传感器第六章数字式传感器优秀PPT.ppt

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1、传感器第六章数字式传传感器第六章数字式传感器感器第1页，本讲稿共62页 码盘式传感器利用码盘或码尺完成角度或位移的测码盘式传感器利用码盘或码尺完成角度或位移的测量。读取码盘有多种方式：如电触式、电容式、感应式、量。读取码盘有多种方式：如电触式、电容式、感应式、光电式等。光电式等。一、工作原理一、工作原理一、工作原理一、工作原理 光学码盘工作原理见下图。光学码盘工作原理见下图。6.1 6.1 码盘式传感器码盘式传感器第2页，本讲稿共62页二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘 如图，是一个如图，是一个如图，是一个如图，是一个6位二进制码盘。位二进制码盘。位二进制码盘。位二进制码

2、盘。000000000000111000111000100110100110C1C1C6C6第3页，本讲稿共62页（一）码盘读取的粗误差（一）码盘读取的粗误差（一）码盘读取的粗误差（一）码盘读取的粗误差 二进制是有权码，即不同二进制位代表的数值不同。当二进制是有权码，即不同二进制位代表的数值不同。当二进制是有权码，即不同二进制位代表的数值不同。当二进制是有权码，即不同二进制位代表的数值不同。当高位出错时，会带来很大的误差。当读数头位于多个位交界的高位出错时，会带来很大的误差。当读数头位于多个位交界的高位出错时，会带来很大的误差。当读数头位于多个位交界的高位出错时，会带来很大的误差。当读数头位于

3、多个位交界的位置时，由于制造误差，可能读出多种不同的结果。位置时，由于制造误差，可能读出多种不同的结果。位置时，由于制造误差，可能读出多种不同的结果。位置时，由于制造误差，可能读出多种不同的结果。例如在例如在000000000000与与与与111111交接处时，交接处时，交接处时，交接处时，读数头可能读出读数头可能读出读数头可能读出读数头可能读出6位位二进制数的任何一种二进制数的任何一种二进制数的任何一种二进制数的任何一种组合。组合。xxxxxxxxxxxx2006.10.16 JC204-2006.10.16 JC204-第4页，本讲稿共62页（二）（二）V V型读数头消除粗误差型读数头消除

4、粗误差型读数头消除粗误差型读数头消除粗误差 除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以消除粗误差。以码尺为例讨论，见下图。消除粗误差。以码尺为例讨论，见下图。消除粗误差。以码尺为例讨论，见下图。消除粗误差。以码尺为例讨论，见下图。读数规则如下：读数规则如下：读数规则如下：读数规则如下：1.1.读读C1C1码道；码道；2.2.读读读读C2码道，根据码道，根据码道，根据码道，根据C1C1的结果，的结果，C1=1C1=1，则读，则读B B，C1=0C1=0，则

5、，则，则，则读读读读A；3.读读读读CiCi码道，根据码道，根据码道，根据码道，根据Ci-1Ci-1的结果，为的结果，为的结果，为的结果，为1 1，读，读，读，读B B，为，为，为，为0 0，读，读，读，读A。C1C1C2C2C3C3C4C4A4A4B4B4A3A3B3B3A2A2B2B2第5页，本讲稿共62页C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C1C1码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间C2C2码

6、道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间A AB BB BA A第6页，本讲稿共62页C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C1C1码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间A AB BB BA A第7页，本讲稿共62页C1C1C2C2C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C2C2码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可

7、能在的区间C2C2码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间C3C3B BA AA AB B第8页，本讲稿共62页C1C1C2C2C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C2C2码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间C3C3B B

8、A AA AB B第9页，本讲稿共62页（三）采用循环码消除粗误差（三）采用循环码消除粗误差（三）采用循环码消除粗误差（三）采用循环码消除粗误差 循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一位循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一位发生改变发生改变。000-000 001-001 001-001 010-011 010-011 011-010 100-110 100-110 101-111 101-111 110-101 111-100000000000000000000R000000R000111000111000100R000100R第10页，本讲稿共62页6位二进制码码盘位二进制码码盘

9、6 6位循环码码盘位循环码码盘位循环码码盘位循环码码盘第11页，本讲稿共62页三、二进制码与循环码的转换三、二进制码与循环码的转换三、二进制码与循环码的转换三、二进制码与循环码的转换 由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最高位相由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最高位相由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最高位相由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最高位相同。二进制码与循环码之间的转换关系为同。二进制码与循环码之间的转换关系为同。二进制码与循环码之间的转换关系为同。二进制码与循环码之间的转换关系为 实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，实现二进制码与循环码间的转换可以

10、采用逻辑电路，实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，也可采用软件实现。也可采用软件实现。也可采用软件实现。也可采用软件实现。逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻辑逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻辑逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻辑逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻辑电路。电路。电路。电路。第12页，本讲稿共62页 下面是实现二进制码转换为循环码的电路。下面是实现二进制码转换为循环码的电路。下面是实现二进制码转换为循环码的电路。下面是实现二进制码转换为循环码的电路。第13页，本讲稿共62页 下面是实现

11、循环码转换为二进制码的电路。下面是实现循环码转换为二进制码的电路。下面是实现循环码转换为二进制码的电路。下面是实现循环码转换为二进制码的电路。第14页，本讲稿共62页 循环码转换为二进制码循环码转换为二进制码循环码转换为二进制码循环码转换为二进制码C C源程序源程序源程序源程序uint32 GraytoDecimal(unsigned long Gray,uint32 GraytoDecimal(unsigned long Gray,unsigned char BitNum)unsigned char BitNum)unsigned char n;unsigned char n;for(n=0

12、;(1 n)BitNum;n+)for(n=0;(1 n)(1 2006.10.20 JC204-第35页，本讲稿共62页1 12 23 34 45 511223344551 12 23 34 45 5第36页，本讲稿共62页（二）电阻电桥细分法（二）电阻电桥细分法（二）电阻电桥细分法（二）电阻电桥细分法 如下图，同频率的两个正弦量相加后，输出仍为正如下图，同频率的两个正弦量相加后，输出仍为正如下图，同频率的两个正弦量相加后，输出仍为正如下图，同频率的两个正弦量相加后，输出仍为正弦量。弦量。弦量。弦量。第37页，本讲稿共62页设设设设由上式知，通过改由上式知，通过改由上式知，通过改由上式知，通

13、过改变变变变 的值可以的值可以的值可以的值可以获得各种相移的正获得各种相移的正弦信号。右图为一弦信号。右图为一个个个个10细分的例子。细分的例子。细分的例子。细分的例子。第38页，本讲稿共62页（三）电阻链细分法（电阻分割法）（三）电阻链细分法（电阻分割法）（三）电阻链细分法（电阻分割法）（三）电阻链细分法（电阻分割法）该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。第39页，本讲稿共62页一、弦振动的固有频率一、弦振动的固有频率 振弦式传感器的原理见下图。振弦式传感器的原理见下图。

14、振弦式传感器的原理见下图。振弦式传感器的原理见下图。6.3 6.3 振弦式传感器振弦式传感器第40页，本讲稿共62页振弦的固有频率振弦的固有频率振弦的固有频率振弦的固有频率 由下式决定。由下式决定。由下式决定。由下式决定。张力或有效长度决定了振弦的固有频率。利用振弦张力或有效长度决定了振弦的固有频率。利用振弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成，压力、力、的固有频率与其张力的函数关系，可以做成，压力、力、力矩等各种传感器。力矩等各种传感器。二、弦振动的激励方式二、弦振动的激励方式二、弦振动的激励方式二、弦振动的激励方式（一）连续激励法（一）连续激励法（一）连续激励法（一）连续激励法1.电流法

15、电流法 电流流过振弦时，弦电流流过振弦时，弦受到的力为受到的力为第41页，本讲稿共62页力力力力 的一部分用于克服振动质量的一部分用于克服振动质量的一部分用于克服振动质量的一部分用于克服振动质量 的惯性，使之获得速度的惯性，使之获得速度的惯性，使之获得速度的惯性，使之获得速度当振弦以速度当振弦以速度当振弦以速度当振弦以速度 运动运动运动运动 时切割磁力线，产生感应电动势，为时切割磁力线，产生感应电动势，为时切割磁力线，产生感应电动势，为时切割磁力线，产生感应电动势，为从上式，可以看出在磁场中运动的振弦质量从上式，可以看出在磁场中运动的振弦质量从上式，可以看出在磁场中运动的振弦质量从上式，可以看

16、出在磁场中运动的振弦质量 的作用等的作用等的作用等的作用等效于一个电容，电容量为效于一个电容，电容量为效于一个电容，电容量为效于一个电容，电容量为第42页，本讲稿共62页电磁力一方面使振弦获得速度，同时又要克服弹簧的反电磁力一方面使振弦获得速度，同时又要克服弹簧的反作用力作用力 。设时刻设时刻设时刻设时刻 时振弦偏离平衡位置为时振弦偏离平衡位置为时振弦偏离平衡位置为时振弦偏离平衡位置为 ，则其弹性反作用力为，则其弹性反作用力为，则其弹性反作用力为，则其弹性反作用力为 。由于由于由于由于则反电动势则反电动势则反电动势则反电动势有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又有上式可看出，位

17、于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又相当于一电感。相当于一电感。相当于一电感。相当于一电感。第43页，本讲稿共62页电感量为电感量为因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联LC电路，其电路，其电路，其电路，其振荡频率为振荡频率为振荡频率为振荡频率为而而而而 和和和和 ，可分别由下式求得，可分别由下式求得，可分别由下式求得，可分别由下式求得于是于是于是于是第44

18、页，本讲稿共62页2.电磁法电磁法电磁法电磁法 如下图。此方法在振弦中无电流通过。如下图。此方法在振弦中无电流通过。如下图。此方法在振弦中无电流通过。如下图。此方法在振弦中无电流通过。第45页，本讲稿共62页（二）间歇激励法（二）间歇激励法（二）间歇激励法（二）间歇激励法 如下图。如下图。如下图。如下图。第46页，本讲稿共62页三、振弦传感器的灵敏度和线性度三、振弦传感器的灵敏度和线性度（一）灵敏度（一）灵敏度（一）灵敏度（一）灵敏度由于由于由于由于有有有有因为因为因为因为第47页，本讲稿共62页于是于是于是于是由上式得，振弦传感器的灵敏度由上式得，振弦传感器的灵敏度由上式得，振弦传感器的灵敏

19、度由上式得，振弦传感器的灵敏度 考虑固有频率与张力的关系，固有频率与张力关系考虑固有频率与张力的关系，固有频率与张力关系曲线为抛物线。采用差动方式可以减少非线性误差。参曲线为抛物线。采用差动方式可以减少非线性误差。参见下面图。见下面图。设一根弦的张力增加了设一根弦的张力增加了 ，则此弦的固有频率由，则此弦的固有频率由 变为变为 ，即，即第48页，本讲稿共62页另一根弦张力减少另一根弦张力减少 ，此弦的固有频率变为，此弦的固有频率变为当当当当 ，将上面两式展开为级数，得，将上面两式展开为级数，得，将上面两式展开为级数，得，将上面两式展开为级数，得第49页，本讲稿共62页上两式相减并略去高次项，得

20、上两式相减并略去高次项，得灵敏度为灵敏度为灵敏度为灵敏度为第50页，本讲稿共62页（二）线性度（二）线性度（二）线性度（二）线性度 前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，由此带来的非线性误差为由此带来的非线性误差为由此带来的非线性误差为由此带来的非线性误差为第51页，本讲稿共62页四、振弦传感器的基本元件及结构四、振弦传感器的基本元件及结构四、振弦传感器的基本元件及结构四、振弦传感器的基本元件及结构（一）振弦（一）振弦（一）振弦（一）振弦1.抗拉强度高，弹性

21、模量高、磁性好、导电好；抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；2.2.温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。（二）磁铁（二）磁铁（二）磁铁（二）磁铁常见的磁铁构造及形状参见下图。常见的磁铁构造及形状参见下图。第52页，本讲稿共62页（三）振弦夹紧装置（三）振弦夹紧装置（三）振弦夹紧装置（三）振弦夹紧装置1.1.抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；抗滑能力强，加工简单，安

22、装方便，能重复使用；抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；2.2.能任意调整弦的初始频率，在安装和调频时能保证振弦能任意调整弦的初始频率，在安装和调频时能保证振弦能任意调整弦的初始频率，在安装和调频时能保证振弦能任意调整弦的初始频率，在安装和调频时能保证振弦不发生转动；不发生转动；不发生转动；不发生转动；第53页，本讲稿共62页2006.10.23 JC204-2006.10.23 JC204-第54页，本讲稿共62页（四）结构（四）结构 压差变压差变压差变压差变送器结构参送器结构参送器结构参送器结构参加下图。加下图。加下图。加下图。第55页，

23、本讲稿共62页（五）测量电路（五）测量电路第56页，本讲稿共62页第57页，本讲稿共62页由前面讨论知由前面讨论知由前面讨论知由前面讨论知采用频率采用频率采用频率采用频率-电压变换电路可以实现频率的平方计算。电压变换电路可以实现频率的平方计算。第58页，本讲稿共62页由图知由图知由图知由图知由上式可看出输出电压与张力成线性关系。为了提高精度，由上式可看出输出电压与张力成线性关系。为了提高精度，由上式可看出输出电压与张力成线性关系。为了提高精度，由上式可看出输出电压与张力成线性关系。为了提高精度，实用的变换电路见下图。实用的变换电路见下图。实用的变换电路见下图。实用的变换电路见下图。第59页，本

24、讲稿共62页WWV Vg g-第60页，本讲稿共62页WWV V控制控制控制控制t tT T传传传传V Vg gt tV V输出输出输出输出t tV V基基基基第61页，本讲稿共62页本章重点：本章重点：1.1.掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（V V型电刷法、型电刷法、型电刷法、型电刷法、循环码）；循环码）；循环码）；循环码）；2.2.掌握莫尔条纹工作原理，莫尔条纹移动辨向原理，光栅掌握莫尔条纹工作原理，莫尔条纹移动辨向原理，光栅掌握莫尔条纹工作原理，莫尔条纹移动辨向原理，光栅掌握莫尔条纹工作原理，莫尔条纹移动辨向原理，光栅细分原理；细分原理；细分原理；细分原理；3.3.掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，工作原理。工作原理。工作原理。工作原理。习题：习题：6-16-1，6-36-3，6-46-4，6-56-5，6-66-6，6-8，6-106-10，6-11第62页，本讲稿共62页