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1、2019/9/28,1,第13章 数字式传感器,将被测模拟量转换成数字输出的传感器。,测量精度和分辨率更高 抗干扰能力强，稳定性好 测量范围大 易于与计算机接口实现智能化 便于传输、存储和信号处理 电路便于集成化,优点,2019/9/28,2,数字传感器的三大类,直接以数字量形式输出，如直接编码器 以脉冲形式输出，如光栅,磁栅等 以频率形式输出,数字传感器,2019/9/28,3,编码器,直接编码器：（绝对式） 直接将角位移或线性位移转换为二元码（即“0”或“1”） 增量编码器,2019/9/28,4,编码器,一、光电式直接编码器（绝对式）,1.构成： 由光学玻璃制成的圆形码盘，码盘上刻有同心
2、码道，码道上有亮区和暗区；,光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成窄光束照射在光电元件上；,2019/9/28,5,二进制码、循环码、十进制码、六十进制码、四位二进制码，格雷码。,2.码制,编码器,每个码道有一个光电元件，光电元件受光照为“0”，不受光照为“1”；,转动码盘，转角即可转换成几位二元码。,2019/9/28,6,1）四位二进制码盘：最内圈码道为第一码道，半圈透亮，半圈不透亮。,对应最高位C4,最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应最低位C1，最小分辨率为=360/2n,编码器,2019/9/28,7,当狭缝对准a,b,c,p位置时，得到的数码将是0000,0001,001
3、0,1111,编码器,码盘转角与转换出的二进制码C1，C2 Cn的关系,2019/9/28,8,2019/9/28,9,2019/9/28,10,2019/9/28,11,2）二进制码的缺点： 由于黑白分界线刻划不精确造成粗误差。,理想位置分界线aa: 01111000,编码器,C1 C2 C3 C4,1 1 1 1,0 0 0 0,a,a,2019/9/28,12,当C4的白分界线不清时，转动码盘时，输出由01110000 1000，其中出现错误码“0000”；,当C4的黑分界线不清时，转动码盘时，输出由01111111 1000，其中出现错误码“1111”。,3）循环码盘,与二进制码相同之
4、处：,码道数等于数码位数，最小分辨率相同；,最内圈也是半圈透光，半圈不透光；,编码器,2019/9/28,13,与二进制码不同之处:,第二道码也是一半透光一半不透光 第i码道分为2i1(i2)个黑白间隔,如i2,则等于2；i3，则等于4；i4，则等于8个间隔，第i码道的黑白分界线与第i1码道的黑折分界线错开360/2i(i2) 循环码是无权码。 循环码转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。,编码器,2019/9/28,14,当狭缝对准a,b,c,p位置时，得到的数码将是：0000,0001,0011，00101000。,编码器,2019/9/28,15,3.二进制码与循环码的转换,编码器,2
5、019/9/28,16,二进制码可转换为循环码：,CnRn,转换关系,举例：二进制码循环码,编码器,2019/9/28,17,由二进制码转换为循环码的电路：,Cn,Cn-1,Rn,Rn-1,Rn-2,R1,C1,Cn-2,C2,并行转换电路,串行转换电路,串行转换电路的工作过程为：D1置0，即Q=0。Ci端送入Cn，异或门D2输出RnCn 0Cn；随后加CP脉冲，使QCn；在Ci端加Cn-1，D2输出Rn-1Cn-1 Cn。重复上述过程，依次可得Rn，Rn-1，R2，R1。,编码器,2019/9/28,18,由循环码转换为二进制码的电路：,并行转换电路,串行转换电路,Rn,Cn,Cn-1,Cn
6、-2,C1,R1,Rn-2,Rn-1,编码器,2019/9/28,19,串行转换电路的工作过程为：将JK触发器RD复0，Q0，Rn加到J、K，再加CP脉冲，则QCnRn； 设Q端为Ci+1，J、k端加Ri； 当Ri“1”，则加CP后，Q i+1， 当Ri“0”，则加CP后，QCi+1，,重复上述步骤，可依次获得：Cn，Cn-1，C2，C1,其逻辑关系为：,编码器,2019/9/28,20,2019/9/28,21,二、增量编码器,脉冲盘式数字传感器,编码器,2019/9/28,22,（2）工作原理,脉冲式数字传感器一般只有3道码道，光电元件也只有3个。,最外圈码道上：提供初始的零位脉冲,中间圈
7、：,增量码道,最里圈：,辨向码道,均有m个透光和不透光的扇区 但彼此错开900/m,增量编码器的分辨率：,码盘每转一周，两个光电元件上将产生m个增量 码和m个辨向脉冲。,编码器,2019/9/28,23,增量编码器原理演示,顺时针旋转式超前,2019/9/28,24,增量编码器原理演示,逆时针旋转时滞后,2019/9/28,25,2019/9/28,26,2019/9/28,27,2019/9/28,28,光栅,光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件,主要讨论的是：长度测量的黑白透射式计量光栅,一、光栅,1、光栅传感器的结构和基本原理,主要有主光栅、指示光栅和光路系统,2019/9/
8、28,29,计量光栅技术的基础是莫尔条纹，1874年由英国物理学家首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。,2019/9/28,30,光栅,2019/9/28,31,在指示光栅和标尺光栅上刻有等间距条纹，刻线密度为10条/mm、25条/mm、50条/mm、100条/mm。,2、莫尔条纹的形成与特点,将主光栅与指示相对叠合在一起，使两者光栅线保持很小的角度，于是在近乎垂直栅线的方向上出现 了明暗相间的条纹，即莫尔条纹。,光栅,播放动画,2019/9/28,32,莫尔条纹的形成,例如：,则,2019/9/28,33,莫尔条纹具有以下主要特点：,（1
9、）移动方向：,指示光栅不动，主光栅向右移动，莫尔条纹向下,若主光栅左移，则莫尔条纹向上移动，指示光栅 相对于主光栅形成一个顺时针方向夹角,（2）移动距离：,主光栅沿栅线垂直方向移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹正好移动一个间距B。,很小时：BW时，莫尔条纹具有放大作用,（3）平均效应：莫尔条纹具有减少光栅栅距局 部误差的作用。,光栅,2019/9/28,34,光栅,光电转换电压与光栅位置的关系,u0,W/2,W,理论上输出波形为三角波,Uav,实际波形可近似描述为：,2019/9/28,35,2019/9/28,36,2019/9/28,37,辨向原理,光电元件,光栅,1,2,2019/9/28,
10、38,细分技术（1）直接细分,在莫尔条纹信号变化一个周期内, 发出若干个脉冲, 以减小脉冲当量, 如一个周期内发出n脉冲, 即可使测量精度提高n倍, 而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频。 在上述辨向原理中可知, 在相差BH/4位置上安装两个光电元件, 得到两个相位相差/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依此相差/2的信号, 从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲, 实现四倍频细分。,2019/9/28,39,细分技术（2） 电位器桥细分,令,若,可得到k个彼此相差 的正弦信号,2019/9/28,40,细分技术（2） 电位
11、器桥细分,2019/9/28,41,2019/9/28,42,2019/9/28,43,频率式传感器,能直接将被测量转换为振动频率信号的传感器称为 频率式传感器。,振弦式张力传感器； 振筒式压力传感器； 振筒式密度传感器； 振膜式桥梁式力传感器； 石英晶体振荡器等；,这类传感器又称为-谐振式传感器,2019/9/28,44,一、振弦式传感器,1.工作原理,O、A为两支点，金属丝质量为m，弦长为l，张力为F，其固有频率为,K振弦的横向刚度系数。,频率式传感器,2019/9/28,45,两式联立得:,式中：振弦的线密度(m/l)；,S振弦的横截面积,v振弦的体密度(m/sl),l振弦的长度增量,E
12、弹性模量,F/S，振弦的应力,频率式传感器,2019/9/28,46,2. 差动式振弦传感器 减小非线性误差和温度误差,F0初始张力 f0初始频率,频率式传感器,2019/9/28,47,忽略其高次项：,解决办法差动式,频率式传感器,2019/9/28,48,当被测参数作用在弹性膜片上时，上、下弦产生大小相等、方向相反的张力增量。,此时，,可见，与单根振弦相比，灵敏度提高1倍，且非线性误差减小很多,即,频率式传感器,2019/9/28,49,二、石英晶体谐振式传感器,当给石英晶体的电极施加交变激励电压时，晶体会产生机械振动，而当振动时，两极又会产生交变电压，将石英晶体接入正反馈放大器电路中，两
13、极电压经放大后又同相位反馈到晶体电极上，加强原来的交变电压，维持振动。,1. 工作原理,逆压电效应：当给石英晶体的电极施加交变激励电压时，晶体会产生机械振动。,频率式传感器,2019/9/28,50,2.石英晶体的谐振,当强迫振动频率等于它的固有频率时，即产生谐振,其谐振频率为：,d 晶体厚度,E66 厚度切变模量, 晶体密度,其中：,当d、为常数时，fg（E66）,当石英振荡器承受静态压力时，E66随压力的变化而变化，所以有fKF与压力量呈线性关系。,频率式传感器,2019/9/28,51,f f0（1atbt2ct3）,a，b，c 频率温度系数,3.石英晶体频率式温度传感器,当80t250 ，频率与温度的关系：,f0 t0时的固有频率,当b，c 0：,ff0（1at） 呈线性,频率式传感器,2019/9/28,52,作业：,一个增量编码器每圈2000个刻度（脉冲），问现检测到1000个脉冲，问转过的角度？若1秒检测60000脉冲，问转速（转/分）？ 已知长光栅的栅距为10m，标尺光栅与指示光栅的夹角为0.1度，计算摩尔条文的宽度。当标尺移动50m时，摩尔条纹移动多少距离？ 一增量式光电脉冲编码器输出两路方波信号u1、u2， u1、u2相位差为/2，试设计辩向电路（原理图），并画出辩向电路的输出与u1、u2的对应关系波形图。,2019/9/28,53,结束,