《現(xiàn)代檢測技術(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)的電平信號分別代表二元碼“1”和“0”。通過光電轉(zhuǎn)換，碼盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成成一組相應(yīng)的n位二元碼。二、碼制與碼盤二進制碼盤 圖6-1-2（a）循環(huán)碼盤 圖6-1-2（b）輸出數(shù)碼 C1C2Cn(二進制碼)R1R2Rn（循環(huán)碼）第1(最內(nèi)圈)碼道分21個黑白間隔, 對應(yīng)C1分21個黑白間隔, 對應(yīng)R1第2碼道分22個黑白間隔，對應(yīng)C2分21個黑白間隔，對應(yīng)R2第i碼道分2i個黑白間隔 ，對應(yīng)Ci分2i-1個黑白間隔，對應(yīng)Ri相鄰碼道分界線第i道黑白分界線與i+1道黑白分界線對齊第i道黑白分界線與第i+1道黑白分界線錯開180/2i優(yōu)缺點缺點：產(chǎn)生粗誤差（圖6-1-3）優(yōu)點：不產(chǎn)生粗誤差分辨率結(jié)論：直接編碼器多采用循環(huán)碼盤三、轉(zhuǎn)換關(guān)系和轉(zhuǎn)換電路1、轉(zhuǎn)角與二進碼轉(zhuǎn)換 2、二進碼與循環(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 三個碼道：1零位碼道A1條透個狹縫 2增量碼道Bm個透光不透光扇區(qū) 3辨向碼道 Cm個透光不透光扇區(qū) （B、C全錯開半個扇區(qū)）光電元件三個與三個碼道對應(yīng)2工作原理碼盤每轉(zhuǎn)一周：光電元件A產(chǎn)生一個脈沖 光電元件B產(chǎn)生m個脈沖 光電元件C產(chǎn)生m個脈沖 相位差90二、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角的測量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計數(shù)器 加計數(shù) 減計數(shù)2凈轉(zhuǎn)角測量分辨率 凈轉(zhuǎn)角與計數(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 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。莫爾條紋之間距遠大于光柵柵距W2、莫爾條紋的主要特性：(1) 移動方向： 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) 移動距離：主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距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 主光柵移動一個柵距W，光電轉(zhuǎn)換電壓變化一個周期 6.2.2光柵辨向原理與細分技術(shù)一、辨向原理 在條紋移動方向(y方向)上安放兩個間距為 (n+1)H/4(n為整數(shù))的光電元件，兩個光電元件的輸出信號u1和u2的相位差正好等于/2。再將這兩個相位差90的正弦信號送到圖6-1-8所示辨向電路，就可測量出光柵的移動方向和移動的柵距數(shù)。 二、細分技術(shù)m細分即分辨率W/m在主光柵移動一個柵距過程中，產(chǎn)生m個彼此相位差360/m的正弦交流信號m個ui波形依次產(chǎn)生m個過零脈沖，于是，與光柵位移x對應(yīng)的過零脈沖計數(shù)值即位移的數(shù)字測量結(jié)果為： 1、 直接細分直接細分又稱位置細分，通常為四細分。是用四個依次相距H/4的光電元件，獲得依次相差90相角的四個正弦交流信號。主光柵每移動一個柵距，將產(chǎn)生四個過零計數(shù)脈沖，從而實現(xiàn)四細分。2、電位器橋(電阻鏈)細分 1）電位器移相原理 圖6-2-4 若，則2）48點電位器橋細分電路 圖6-2-5將位置細分得到的四個相位差90的輸出信號Umcos、Umsin，-Umcos、-Umsin加到圖6-2-5所示電位器橋細分電路，使圖中第i個電位器電刷兩邊電阻比值為： 就可從這48個電位器的電刷端得到48個相位差360/48的信號，這樣就達到了48細分的目的。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)磁性好的金屬細弦激振器（電磁鐵）激勵振弦橫向振動拾振器振弦振動時產(chǎn)生感應(yīng)電壓2、感應(yīng)電壓頻率=振弦橫向振動頻率f 為振弦橫向剛度系數(shù) 3、應(yīng)用：測力F，應(yīng)力，位移等參數(shù)二、差動式振弦傳感器 圖6-3-2單根振弦差動振弦F產(chǎn)生的相對頻率偏移非線性誤差結(jié)論；采用差動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、測量電路要測量弦的振動頻率，必須用激勵線圈和電磁鐵激勵金屬細弦振動，用繞在永久磁鋼上的拾振線圈檢測因金屬弦振動產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。目前有兩種激勵振弦振動的方式1、間歇激勵方式 圖6-3-2、連續(xù)激勵方式（）電流激勵式 圖6-3-4(a) 振弦中有電流流過（）電磁激勵式 圖6-3-4(b) 振弦中無電流流過附機電類比法分析振弦的電流激勵電路圖6-4-3（a）振弦電流i使振弦在磁場中受力，該力使振弦中點在磁場中橫向振動，振弦在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢： 振動速度 ，振動位移x 因為 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= ， 為振弦振動加速度令振弦慣性力 所以 兩邊同除以得 令： 所以 因為 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壓力引入振動筒內(nèi)壁時，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頻率隨之改變。 二、振筒式密度傳感器空振筒振動頻率f0與振筒內(nèi)充滿質(zhì)量為m的流體時的振動頻率fx之比為：設(shè)振筒長度為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膜片剛度變化，從而使膜片振動頻率發(fā)生改變。二、振梁式傳感器1、 組成結(jié)構(gòu) 圖6-3-10 兩個振動系統(tǒng)2、工作原理 當力F使彈性圓環(huán)受壓時，振梁被拉伸使張力增加，固有振動頻率增高，但振桿的張力沒有變化，故其振動頻率也沒有變化。它的作用只是起溫度補償作用。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石英晶體承