傳感器第六章數(shù)字式傳感器

傳感器第六章數(shù)字式傳感器第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日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(yīng)式、光電式等。一、工作原理光學(xué)碼盤工作原理見下圖。6.1碼盤式傳感器第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、碼制與碼盤如圖，是一個6位二進制碼盤。000000111000100110C1C6第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日（一）碼盤讀取的粗誤差二進制是有權(quán)碼，即不同二進制位代表的數(shù)值不同。當(dāng)高位出錯時，會帶來很大的誤差。當(dāng)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(jié)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->第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日（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(jié)果，C1=1，則讀B，C1=0，則讀A；3.讀Ci碼道，根據(jù)Ci-1的結(jié)果，為1，讀B，為0，讀A。C1C2C3C4A4B4A3B3A2B2第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日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第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日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第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日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第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日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第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日（三）采用循環(huán)碼消除粗誤差循環(huán)碼的特點是無權(quán)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第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日6位二進制碼碼盤6位循環(huán)碼碼盤第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日三、二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換關(guān)系為實現(xiàn)二進制碼與循環(huán)碼間的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換可以采用組合邏輯電路或時序邏輯電路。第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日下面是實現(xiàn)二進制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路。第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日下面是實現(xiàn)循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進制碼的電路。第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日循環(huán)碼轉(zhuǎn)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;}第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日以上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，得第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日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第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日四、應(yīng)用下圖是光學(xué)碼盤測角儀的原理框圖。第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日上圖當(dāng)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(yīng)當(dāng)量為第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日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(jié)構(gòu)原理光柵傳感器構(gòu)成見下圖。6.2光柵傳感器第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、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(dāng)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二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）莫爾條紋的特點1.通過調(diào)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(jié)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。第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日三、光柵常用的光路（一）垂直透射式光路如下圖所示。第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）反射式光路如下圖所示。第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日四、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。第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日采用邊沿識別電路，完成四細分和辨向，電路圖如下。第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日方向識別電路見下圖。IncDec第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日上面圖中：ABBA正向反向第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日五、細分技術(shù)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->第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日123451’2’3’4’5’12345第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日（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。第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日設(shè)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。第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日（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。第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、弦振動的固有頻率振弦式傳感器的原理見下圖。6.3振弦式傳感器第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日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(guān)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，弦受到的力為第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日力的一部分用于克服振動質(zhì)量的慣性，使之獲得速度當(dāng)振弦以速度運動時切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，為從上式，可以看出在磁場中運動的振弦質(zhì)量的作用等效于一個電容，電容量為第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日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(shè)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(nèi)張緊的弦產(chǎn)生橫向振動時其作用又相當(dāng)于一電感。第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日電感量為因此，位于磁場中張緊弦的運動相當(dāng)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四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日2.電磁法如下圖。此方法在振弦中無電流通過。第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）間歇激勵法如下圖。第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日三、振弦傳感器的靈敏度和線性度（一）靈敏度由于有因為第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日于是由上式得，振弦傳感器的靈敏度考慮固有頻率與張力的關(guān)系，固有頻率與張力關(guān)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(shè)一根弦的張力增加了，則此弦的固有頻率由變?yōu)?，即第四十八頁，共六十二頁?022年，8月28日另一根弦張力減少，此弦的固有頻率變?yōu)楫?dāng)，將上面兩式展開為級數(shù)，得第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日上兩式相減并略去高次項，得靈敏度為第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）線性度前面討論固有頻率與張力的關(guān)系時，忽略高次項，由此帶來的非線性誤差為第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日四、振弦傳感器的基本元件及結(jié)構(gòu)（一）振弦1.抗拉強度高，彈性模量高、磁性好、導(dǎo)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(gòu)造及形狀參見下圖。第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日（三）振弦夾緊裝置1.抗滑能力強，加工簡單，安裝方便，能重復(fù)使