D數(shù)字式傳感器 (2)課件

第13章數(shù)字式傳感器將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出的傳感器。測(cè)量精度和分辨率更高抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好測(cè)量范圍大易于與計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)智能化便于傳輸、存儲(chǔ)和信號(hào)處理電路便于集成化優(yōu)點(diǎn)2/6/20231數(shù)字傳感器的三大類直接以數(shù)字量形式輸出，如直接編碼器以脈沖形式輸出，如光柵,磁柵等以頻率形式輸出。。。。。。。。。。padehiml數(shù)字傳感器2/6/20232編碼器直接編碼器：（絕對(duì)式）直接將角位移或線性位移轉(zhuǎn)換為二元碼（即“0”或“1”）增量編碼器2/6/20233二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、十進(jìn)制碼、六十進(jìn)制碼、四位二進(jìn)制碼，格雷碼。2.碼制padehiml編碼器每個(gè)碼道有一個(gè)光電元件，光電元件受光照為“0”，不受光照為“1”；轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤，轉(zhuǎn)角α即可轉(zhuǎn)換成幾位二元碼。2/6/202351）四位二進(jìn)制碼盤：最內(nèi)圈碼道為第一碼道，半圈透亮，半圈不透亮。對(duì)應(yīng)最高位C4

最外圈為第n碼道，共分成2n個(gè)亮暗間隔，對(duì)應(yīng)最低位C1，最小分辨率為α=360°/2n編碼器padehiml2/6/20236當(dāng)狹縫對(duì)準(zhǔn)a,b,c,…p位置時(shí)，得到的數(shù)碼將是0000,0001,0010,…1111編碼器padehiml碼盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)換出的二進(jìn)制碼C1，C2……Cn的關(guān)系2/6/202372/6/202392/6/2023102）二進(jìn)制碼的缺點(diǎn)： 由于黑白分界線刻劃不精確造成粗誤差。理想位置分界線aa:0111→1000編碼器C1C2C3C411110000aa2/6/202311與二進(jìn)制碼不同之處:第二道碼也是一半透光一半不透光第i碼道分為2i－1(i≥2)個(gè)黑白間隔,如i＝2,則等于2；i＝3，則等于4；i＝4，則等于8個(gè)間隔，第i碼道的黑白分界線與第i－1碼道的黑折分界線錯(cuò)開(kāi)360°/2i(i≥2)循環(huán)碼是無(wú)權(quán)碼。循環(huán)碼轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化。編碼器2/6/202313當(dāng)狹縫對(duì)準(zhǔn)a,b,c,…p位置時(shí)，得到的數(shù)碼將是：0000,0001,0011，0010…1000。編碼器2/6/202314十進(jìn)制0123456789101112131415二進(jìn)制C0000000100100011010001010110011110001001101110111100110111101111循環(huán)碼R00000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110003.二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換編碼器2/6/202315由二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路：CnCn-1RnRn-1Rn-2R1C1Cn-2C2CPRDD1D2RiQCiD并行轉(zhuǎn)換電路串行轉(zhuǎn)換電路串行轉(zhuǎn)換電路的工作過(guò)程為：D1置0，即Q=0。Ci端送入Cn，異或門D2輸出Rn＝Cn0＝Cn；隨后加CP脈沖，使Q＝Cn；在Ci端加Cn-1，D2輸出Rn-1＝Cn-1Cn。重復(fù)上述過(guò)程，依次可得Rn，Rn-1，……，R2，R1。編碼器++++2/6/202317由循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼的電路：并行轉(zhuǎn)換電路串行轉(zhuǎn)換電路RnCnCn-1Cn-2C1R1Rn-2Rn-1CPRDDCiRiKJQ編碼器++++2/6/202318串行轉(zhuǎn)換電路的工作過(guò)程為：將JK觸發(fā)器RD復(fù)0，Q＝0，Rn加到J、K，再加CP脈沖，則Q＝Cn＝Rn；設(shè)Q端為Ci+1，J、k端加Ri；當(dāng)Ri＝“1”，則加CP后，Q＝i+1，當(dāng)Ri＝“0”，則加CP后，Q＝Ci+1，重復(fù)上述步驟，可依次獲得：Cn，Cn-1，……，C2，C1其邏輯關(guān)系為：編碼器2/6/202319二、增量編碼器脈沖盤式數(shù)字傳感器——編碼器2/6/202321（2）工作原理脈沖式數(shù)字傳感器一般只有3道碼道，光電元件也只有3個(gè)。最外圈碼道上：提供初始的零位脈沖中間圈：增量碼道最里圈：辨向碼道均有m個(gè)透光和不透光的扇區(qū)但彼此錯(cuò)開(kāi)900/m增量編碼器的分辨率：碼盤每轉(zhuǎn)一周，兩個(gè)光電元件上將產(chǎn)生m個(gè)增量碼和m個(gè)辨向脈沖。編碼器2/6/202322θ增量編碼器原理演示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)式超前2/6/202323θ2/6/2023252/6/202326增量式光電編碼器型號(hào)軸徑輸出信號(hào)脈沖數(shù)PIEφ5φ6φ8φ10實(shí)心軸ABZ10203040506090100120125150240256300320360400500512600720750800900100010161024108012001250127015001600180020002048216024002500360040965000720080008192PIE3φ8φ10實(shí)心軸ABZPZFPIFφ15φ12實(shí)心軸ABZPID5×6空心槽ABZPIMφ6實(shí)心軸ABZPHEφ8φ10半空心軸ABZPIS4φ171:10錐度空心軸ABZPKT66φ15～φ30空心軸ABPKT78φ20空心軸AB2/6/202327計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋，1874年由英國(guó)物理學(xué)家首先提出這種圖案的工程價(jià)值，直到20世紀(jì)50年代人們才開(kāi)始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。2/6/202329光柵2/6/202330在指示光柵和標(biāo)尺光柵上刻有等間距條紋，刻線密度為10條/mm、25條/mm、50條/mm、100條/mm。2、莫爾條紋的形成與特點(diǎn)將主光柵與指示相對(duì)疊合在一起，使兩者光柵線保持很小的角度，于是在近乎垂直柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，即莫爾條紋。光柵播放動(dòng)畫2/6/202331莫爾條紋的形成例如：則2/6/202332莫爾條紋具有以下主要特點(diǎn)：（1）移動(dòng)方向：指示光柵不動(dòng)，主光柵向右移動(dòng)，莫爾條紋向下 若主光柵左移，則莫爾條紋向上移動(dòng)，指示光柵相對(duì)于主光柵形成一個(gè)順時(shí)針?lè)较驃A角（2）移動(dòng)距離：主光柵沿柵線垂直方向移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋正好移動(dòng)一個(gè)間距B。很小時(shí)：B>>W時(shí)，莫爾條紋具有放大作用（3）平均效應(yīng)：莫爾條紋具有減少光柵柵距局部誤差的作用。光柵2/6/202333光柵光電轉(zhuǎn)換電壓與光柵位置的關(guān)系u0W/2W理論上輸出波形為三角波Uav實(shí)際波形可近似描述為：2/6/2023342/6/202335光柵尺技術(shù)參數(shù)機(jī)械電氣特性準(zhǔn)確度±2μm,±3μm,±5μm分辨力5μm（正弦波）,0.1μm,0.2μm,0.5μm,1μm（電子細(xì)分，最高到50倍）測(cè)量長(zhǎng)度70……1020mm（每50mm一檔），1140……1840mm（每100mm一檔），2040……3040mm（每100mm一檔）測(cè)量速度60M/分鐘2/6/202336辨向原理光電元件光柵122/6/202337細(xì)分技術(shù)（1）—直接細(xì)分在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi),發(fā)出若干個(gè)脈沖,以減小脈沖當(dāng)量,如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n脈沖,即可使測(cè)量精度提高n倍,而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來(lái)柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍,因此也稱之為n倍頻。在上述辨向原理中可知,在相差BH/4位置上安裝兩個(gè)光電元件,得到兩個(gè)相位相差π/2的電信號(hào)。若將這兩個(gè)信號(hào)反相就可以得到四個(gè)依此相差π/2的信號(hào),從而可以在移動(dòng)一個(gè)柵距的周期內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。2/6/202338細(xì)分技術(shù)（2）—電位器橋細(xì)分令若可得到k個(gè)彼此相差的正弦信號(hào)2/6/202339細(xì)分技術(shù)（2）—電位器橋細(xì)分2/6/2023402/6/2023412/6/202342頻率式傳感器能直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為振動(dòng)頻率信號(hào)的傳感器稱為頻率式傳感器。振弦式張力傳感器；振筒式壓力傳感器；振筒式密度傳感器；振膜式橋梁式力傳感器；石英晶體振蕩器等；這類傳感器又稱為-----諧振式傳感器2/6/2023434i5eNS1F3AO2一、振弦式傳感器1.工作原理O、A為兩支點(diǎn)，金屬絲質(zhì)量為m，弦長(zhǎng)為l，張力為F，其固有頻率為K－振弦的橫向剛度系數(shù)。頻率式傳感器2/6/202344兩式聯(lián)立得:式中：ρ－振弦的線密度(m/l)；S－振弦的橫截面積ρv－振弦的體密度(m/sl)Δl－振弦的長(zhǎng)度增量E－彈性模量σ－F/S，振弦的應(yīng)力頻率式傳感器2/6/2023452.差動(dòng)式振弦傳感器—減小非線性誤差和溫度誤差F0－初始張力f0－初始頻率頻率式傳感器2/6/202346忽略其高次項(xiàng)：非線性誤差，即→δ解決辦法—差動(dòng)式膜片下弦上弦f1f2頻率式傳感器2/6/202347當(dāng)被測(cè)參數(shù)作用在彈性膜片上時(shí)，上、下弦產(chǎn)生大小相等、方向相反的張力增量。此時(shí)，可見(jiàn)，與單根振弦相比，靈敏度提高1倍，且非線性誤差減小很多,即頻率式傳感器2/6/202348二、石英晶體諧振式傳感器

當(dāng)給石英晶體的電極施加交變激勵(lì)電壓時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，而當(dāng)振動(dòng)時(shí)，兩極又會(huì)產(chǎn)生交變電壓，將石英晶體接入正反饋放大器電路中，兩極電壓經(jīng)放大后又同相位反饋到晶體電極上，加強(qiáng)原來(lái)的交變電壓，維持振動(dòng)。1.工作原理逆壓電效應(yīng)：當(dāng)給石英晶體的電極施加交變激勵(lì)電壓時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。頻率式傳感器2/6/2023492.石英晶體的諧振當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等于它的固有頻率時(shí)，即產(chǎn)生諧振其諧振頻率為：d—晶體厚度E66—厚度切變模量ρ—晶體密度其中：當(dāng)d、ρ為常數(shù)時(shí)，f＝g（E66）當(dāng)石英振蕩器承受靜態(tài)壓力時(shí)，E66隨壓力的變化而變化，所以有f＝KF與壓力量呈線性關(guān)系。頻率式傳感器2/6/202350f＝f0（1＋at＋bt2＋ct3）a，b，c—頻率溫度系數(shù)3.石英晶體頻率式溫度傳感器當(dāng)－80℃<t<250℃，頻率與溫度的關(guān)系：f0—t＝0時(shí)的固有頻率當(dāng)b，c→0：f＝f0（1＋at）呈線性頻率式傳感器2/6/202351作