和分分辨辨率率与与绝绝对对编编码码器器一一样样，主主要要取取决于码盘本身的精度。决于码盘本身的精度。第28页，本讲稿共47页 2旋转方向的判别旋转方向的判别

30、 为为了了辨辨别别码码盘盘旋旋转转方方向向，可可以以采采用用下下图图所所示示的的电电路路利利用用A、B两两相相脉脉冲冲来来实实现现。光光电电元元件件A、B输输出出情情号号经经放放大大整整形形后后，产产生生P1和和P2脉脉冲冲。将将它它们们分分别别接接到到D触触发发器器的的D端端和和CP端端，由由于于A、B两两相相脉脉冲冲(P1和和P2)脉脉冲冲相相差差90，D触触发发器器FF在在CP脉脉冲冲(P2)的的上上升升沿沿触触发发。正正转转时时P1脉脉冲冲超超前前P2脉脉冲冲，FF的的Q“1”表表示示正正转转；当当反反转转时时，P2超超前前P1脉脉冲冲，FF的的Q“0”表表示示反反转转。可可以以用用Q

31、作作为为控控制制可可逆逆计计数数器器是是正正向向还还是是反反问问计计数数，即即可可将将光光电电脉脉冲冲变变成成编编码码输输出出。C相相脉脉冲冲接接至至计计数数器器的的复复值值端端，实实现现每每码码盘盘转转动动一一圈复圈复位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。除了光电式的增量编码器外，目前相继开发了光纤增量传感器和霍尔效应式增量传感器等，它们部得到广泛的应用。第29页，本讲稿共47页4.3 感应同步器感应同步器 感应同步器时感应同步器时20世纪世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、年代末发展起来的一种高精度位移（直线

32、位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：角位移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应测量直线位移的线位移感应同步器；同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。测量角位移的圆盘感应同步器。一、感应同步器的结构和工作原理 感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。它的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移量的。第30页，本讲稿共47页第31页，本讲稿共47页1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器 sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节距（0.5mm0.5

33、mm）绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺第32页，本讲稿共47页第33页，本讲稿共47页1.感应同步器的结构感应同步器的结构定尺和滑尺的基板由与被测物体热膨胀系数相似的钢板做成、钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用照相腐蚀的办法做成印制绕组。感应同步器定尺和滑尺绕组的节距相等，均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。根据结构特点可分为：旋转式

34、和直线式两种。第34页，本讲稿共47页 1载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场 矩形载流线圈中通过直流电流矩形载流线圈中通过直流电流I时的磁场分布示意图如左下图所示，时的磁场分布示意图如左下图所示，线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流线圈内外的磁场方向相反。如果线圈中通过的电流为交流电流i(i=I sint)，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左，并使一个与该线圈平行的闭合的探测线圈贴近这个载流线圈从左至右至右(或从右至左或从右至左)移过，如右下图所示。在移过，如右下图所示。在(a)、(c)两图所示的情况下，两图所示的情况下，通过闭合探测线圈的磁通量和

35、恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动通过闭合探测线圈的磁通量和恒为零，所以在探测线圈内感应出来的电动势为零；在势为零；在(b)图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量最图所示的情况下，通过闭合探测线圈的（交变）磁通量最大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。大，所以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。载流线圈所产生的磁场载流线圈所产生的磁场I第35页，本讲稿共47页 2直线式感应同步器的基本结构直线式感应同步器的基本结构 直直线线式式感感应应同同步步器器的的绕绕组组结结构构如如下下图图所所示示。它它由由定定尺尺和和滑滑尺尺两两部部分分组组成成。定定尺尺和和滑滑尺尺可可利利用用

36、印印刷刷电电路路板板的的生生产产工工艺艺，用用覆覆铜铜板板制制成成。滑滑尺尺上上有有两两个个绕绕组组，彼彼此此相相距距/2或或3/4。当当定定尺尺栅栅距距为为W2时时，滑滑尺尺上上的的两两个个绕绕组组间间的的距距离离L1应应满满足足如如下下关关系系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0时时相相差差/2，n=1时时相相差差3/4，n=2时相差时相差5/4。第36页，本讲稿共47页 3直线式感应同步器的工作原理直线式感应同步器的工作原理 定尺及定尺及滑尺中的电流关系滑尺中的电流关系 模型如图示模型如图示 滑尺线圈中流过电流滑尺线圈中流过电流 I I I I；x=0的位置如图（的位置如图（a）。）。

37、WM0为x=0时的互感量。另一个与此相差另一个与此相差90的的滑尺线圈滑尺线圈（正弦）与（正弦）与定尺定尺与定尺定尺与滑尺间的互感滑尺间的互感 MS 定尺与定尺与滑尺间的互感滑尺间的互感余弦绕组与定尺间的互感MC，图 11-22第37页，本讲稿共47页 滑尺对定尺滑尺对定尺(连续线圈连续线圈)的激励的激励 模型：模型：(等幅激励，调相式等幅激励，调相式)滑尺正弦绕组的激励滑尺正弦绕组的激励滑尺余弦绕组的激励Im：激励的电流振幅。正弦绕组激励的感生电势余弦绕组激励的感生电势定尺中总电势 e 调相第38页，本讲稿共47页 定尺定尺(连续线圈连续线圈)对滑尺对滑尺(断续线圈断续线圈)的激励的激励 模

38、型：模型：(等幅激励，调幅式等幅激励，调幅式)定尺定尺(连续线圈连续线圈)激励激励正弦绕组中的感生电势余弦绕组中的感生电势可以辨别方向相当于平衡调幅合成电势幅度调制第39页，本讲稿共47页 *单绕组正弦波激励时定尺中的感应电势第40页，本讲稿共47页 4旋转式感应同步器 旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的之尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有50mm、76mm、178mm和302mm等几种。径向导体数(极数)有360、720和1080几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接

39、耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。第41页，本讲稿共47页4.4 频率式数字传感器 频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器一般有两种类型：(1)利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。(2)利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。下面列举两例说明频率式数字传感器的工作原理。一、一、RC振荡器式频率传感器振荡器式频率传感器 温温度度 频频率率传传感感器器就就是是

40、RC振振荡荡器器式式频频率率传传感感器器的的一一种种。这这里里利利用用热热敏敏电电阻阻RT测测量量温温度度。RT作作为为RC振振荡荡器器的的一一部部分分，该该电电路路是是由由运运算算放放大器和反馈网络构成一种大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发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。RC振荡器的振荡频率由下式决定：其中RT与温度T的关系为 式中：B为热敏电阻的温度系数。RT、R0分别为温度T(K)利人T0(K)时的阻值。电阻R2、R3的作用是改善其线性特性，流过RT的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影响。第42页，本讲稿共47页 二

41、、弹性振动体频率式传感器 任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，介绍弹性振动体频率式传感器的基本结构及其激励电路。振弦式传感器测量应力的原理如下图所示。振弦式传感器包括振弦、激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置

42、于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一瑞与被测量物体的运动部分连接，并使振弦拉紧。作用于振弦上的张力就是传感器的被测量振弦 的张力为F时，其固有振动频率可用下式表达：L 振振弦弦的的有有效效长长度度；振弦的线密度；振弦的线密度；A 弦的截面积，弦的截面积，弦的应力。弦的应力。第43页，本讲稿共47页 振弦的激振方式有连续激振和间歇激振两种。连续激振方式如下图(a)所示。连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当振弦被激励后，接收线圈1产生感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈2以维持振弦的连续振荡。间歇激励方式如下图(b)所示，当激励电路产生脉冲电流

43、给激励线圈后，电磁铁将扳弦吸住，在激励脉冲电流为零时，电磁铁松开振弦，于是振弦产生振动衰减，为了克服阻尼作用对振弦振动的衰减，必须间隔一定时间激励一次。下面讨论连续激励方式的应力传感器测量原理和电路。第44页，本讲稿共47页 用振弦、运算放大器和永久磁铁可以组成一个自激振荡的连续激振应力传感器的测量电路，如下图所示。当电路接通时，有一个初始电流流过振弦，振弦受磁场作用下产生振荡。振弦在激励电路中组成一个选频的正反馈网络，不断提供振弦所需要的能量，于是振荡器产个等幅的持续振荡。在这个电路电阻R2和振弦支路形成正反馈回路，R1、Rf和场效应管FET组成负反馈电路。R3、R4、二极管D和电容C组成的

44、支路给FET管提供控制信号，由负反馈支路和场效应管控制支路控制起振条件和自动稳幅。如果由于某种原因引起振荡器的输出幅值增加，输出信号经过R3、R4、D和C检波后，成为FET管的栅极控制信号，具有较大的负电压，使FET管的漏源极间的等效电阻增加，从而使负反馈支路的负反馈增大，运算放大器的闭环增益降低，使输出信号幅位减小；反之，输出幅值减小，负反馈作用减弱，运算放大器闭环增益提高，有使输出幅值自动提升的趋势。因而，就起到了自动稳定振幅的作用。如果振动器停振，输出信号等于零，此时FET管处于零偏压状态，电路正增益大大提高，为起振创造了条件。第45页，本讲稿共47页 振振弦弦式式传传感感器器的的输输出

45、出 输输入入一一般般为为非非线线性性关关系系，其其输输出出 输输入入特特性性如如下下图图所所示示。为为了了得得到到线线性性的的输输出出，可可以以选选取取曲曲线线中中近近似似直直线线的的一一段段。也也可可以以用用两两根根振振弦弦构构成成差差功功式式振振弦弦传传感感器器，通通过过测测量量两两根根振振弦弦的的频频率率差差来来表示应力，可以大大地减小传感器的温度误差和非线性误差。表示应力，可以大大地减小传感器的温度误差和非线性误差。三、振动管式密度传感器 特点：1.可以在线连续测量；2.精度优于0.1%。被测流体激振器拾振器放大器固定体固定体第46页，本讲稿共47页 妈妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈

46、妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，但生意一直不是很妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，但生意一直不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没有人气，所以我也来出自己的一份力，好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没有人气，所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。帮忙宣传一下。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。欢迎大家来逛逛欢迎大家来逛逛【扬州五亭龙玩具总动员扬州五亭龙玩具总动员】个人小广告：第47页，本讲稿共47页