《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及儀表》孫傳友高教出版社電子教案第6章.doc

第6章 數(shù)字式傳感器6.1 編碼器6.1.1 直接編碼器直接將角位移轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制數(shù)碼一、工作原理1、組成結(jié)構(gòu) 圖6-1-1 2、工作原理：各光電元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電平信號(hào)分別代表二元碼“1”和“0”。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，碼盤(pán)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成成一組相應(yīng)的n位二元碼。二、碼制與碼盤(pán)二進(jìn)制碼盤(pán) 圖6-1-2（a）循環(huán)碼盤(pán) 圖6-1-2（b）輸出數(shù)碼 C1C2Cn(二進(jìn)制碼)R1R2Rn（循環(huán)碼）第1(最內(nèi)圈)碼道分21個(gè)黑白間隔, 對(duì)應(yīng)C1分21個(gè)黑白間隔, 對(duì)應(yīng)R1第2碼道分22個(gè)黑白間隔，對(duì)應(yīng)C2分21個(gè)黑白間隔，對(duì)應(yīng)R2第i碼道分2i個(gè)黑白間隔 ，對(duì)應(yīng)Ci分2i-1個(gè)黑白間隔，對(duì)應(yīng)Ri相鄰碼道分界線第i道黑白分界線與i+1道黑白分界線對(duì)齊第i道黑白分界線與第i+1道黑白分界線錯(cuò)開(kāi)180/2i優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：產(chǎn)生粗誤差（圖6-1-3）優(yōu)點(diǎn)：不產(chǎn)生粗誤差分辨率結(jié)論：直接編碼器多采用循環(huán)碼盤(pán)三、轉(zhuǎn)換關(guān)系和轉(zhuǎn)換電路1、轉(zhuǎn)角與二進(jìn)碼轉(zhuǎn)換 2、二進(jìn)碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換 C1C2C3C4CnR1R2R3R4Rn C1C2C3Cn-1 C1C2C3Cn-1R1R2R3R4Rn C1C2C3C4Cn 3、轉(zhuǎn)換電路 1）二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼1并行電路 圖6-1-4（a） 2串行電路 圖6-1-4（b） 2）循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼 1并行電路 圖6-1-5（a）2串行電路 圖6-1-5（b） 觸發(fā)器先清零，J=K=Ri ， 6.1.2 增量編碼器一、結(jié)構(gòu)與工作原理1組成結(jié)構(gòu) 圖6-1-6光源碼盤(pán) 三個(gè)碼道：1零位碼道A1條透?jìng)€(gè)狹縫 2增量碼道Bm個(gè)透光不透光扇區(qū) 3辨向碼道 Cm個(gè)透光不透光扇區(qū) （B、C全錯(cuò)開(kāi)半個(gè)扇區(qū)）光電元件三個(gè)與三個(gè)碼道對(duì)應(yīng)2工作原理碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一周：光電元件A產(chǎn)生一個(gè)脈沖 光電元件B產(chǎn)生m個(gè)脈沖 光電元件C產(chǎn)生m個(gè)脈沖 相位差90二、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角的測(cè)量1轉(zhuǎn)向判別電路圖6-1-8，波形圖6-1-9 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)感光先后 C先感光 B先感光相位關(guān)系 C超前 B超前觸發(fā)器 Q=1 Q=0計(jì)數(shù)器 加計(jì)數(shù) 減計(jì)數(shù)2凈轉(zhuǎn)角測(cè)量分辨率 凈轉(zhuǎn)角與計(jì)數(shù)結(jié)果N的關(guān)系 6.2 光柵6.2.1光柵的結(jié)構(gòu)和基本原理一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 圖6-2-11、主光柵(又稱標(biāo)尺光柵) ，均勻地刻劃有透光和不透光的線條 2、指示光柵，刻有與主光柵同樣刻線密度的條紋 3、光源和透鏡 4、光電元件二、莫爾條紋的形成與特點(diǎn) 1、莫爾條紋的形成 圖6-2-2 主光柵與指示光柵的柵線之間保持很小的夾角，在近乎垂直柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋莫爾條紋。莫爾條紋之間距遠(yuǎn)大于光柵柵距W2、莫爾條紋的主要特性：(1) 移動(dòng)方向： 主光柵右移，則莫爾條紋向下移；主光柵左移，則莫爾條紋向上移。(2) 移動(dòng)距離：主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距H。莫爾條紋具有放大作用，即HW。 (3)平均效應(yīng)：莫爾條紋具有減小光柵柵距局部誤差的作用 三、光電轉(zhuǎn)換電壓與光柵位移的關(guān)系 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光電轉(zhuǎn)換電壓變化一個(gè)周期 6.2.2光柵辨向原理與細(xì)分技術(shù)一、辨向原理 在條紋移動(dòng)方向(y方向)上安放兩個(gè)間距為 (n+1)H/4(n為整數(shù))的光電元件，兩個(gè)光電元件的輸出信號(hào)u1和u2的相位差正好等于/2。再將這兩個(gè)相位差90的正弦信號(hào)送到圖6-1-8所示辨向電路，就可測(cè)量出光柵的移動(dòng)方向和移動(dòng)的柵距數(shù)。 二、細(xì)分技術(shù)m細(xì)分即分辨率W/m在主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距過(guò)程中，產(chǎn)生m個(gè)彼此相位差360/m的正弦交流信號(hào)m個(gè)ui波形依次產(chǎn)生m個(gè)過(guò)零脈沖，于是，與光柵位移x對(duì)應(yīng)的過(guò)零脈沖計(jì)數(shù)值即位移的數(shù)字測(cè)量結(jié)果為： 1、 直接細(xì)分直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，通常為四細(xì)分。是用四個(gè)依次相距H/4的光電元件，獲得依次相差90相角的四個(gè)正弦交流信號(hào)。主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，將產(chǎn)生四個(gè)過(guò)零計(jì)數(shù)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)四細(xì)分。2、電位器橋(電阻鏈)細(xì)分 1）電位器移相原理 圖6-2-4 若，則2）48點(diǎn)電位器橋細(xì)分電路 圖6-2-5將位置細(xì)分得到的四個(gè)相位差90的輸出信號(hào)Umcos、Umsin，-Umcos、-Umsin加到圖6-2-5所示電位器橋細(xì)分電路，使圖中第i個(gè)電位器電刷兩邊電阻比值為： 就可從這48個(gè)電位器的電刷端得到48個(gè)相位差360/48的信號(hào)，這樣就達(dá)到了48細(xì)分的目的。6.3頻率式傳感器6.3.1振弦式傳感器一、工作原理1、振弦式傳感器組成振弦導(dǎo)磁性好的金屬細(xì)弦激振器（電磁鐵）激勵(lì)振弦橫向振動(dòng)拾振器振弦振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓2、感應(yīng)電壓頻率=振弦橫向振動(dòng)頻率f 為振弦橫向剛度系數(shù) 3、應(yīng)用：測(cè)力F，應(yīng)力，位移等參數(shù)二、差動(dòng)式振弦傳感器 圖6-3-2單根振弦差動(dòng)振弦F產(chǎn)生的相對(duì)頻率偏移非線性誤差結(jié)論；采用差動(dòng)式振弦傳感器不僅靈敏度提高一倍，而且可減小溫度誤差和非線性誤差。三、測(cè)量電路要測(cè)量弦的振動(dòng)頻率，必須用激勵(lì)線圈和電磁鐵激勵(lì)金屬細(xì)弦振動(dòng)，用繞在永久磁鋼上的拾振線圈檢測(cè)因金屬弦振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。目前有兩種激勵(lì)振弦振動(dòng)的方式1、間歇激勵(lì)方式 圖6-3-2、連續(xù)激勵(lì)方式（）電流激勵(lì)式 圖6-3-4(a) 振弦中有電流流過(guò)（）電磁激勵(lì)式 圖6-3-4(b) 振弦中無(wú)電流流過(guò)附機(jī)電類比法分析振弦的電流激勵(lì)電路圖6-4-3（a）振弦電流i使振弦在磁場(chǎng)中受力，該力使振弦中點(diǎn)在磁場(chǎng)中橫向振動(dòng)，振弦在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： 振動(dòng)速度 ，振動(dòng)位移x 因?yàn)?所以 振弦彈性力，與橫向位移x方向相反，振弦與周圍介質(zhì)摩擦阻力，與V方向相反，據(jù)牛頓定律， 合力= ， 為振弦振動(dòng)加速度令振弦慣性力 所以 兩邊同除以得 令： 所以 因?yàn)?所以 所以 所以 所以 所以 四、線性化變換電路 圖6-3-5 6.3.2振筒式傳感器一、 振筒式壓力傳感器 圖6-3-6 振筒的固有頻率為被測(cè)壓力引入振動(dòng)筒內(nèi)壁時(shí)，引起筒壁應(yīng)力的變化，從而使筒的剛度發(fā)生變化，由上式可知，剛度的變化將使振動(dòng)頻率隨之改變。 二、振筒式密度傳感器空振筒振動(dòng)頻率f0與振筒內(nèi)充滿質(zhì)量為m的流體時(shí)的振動(dòng)頻率fx之比為：設(shè)振筒長(zhǎng)度為l，外徑為D1,內(nèi)徑為D2,管材密度為0，流體密度為x,則綜合以上三式可得：6.3.3振膜式和振梁式傳感器一、 振膜式傳感器 1、組成結(jié)構(gòu) 圖6-3-92、工作原理 作用在膜片上的壓力使振動(dòng)膜片剛度變化，從而使膜片振動(dòng)頻率發(fā)生改變。二、振梁式傳感器1、 組成結(jié)構(gòu) 圖6-3-10 兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)2、工作原理 當(dāng)力F使彈性圓環(huán)受壓時(shí)，振梁被拉伸使張力增加，固有振動(dòng)頻率增高，但振桿的張力沒(méi)有變化，故其振動(dòng)頻率也沒(méi)有變化。它的作用只是起溫度補(bǔ)償作用。6.3.4石英晶體諧振式傳感器一、 組成結(jié)構(gòu)石英晶體接入具有正反饋的放大電路，構(gòu)成石英晶體振蕩器。二、 工作原理：壓力和溫度使石英晶體的固有頻率變化，從而使石英晶體振蕩器的振蕩 頻率變化。1、 石英晶體諧振式壓力傳感器當(dāng)石英晶體承