数字式传感器讲解课件.ppt

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1、 传感器与检测技术传感器与检测技术 朱启兵朱启兵2/45传感器与检测技术传感器与检测技术第第11章章 数字式传感器数字式传感器光光 栅栅1.2感应同步器感应同步器11.111.2编编 码码 器器11.3频率式传感器频率式传感器11.43/45数字式传感器数字式传感器 随随着着微微型型计计算算机机的的迅迅速速发发展展和和广广泛泛应应用用泛泛应应用用，信信号号的的检检测测、控控制制和和处处理理已已进进入入的的数数字字化化时时代代。通通常常采采用用模模拟拟式式传传感感器器获获取取模模拟拟信信号号，利利用用A/D转转换换器器将将信信号号转转换换成成数数字字信信号号，再再用用微微机机和和其其他他数数字字

2、设设备备处处理理进进行行处处理理，这这种种方方法法简简便便亦亦行行，但但系系统统的的构构成成也也很很复复杂杂。数数字字式式传传感感器器就就是是为为了了解解决决这这些些问问题题而而出出现现的的，它它能能把把被被测测模模拟拟量量直直接接转转换换成成数数字字信信号号输出。输出。数字式传感器具有下列特点：1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；2.抗干扰能力强，稳定性好；3.信号易于处理、传送和自动控制；4.便于动态及多路测量，读数直观；5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。目前，常用的数字式传感器有四大类：目前，常用的数字式传感器有四大类：(1)栅式数字传感器；栅式数字传感器；(2)编码编码器；器

3、；(3)频率频率/数字输出式数字传感器；数字输出式数字传感器；(4)感应同步器式的数字传感器感应同步器式的数字传感器。4/45数字式传感器数字式传感器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（直年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。线位移、角位移）传感器。工作原理：工作原理：电磁感应定律电磁感应定律结结 构：基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器构：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

4、的。量的。分分 类：类：线位移感应同步器（标准型，窄型，带型）；线位移感应同步器（标准型，窄型，带型）；圆盘圆盘感应同步器。感应同步器。工作特点：感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。5/45数字式传感器数字式传感器6/45数字式传感器数字式传感器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

5、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时相差时相差/2，n=1时相差时相差3/4，n=2时相差时相差5/4。W2=2(a2+b2)W1=2(a1+b1)W1=W2正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组7/45数字式传感器数字式传感器感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理矩矩形形载载流流线线圈圈中中通通过过直直流流电电流流I时时的的磁磁场场分分布布示示意意图图如如左左下下图图所所示示，线线圈圈内内外外的的磁磁场场方方向向相相反反。如如果果线线圈圈中中通通过过的的电

6、电流流为为交交流流电电流流i(i=I sint)，并并使使一一个个与与该该线线圈圈平平行行的的闭闭合合的的探探测测线线圈圈贴贴近近这这个个载载流流线线圈圈从从左左至至右右(或或从从右右至至左左)移移过过，如如右右下下图图所所示示。在在(a)、(c)两两图图所所示示的的情情况况下下，通通过过闭闭合合探探测测线线圈圈的的磁磁通通量量和和恒恒为为零零，所所以以在在探探测测线线圈圈内内感感应应出出来来的的电电动动势势为为零零；在在(b)图图所所示示的的情情况况下下，通通过过闭闭合合探探测测线线圈圈的的（交交变变）磁磁通通量量最最大大，所所以以在探测线圈内感应出来的交流电压也最大。在探测线圈内感应出来的

7、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I8/45数字式传感器数字式传感器9/45数字式传感器数字式传感器定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压usUssint和ucUcsint，则定尺上的感应电势es和ec可用下式表达：其中：K耦合系数；与位移x等值的电角度，2xW210/45数字式传感器数字式传感器对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有:1.鉴相法 2.鉴幅法 3.脉冲调宽法三种。11/45数字式传感器数字式传感器所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量位移。

8、采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同，但相位差为pi/2的正弦激磁电压，即usUmsint和ucUmcost。鉴相法鉴相法 根据式（102），当余弦绕组单独激磁时，感应电势为 同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为 12/45数字式传感器数字式传感器鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移，此时感应同步器滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别加频率和相位相同，但幅值不同的正弦激励信号根据叠加原理，感应电势为 鉴幅法鉴幅法若调整激励电压的若调整激励电压的则总感应电势等于零则总感应电势等于零13/45数字式传感器数字式传感器脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波

9、电压,可认为感应电势为脉冲调宽法脉冲调宽法14/45数字式传感器数字式传感器数字测量系统数字测量系统鉴相法测量系统鉴相法测量系统图109为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字量。鉴相法测量系统通常由位移相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。15/45数字式传感器数字式传感器16/45数字式传感器数字式传感器位移相位转换的功能是通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。模数转换的主要功能是将代表位移量（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放大、滤波、整形后的输出信号e，以及相对相位基准输出信号o。相对相

10、位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器、它是把加。减脉冲数转换为电的相位变化。模数转换的关键是鉴相器。17/45数字式传感器数字式传感器 由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理是：当系统工作时，相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置0，则所在位置为“相对零点”。假定以此为基准，滑尺向正方向移动，的相位发生变化，与之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差，并输出反映滞后于的高电平。该两输出信号控制脉冲移相器，使其产生相移，趋近于。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时。在这个相位跟踪过程中，插人到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。另

11、外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示。18/45数字式传感器数字式传感器鉴幅法测量系统鉴幅法测量系统此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。19/45数字式传感器数字式传感器20/45数字式传感器数字式传感器光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量

12、线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。光光 栅栅 21/45数字式传感器数字式传感器透射式计量光栅的结构和工作原理透射式计量光栅的结构和工作原理 计计量量光光栅栅的的基基本本元元件件是是主主光光栅栅和和指指示示光光栅栅。它它们们是是在在一一块块长长条条形形光光学学玻玻璃璃上上，均均匀匀刻刻上上许许多多明明暗暗相相间间、宽宽度度相相等等的的刻刻线线，如如图图11-1所所示示。常常用用的的光光栅栅每每毫毫米米有有10、25、50、100和和250条条线线。主主光光栅栅的的刻刻线线一一般般比比指指示示光光栅栅长长。若若划划线线宽宽度度为为a缝缝隙隙宽宽度度为为b，则则光光栅栅节节距距或或栅栅距距W为为W

13、a+b。通通常取常取a=bW/2。若将两块光栅若将两块光栅(主光栅、指示主光栅、指示光栅光栅)叠合在一起，并且使它们的叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度刻线之间成一个很小的角度，如，如右图所示。由于遮光效应，两块光右图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，直的方向，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。22/45数字式传感器数字式传感器 如果改变如果改

14、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

15、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。23/45数字式传感器数字式传感器 1光电转换光电转换 主主光光栅栅和和指指示示光光栅栅作作相相对对位位移移产产生生了了莫莫尔尔条条纹纹，莫莫尔尔条条纹纹需需要要经经过过转转换换电电路路才才能能将将光光信信弓弓转转换换成成电电信信号号。光光栅栅传传感感器器的的光光电电转转换换系系统统由由聚聚光光镜镜和和光光敏敏元元件件

16、组组成成，如如右右图图(a)所所示示。当当两两块块光光栅栅作作相相对移动时，光敏元件上的光强对移动时，光敏元件上的光强光栅式传感器的测量电路光栅式传感器的测量电路随莫尔条纹移动而变化。在随莫尔条纹移动而变化。在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；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，因而形成了如上图而形成了如上图

17、(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。24/45数字式传感器数字式传感器 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

18、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两种信号经整形后得到方波U1/和和U2/。U2/作为门控信号同作为门控信号同U1/的微的微分信号一起输入到与门分信号一起输入到与门Y1、同、同U1/倒倒相后的微分信号一起输入到与门相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，光栅右移时，U2/超前超前U1/，则先于，则先于U1/的微分信号打开了的微分信号打开了Y1，可从，可从Y1得得到向右移动脉冲输出（到向右移动脉冲输出（Y1称为右移称为右移动脉冲输出端）；而动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微倒相后的微分信号到达分信号到达Y2时时Y

19、2已关闭，则已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了主光栅左反之亦然。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。出。25/45数字式传感器数字式传感器 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

20、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法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。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

21、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，这这将将是是光光栅栅固固有有分分辨辨率率的的四四倍倍。此此种种方法被称为四倍频细分法。方法被称为四倍频细分法。若再增加光敏若再增加光敏元件，同理可元件，同理可以进一步地提以进一步地提高测量分辨率。高测量分辨率。26/45数字式传感器数字式传感器电桥细分电桥细分27/45第第10章数字式传感器章数字式传感器28/45数字式传感器数字式传感器10.3 编编 码码 器器 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和

22、码盘式两大类：脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器不不能能直直接接输输出出数数字字编编码码，需需要要增增加加有有关关数数字字电电路路才才可可能能得得到到数数字字编编码码。而而码码盘盘式式编编码码器器能能直直接接输输出出某某种种码码制制的的数数码码(后后面面将将详详细细说说明明)。这这两两种种形形式式的的数数字字传传感感器器，由由于于它它们们具具有有高高精精度度、高高分分辨辨率率和和高高可可靠靠性性，已已被被广广泛泛应应用用于于各各种种位位移移量量的的测测量量。目目前前，使使用用最最多多的的是是光光电电编码器，本节将重点予以介绍。编码器，本节将重点予以介绍。码码盘盘式式编编码码器器也也称称为为绝绝对对编

23、编码码器器，它它将将角角度度或或直直线线坐坐标标转转换换为为数数字字编编码码，能能方方便便地地与与数数字字系系统统(如如微微机机)联联接接。编编码码器器按按其其结结构构可可分分为为接接触触式式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码29/45数字式传感器数字式传感器电刷输出电刷输出16种不同的四位二进制数码。由此可知，二进制码盘所能分辨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的旋转角度为360/2 n，若，若n4，则，则22.5。位数越多，可分辨的角。位数越多，可分辨的角度越小，若取度越小，若取n8，则，则1.4。当然，可分辨的

24、角度越小，对码盘和电。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。当刷的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），这种），这种接触式码盘将难以制作。接触式码盘将难以制作。容易存在错码容易存在错码原因：需要同时改变原因：需要同时改变多个状态多个状态接触式旋转编码器接触式旋转编码器30/45数字式传感器数字式传感器31/45数字式传感器数字式传感器 光电式编码器光电式编码器 接接触触式式编编码码器器的的分分辨辨率率受受电电刷刷的的限限制制不不可可能能很很高高；而而光光电电式式编编码码器器由由于于使使用用了了体体积积小小、易易于于集集成成的的光光电

25、电元元件件代代替替机机械械的的接接触触电电刷刷，其其测量精度和分辨率能达到很高水平。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式编码器的结构和工作原理 光光电电编编码码器器的的最最大大特特点点是是非非接接触触式式的的。因因此此，它它的的使使用用寿寿命命长长，可可靠靠性性高高。它它是是一一种种绝绝对对编编码码器器，几几位位编编码码器器的的码码盘盘上上就就有有几几个个码码道道，编编码码器器在在转转轴轴的的任任何何位位置置都都可可以以输输出出一一个个固固定定的的与与位位置置相相对对的的数数字字码码。这这一一点点，与与接接触触式式码码盘盘编编码码器器是是一一样样的的。不同的是光

26、电编码器的码盘采用照相腐蚀不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀直线坐标编码示意图32/45数字式传感器数字式传感器 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 为为了了提提高高测测量量的的精精度度和和分分辨辨率率，常常规规的的方方法法就就是是增增加加码码盘盘的的码码道道数数，即即增增加加刻刻线线数数。但但是是，由由于于制制造造工工艺艺的的限限制制，当当刻刻度度数数多多到到一一定定数数量量后后，就就难难以以实实现现了了。在在这这样样的的情情况况下下，可可以以采采用用一一种种用用光光学学分分解解技技术术(插插值值法法)来来进一步提高分辨率。进一步提高分辨率。33/45数字式传感器数字式传感器34/45

27、数字式传感器数字式传感器2.增量编码器增量编码器的圆盘上等角距地开增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈有两道缝隙，内外圈(A、B)的相的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码盘的外），开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下安装光源和光电接收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元道将有一系列光电脉冲由光电元件输

28、出，码道上有多少缝隙每转件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差过一周就将有多少个相差90的的两相（两相（A、B两路）脉冲脉冲和两路）脉冲脉冲和一个零位一个零位(C相相)脉冲输出。增量脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身码器一样，主要取决于码盘本身的精度。的精度。增量码道增量码道辨向码道辨向码道35/45数字式传感器数字式传感器测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。36/45数字式传感器数字式传感器测量线位移

29、 利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度37/45数字式传感器数字式传感器图1027（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都

30、要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。38/45数字式传感器数字式传感器 计数和辨向计数和辨向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

31、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”表表示示反转。反转。可可以以用用Q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，实实现现每每码盘转动一圈复码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次论正转还是反转，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。增量，故这种测量

32、称为增量法。39/45数字式传感器数字式传感器四倍频细分电路原理图如图1029（a）所示。输出x1与x2信号作为计数器双时钟输人信号。按电路图可得如下逻辑表达式：细分电路 40/45数字式传感器数字式传感器41/45数字式传感器数字式传感器 Q1、Q2、Q3和 Q4分别与S1、S2和相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位/2。电路各点的波形如图1029（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和 Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的12，但同时要满足与Y1、Y2、Y3和Y4相“与”的

33、要求。由图1029可知，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。42/45数字式传感器数字式传感器频率式数字传感器频率式数字传感器 频频率率式式数数字字传传感感器器是是能能直直接接将将被被测测非非电电量量转转换换成成与与之之相相对对应应的的、便便于于处处理理的的频频率率信信号号。频频率率式式数数字字传传感感器器一一般般有有两两种类型：种类型：(1)利利用用振振荡荡器器的的原原理理，将将被被测测量量的的变变化化改改变变为为振振荡荡器器的的振荡频率，常用振荡器有振荡频率，常用振荡器有R

34、C荡电路和石英晶体振荡电路等。荡电路和石英晶体振荡电路等。(2)利利用用机机械械振振动动系系统统，通通过过其其固固有有振振动动频频率率的的变变化化来来反反映被测参数。映被测参数。43/45数字式传感器数字式传感器 一、一、RC振荡器式频率传感器振荡器式频率传感器 温度温度 频率传感器就是频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻用热敏电阻RT测量温度。测量温度。RT作为作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算振荡器的一部分，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。当外界温度文氏电桥正弦波发生器。当外

35、界温度T变化时变化时RT的阻值也随之变化，的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。振荡器的频率因此而改变。RC振振荡器的振荡频率由下式决定：荡器的振荡频率由下式决定：其中其中RT与温度与温度T的关系为的关系为 式中：式中：B为热敏电阻的温度系数。为热敏电阻的温度系数。电阻电阻R2、R3的作用是改善其的作用是改善其线性特性，线性特性，流过流过RT的电流尽可能小以防的电流尽可能小以防其自身发热对温度测量的影其自身发热对温度测量的影响。响。44/45数字式传感器数字式传感器二、弹性振动体频率式传感器二、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（激任何弹性体都具有固有

36、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。性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。若激励力的频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，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。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。的。弹性振动体频率式传感

37、器有振弦式、振膜式、振筒式和振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，梁式等，45/45数字式传感器数字式传感器传感器的敏感元件是一根被预先拉紧的金属丝弦1。它被置于激振器所产生的磁场里，两端均固定在传感器受力部件3的两个支架2上且平行于受力部件。当堂力部件3受到外载荷后，将产生微小的挠曲，致使支架2产生相对倾角，从而松弛或拉紧了振弦，振弦的内应力发生变化，使振弦的振动频率相应地变化。振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度和内应力。46/45人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。