傳感器第六章數(shù)字式傳感器

傳感器第六章數(shù)字式傳感器第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月碼盤式傳感器利用碼盤或碼尺完成角度或位移的測量。讀取碼盤有多種方式：如電觸式、電容式、感應式、光電式等。一、工作原理光學碼盤工作原理見下圖。6.1碼盤式傳感器第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、碼制與碼盤如圖，是一個6位二進制碼盤。000000111000100110C1C6第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）碼盤讀取的粗誤差二進制是有權碼，即不同二進制位代表的數(shù)值不同。當高位出錯時，會帶來很大的誤差。當讀數(shù)頭位于多個位交界的位置時，由于制造誤差，可能讀出多種不同的結果。例如在000000與111111交接處時，讀數(shù)頭可能讀出6位二進制數(shù)的任何一種組合。xxxxxx2006.10.16JC204->第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）V型讀數(shù)頭消除粗誤差除了最低位外，其它位都采用兩個讀數(shù)頭讀數(shù)，可以消除粗誤差。以碼尺為例討論，見下圖。讀數(shù)規(guī)則如下：1.讀C1碼道；2.讀C2碼道，根據(jù)C1的結果，C1=1，則讀B，C1=0，則讀A；3.讀Ci碼道，根據(jù)Ci-1的結果，為1，讀B，為0，讀A。C1C2C3C4A4B4A3B3A2B2第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月C1C2C3C4C1C2C3C4C1碼道讀數(shù)為0時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C1碼道讀數(shù)為0時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C2碼道讀數(shù)頭A可能在的區(qū)間C2碼道讀數(shù)頭A可能在的區(qū)間ABBA第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月C1C2C3C4C1C2C3C4C1碼道讀數(shù)為1時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C1碼道讀數(shù)為1時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C2碼道讀數(shù)頭B可能在的區(qū)間C2碼道讀數(shù)頭B可能在的區(qū)間ABBA第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月C1C2C4C1C2C3C4C2碼道讀數(shù)為1時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C2碼道讀數(shù)為1時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C3碼道讀數(shù)頭B可能在的區(qū)間C3碼道讀數(shù)頭B可能在的區(qū)間C3BAAB第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月C1C2C4C1C2C3C4C2碼道讀數(shù)為0時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C2碼道讀數(shù)為0時，讀數(shù)頭可能在的區(qū)間C3碼道讀數(shù)頭A可能在的區(qū)間C3碼道讀數(shù)頭A可能在的區(qū)間C3BAAB第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）采用循環(huán)碼消除粗誤差循環(huán)碼的特點是無權碼，相鄰的編碼之間只有一位發(fā)生改變。000---000001---001010---011011---010100---110101---111110---101111---100000000000000R000111000100R第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6位二進制碼碼盤6位循環(huán)碼碼盤第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、二進制碼與循環(huán)碼的轉換由前面碼盤和對照表可看出二進制碼和循環(huán)碼最高位相同。二進制碼與循環(huán)碼之間的轉換關系為實現(xiàn)二進制碼與循環(huán)碼間的轉換可以采用邏輯電路，也可采用軟件實現(xiàn)。邏輯電路實現(xiàn)轉換可以采用組合邏輯電路或時序邏輯電路。第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月下面是實現(xiàn)二進制碼轉換為循環(huán)碼的電路。第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月下面是實現(xiàn)循環(huán)碼轉換為二進制碼的電路。第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月循環(huán)碼轉換為二進制碼C源程序uint32GraytoDecimal(unsignedlongGray,unsignedcharBitNum){unsignedcharn;for(n=0;(1<<n)<BitNum;n++){Gray^=Gray>>(1<<n);}returnGray;}第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月以上C程序基于下面算法。由前面公式有將上面等式右邊的代換為，得第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月G7G6G5G4G3G2G1G00G7G6G5G4G3G2G1G7G7^G6G6^G5G5^G4G4^G3G3^G2G2^G1G1^G000G7G7^G6G6^G5G5^G4G4^G3G3^G2G7G7^G6G7^G6^G5G7^G6^G5^G4G6^G5^G4^G3G5^G4^G3^G2G4^G3^G2^G1G3^G2^G1^G00000G7G7^G6G7^G6^G5G7^G6^G5^G4G7G7^G6G7^G6^G5G7^G6^G5^G4G7^G6^G5^G4^G3G7^G6^G5^G4^G3^G2G7^G6^G5^G4^G3^G2^G1G7^G6^G5^G4^G3^G2^G1^G0第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、應用下圖是光學碼盤測角儀的原理框圖。第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月上圖當量變換針對14位二進制碼盤。對于14位碼盤每個LSB（LeastSignificantBit，最低有效位）對應當量為第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月光柵傳感器是利用莫爾條紋原理制成的，可以用于線位移和角位移的測量。光柵傳感器具有精度高、測量范圍大的特點。一、光柵傳感器的結構原理光柵傳感器構成見下圖。6.2光柵傳感器第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、莫爾條紋形成的原理及特點（一）莫爾條紋形成的原理將兩個光柵疊合在一起，使兩者柵線間保持很小的夾角，就會在垂直于柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋。當其中一光柵沿垂直于柵線方向移動時，莫爾條紋將沿柵線方向移動。由圖可看出，橫向莫爾條紋的斜率為橫向莫爾條紋亮帶與暗帶間的距離為第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）莫爾條紋的特點1.通過調整兩光柵的夾角，可得到改變莫爾條紋的寬度；很小的夾角可以到很寬的莫爾條紋；2.莫爾條紋的光強度變化近似為正弦變化。光柵移動一個節(jié)距，莫爾條紋移動一個周期的距離。3.光電元件接受到的信號是由多條柵線綜合產(chǎn)生的平均結果。因此單根柵線的缺陷不會影響光電元件的輸出；4.莫爾條紋還可以用徑向光柵形成，利用徑向光柵形成的莫爾條紋可以測量角度。第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、光柵常用的光路（一）垂直透射式光路如下圖所示。第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）反射式光路如下圖所示。第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、辨向原理為辨向，在莫爾條紋移動方向上相距的位置上放置兩個光電元件。參見下圖。第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月采用邊沿識別電路，完成四細分和辨向，電路圖如下。第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月方向識別電路見下圖。IncDec第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月上面圖中：ABBA正向反向第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月五、細分技術細分就是在莫爾條紋變化一周期時，輸出不只一個脈沖。辨向原理中實際包含了一個4細分過程。如果需要更高的細分數(shù)，需要采用一些其它方法。（一）直接細分增加光電元件個數(shù)，即沿莫爾條紋移動方向依次放置多個光電元件。直接細分又稱為位置細分。位置細分的優(yōu)點是對莫爾條紋信號波形要求不高。缺點是光電元件安放困難。按照工業(yè)規(guī)范，通常需要輸出兩路正交信號，因此最終細分數(shù)都是4的倍數(shù)。2006.10.20JC204->第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月123451’2’3’4’5’12345第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）電阻電橋細分法如下圖，同頻率的兩個正弦量相加后，輸出仍為正弦量。第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月設由上式知，通過改變的值可以獲得各種相移的正弦信號。右圖為一個10細分的例子。第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）電阻鏈細分法（電阻分割法）該方法實際上是另一種矢量和法。參見下圖。第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月一、弦振動的固有頻率振弦式傳感器的原理見下圖。6.3振弦式傳感器第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月振弦的固有頻率由下式?jīng)Q定。張力或有效長度決定了振弦的固有頻率。利用振弦的固有頻率與其張力的函數(shù)關系，可以做成，壓力、力、力矩等各種傳感器。二、弦振動的激勵方式（一）連續(xù)激勵法1.電流法電流流過振弦時，弦受到的力為第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月力的一部分用于克服振動質量的慣性，使之獲得速度當振弦以速度運動時切割磁力線，產(chǎn)生感應電動勢，為從上式，可以看出在磁場中運動的振弦質量的作用等效于一個電容，電容量為第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁力一方面使振弦獲得速度，同時又要克服彈簧的反作用力。設時刻時振弦偏離平衡位置為，則其彈性反作用力為。由于則反電動勢有上式可看出，位于磁場內張緊的弦產(chǎn)生橫向振動時其作用又相當于一電感。第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月電感量為因此，位于磁場中張緊弦的運動相當于一個并聯(lián)LC電路，其振蕩頻率為而和，可分別由下式求得于是第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電磁法如下圖。此方法在振弦中無電流通過。第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）間歇激勵法如下圖。第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月三、振弦傳感器的靈敏度和線性度（一）靈敏度由于有因為第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月于是由上式得，振弦傳感器的靈敏度考慮固有頻率與張力的關系，固有頻率與張力關系曲線為拋物線。采用差動方式可以減少非線性誤差。參見下面圖。設一根弦的張力增加了，則此弦的固有頻率由變?yōu)?，即?8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月另一根弦張力減少，此弦的固有頻率變?yōu)楫敚瑢⑸厦鎯墒秸归_為級數(shù)，得第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月上兩式相減并略去高次項，得靈敏度為第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）線性度前面討論固有頻率與張力的關系時，忽略高次項，由此帶來的非線性誤差為第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、振弦傳感器的基本元件及結構（一）振弦1.抗拉強度高，彈性模量高、磁性好、導電好；2.溫度系數(shù)小，尺寸時間穩(wěn)定性好，受拉后松弛小。（二）磁鐵常見的磁鐵構造及形狀參見下圖。第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）振弦夾緊裝置1.抗滑能力強，加工簡單，安裝方