《现代检测技术及仪表》孙传友高教出版社电子教案第6章

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1、第6章 数字式传感器6.1 编码器6.1.1 直接编码器直接将角位移转换为2进制数码一、工作原理1、组成结构 图6-1-1 2、工作原理：各光电元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号分别代表二元码“1”和“0”。通过光电转换，码盘转角转换成成一组相应的n位二元码。二、码制与码盘二进制码盘 图6-1-2（a）循环码盘 图6-1-2（b）输出数码 C1C2Cn(二进制码)R1R2Rn（循环码）第1(最内圈)码道分21个黑白间隔, 对应C1分21个黑白间隔, 对应R1第2码道分22个黑白间隔，对应C2分21个黑白间隔，对应R2第i码道分2i个黑白间隔 ，对应Ci分2i-1个黑白间隔，对应Ri相邻码

2、道分界线第i道黑白分界线与i+1道黑白分界线对齐第i道黑白分界线与第i+1道黑白分界线错开180/2i优缺点缺点：产生粗误差（图6-1-3）优点：不产生粗误差分辨率结论：直接编码器多采用循环码盘三、转换关系和转换电路1、转角与二进码转换 2、二进码与循环码的转换 C1C2C3C4CnR1R2R3R4Rn C1C2C3Cn-1 C1C2C3Cn-1R1R2R3R4Rn C1C2C3C4Cn 3、转换电路 1）二进制码转换为循环码1并行电路 图6-1-4（a） 2串行电路 图6-1-4（b） 2）循环码转换为二进制码 1并行电路 图6-1-5（a）2串行电路 图6-1-5（b） 触发器先清零，J=

3、K=Ri ， 6.1.2 增量编码器一、结构与工作原理1组成结构 图6-1-6光源码盘 三个码道：1零位码道A1条透个狭缝 2增量码道Bm个透光不透光扇区 3辨向码道 Cm个透光不透光扇区 （B、C全错开半个扇区）光电元件三个与三个码道对应2工作原理码盘每转一周：光电元件A产生一个脉冲 光电元件B产生m个脉冲 光电元件C产生m个脉冲 相位差90二、转向和转角的测量1转向判别电路图6-1-8，波形图6-1-9 正转 反转感光先后 C先感光 B先感光相位关系 C超前 B超前触发器 Q=1 Q=0计数器 加计数 减计数2净转角测量分辨率 净转角与计数结果N的关系 6.2 光栅6.2.1光栅的结构和基

4、本原理一、光栅传感器的结构 图6-2-11、主光栅(又称标尺光栅) ，均匀地刻划有透光和不透光的线条 2、指示光栅，刻有与主光栅同样刻线密度的条纹 3、光源和透镜 4、光电元件二、莫尔条纹的形成与特点 1、莫尔条纹的形成 图6-2-2 主光栅与指示光栅的栅线之间保持很小的夹角，在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹莫尔条纹。莫尔条纹之间距远大于光栅栅距W2、莫尔条纹的主要特性：(1) 移动方向： 主光栅右移，则莫尔条纹向下移；主光栅左移，则莫尔条纹向上移。(2) 移动距离：主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距H。莫尔条纹具有放大作用，即HW。 (3)平均效应：莫尔条纹具有减小光栅

5、栅距局部误差的作用 三、光电转换电压与光栅位移的关系 主光栅移动一个栅距W，光电转换电压变化一个周期 6.2.2光栅辨向原理与细分技术一、辨向原理 在条纹移动方向(y方向)上安放两个间距为 (n+1)H/4(n为整数)的光电元件，两个光电元件的输出信号u1和u2的相位差正好等于/2。再将这两个相位差90的正弦信号送到图6-1-8所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。 二、细分技术m细分即分辨率W/m在主光栅移动一个栅距过程中，产生m个彼此相位差360/m的正弦交流信号m个ui波形依次产生m个过零脉冲，于是，与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为： 1、 直接细分

6、直接细分又称位置细分，通常为四细分。是用四个依次相距H/4的光电元件，获得依次相差90相角的四个正弦交流信号。主光栅每移动一个栅距，将产生四个过零计数脉冲，从而实现四细分。2、电位器桥(电阻链)细分 1）电位器移相原理 图6-2-4 若，则2）48点电位器桥细分电路 图6-2-5将位置细分得到的四个相位差90的输出信号Umcos、Umsin，-Umcos、-Umsin加到图6-2-5所示电位器桥细分电路，使图中第i个电位器电刷两边电阻比值为： 就可从这48个电位器的电刷端得到48个相位差360/48的信号，这样就达到了48细分的目的。6.3频率式传感器6.3.1振弦式传感器一、工作原理1、振弦

7、式传感器组成振弦导磁性好的金属细弦激振器（电磁铁）激励振弦横向振动拾振器振弦振动时产生感应电压2、感应电压频率=振弦横向振动频率f 为振弦横向刚度系数 3、应用：测力F，应力，位移等参数二、差动式振弦传感器 图6-3-2单根振弦差动振弦F产生的相对频率偏移非线性误差结论；采用差动式振弦传感器不仅灵敏度提高一倍，而且可减小温度误差和非线性误差。三、测量电路要测量弦的振动频率，必须用激励线圈和电磁铁激励金属细弦振动，用绕在永久磁钢上的拾振线圈检测因金属弦振动产生的感应电压。目前有两种激励振弦振动的方式1、间歇激励方式 图6-3-2、连续激励方式（）电流激励式 图6-3-4(a) 振弦中有电流流过（

8、）电磁激励式 图6-3-4(b) 振弦中无电流流过附机电类比法分析振弦的电流激励电路图6-4-3（a）振弦电流i使振弦在磁场中受力，该力使振弦中点在磁场中横向振动，振弦在磁场中运动产生感应电动势： 振动速度 ，振动位移x 因为 所以 振弦弹性力，与横向位移x方向相反，振弦与周围介质摩擦阻力，与V方向相反，据牛顿定律， 合力= ， 为振弦振动加速度令振弦惯性力 所以 两边同除以得 令： 所以 因为 所以 所以 所以 所以 所以 四、线性化变换电路 图6-3-5 6.3.2振筒式传感器一、 振筒式压力传感器 图6-3-6 振筒的固有频率为被测压力引入振动筒内壁时，引起筒壁应力的变化，从而使筒的刚度

9、发生变化，由上式可知，刚度的变化将使振动频率随之改变。 二、振筒式密度传感器空振筒振动频率f0与振筒内充满质量为m的流体时的振动频率fx之比为：设振筒长度为l，外径为D1,内径为D2,管材密度为0，流体密度为x,则综合以上三式可得：6.3.3振膜式和振梁式传感器一、 振膜式传感器 1、组成结构 图6-3-92、工作原理 作用在膜片上的压力使振动膜片刚度变化，从而使膜片振动频率发生改变。二、振梁式传感器1、 组成结构 图6-3-10 两个振动系统2、工作原理 当力F使弹性圆环受压时，振梁被拉伸使张力增加，固有振动频率增高，但振杆的张力没有变化，故其振动频率也没有变化。它的作用只是起温度补偿作用。6.3.4石英晶体谐振式传感器一、 组成结构石英晶体接入具有正反馈的放大电路，构成石英晶体振荡器。二、 工作原理：压力和温度使石英晶体的固有频率变化，从而使石英晶体振荡器的振荡 频率变化。1、 石英晶体谐振式压力传感器当石英晶体承受静态压力时，E66随着压力变化而变化，因而固有频率发生变化。2、 石英晶体频率式温度传感器石英晶体固有频率与温度的关系为： 选择一特定切型的石英晶体，使得上式中的系数b,c均趋于零，将该切型的晶体接入振荡器，并让它感受温度变化，就能够制成高分辨率和高准确度的温度传感器石英晶体频率式温度传感器。