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第13章數(shù)字式傳感器將被測模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出的傳感器。測量精度和分辨率更高抗干擾能力強,穩(wěn)定性好測量范圍大易于與計算機接口實現(xiàn)智能化便于傳輸、存儲和信號處理電路便于集成化優(yōu)點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2/6/20233二進制碼、循環(huán)碼、十進制碼、六十進制碼、四位二進制碼,格雷碼。2.碼制padehiml編碼器每個碼道有一個光電元件,光電元件受光照為“0”,不受光照為“1”;轉(zhuǎn)動碼盤,轉(zhuǎn)角α即可轉(zhuǎn)換成幾位二元碼。2/6/202351)四位二進制碼盤:最內(nèi)圈碼道為第一碼道,半圈透亮,半圈不透亮。對應最高位C4

最外圈為第n碼道,共分成2n個亮暗間隔,對應最低位C1,最小分辨率為α=360°/2n編碼器padehiml2/6/20236當狹縫對準a,b,c,…p位置時,得到的數(shù)碼將是0000,0001,0010,…1111編碼器padehiml碼盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)換出的二進制碼C1,C2……Cn的關(guān)系2/6/202372/6/202392/6/2023102)二進制碼的缺點: 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)個黑白間隔,如i=2,則等于2;i=3,則等于4;i=4,則等于8個間隔,第i碼道的黑白分界線與第i-1碼道的黑折分界線錯開360°/2i(i≥2)循環(huán)碼是無權(quán)碼。循環(huán)碼轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時,編碼中只有一位發(fā)生變化。編碼器2/6/202313當狹縫對準a,b,c,…p位置時,得到的數(shù)碼將是:0000,0001,0011,0010…1000。編碼器2/6/202314十進制0123456789101112131415二進制C0000000100100011010001010110011110001001101110111100110111101111循環(huán)碼R00000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110003.二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換編碼器2/6/202315由二進制碼轉(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。重復上述過程,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)換電路的工作過程為:將JK觸發(fā)器RD復0,Q=0,Rn加到J、K,再加CP脈沖,則Q=Cn=Rn;設Q端為Ci+1,J、k端加Ri;當Ri=“1”,則加CP后,Q=i+1,當Ri=“0”,則加CP后,Q=Ci+1,重復上述步驟,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。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個透光和不透光的扇區(qū)但彼此錯開900/m增量編碼器的分辨率:碼盤每轉(zhuǎn)一周,兩個光電元件上將產(chǎn)生m個增量碼和m個辨向脈沖。編碼器2/6/202322θ增量編碼器原理演示順時針旋轉(zhuǎn)式超前2/6/202323θ2/6/2023252/6/202326增量式光電編碼器型號軸徑輸出信號脈沖數(shù)PIEφ5φ6φ8φ10實心軸ABZ10203040506090100120125150240256300320360400500512600720750800900100010161024108012001250127015001600180020002048216024002500360040965000720080008192PIE3φ8φ10實心軸ABZPZFPIFφ15φ12實心軸ABZPID5×6空心槽ABZPIMφ6實心軸ABZPHEφ8φ10半空心軸ABZPIS4φ171:10錐度空心軸ABZPKT66φ15~φ30空心軸ABPKT78φ20空心軸AB2/6/202327計量光柵技術(shù)的基礎是莫爾條紋,1874年由英國物理學家首先提出這種圖案的工程價值,直到20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。2/6/202329光柵2/6/202330在指示光柵和標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將主光柵與指示相對疊合在一起,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:(1)移動方向:指示光柵不動,主光柵向右移動,莫爾條紋向下 若主光柵左移,則莫爾條紋向上移動,指示光柵相對于主光柵形成一個順時針方向夾角(2)移動距離:主光柵沿柵線垂直方向移動一個光柵柵距W時,莫爾條紋正好移動一個間距B。很小時:B>>W時,莫爾條紋具有放大作用(3)平均效應: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實際波形可近似描述為:2/6/2023342/6/202335光柵尺技術(shù)參數(shù)機械電氣特性準確度±2μm,±3μm,±5μm分辨力5μm(正弦波),0.1μm,0.2μm,0.5μm,1μm(電子細分,最高到50倍)測量長度70……1020mm(每50mm一檔),1140……1840mm(每100mm一檔),2040……3040mm(每100mm一檔)測量速度60M/分鐘2/6/202336辨向原理光電元件光柵122/6/202337細分技術(shù)(1)—直接細分在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi),發(fā)出若干個脈沖,以減小脈沖當量,如一個周期內(nèi)發(fā)出n脈沖,即可使測量精度提高n倍,而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(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位置上安裝兩個光電元件,得到兩個相位相差π/2的電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依此相差π/2的信號,從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖,實現(xiàn)四倍頻細分。2/6/202338細分技術(shù)(2)—電位器橋細分令若可得到k個彼此相差的正弦信號2/6/202339細分技術(shù)(2)—電位器橋細分2/6/2023402/6/2023412/6/202342頻率式傳感器能直接將被測量轉(zhuǎn)換為振動頻率信號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,金屬絲質(zhì)量為m,弦長為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-振弦的長度增量E-彈性模量σ-F/S,振弦的應力頻率式傳感器2/6/2023452.差動式振弦傳感器—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:非線性誤差,即→δ解決辦法—差動式膜片下弦上弦f1f2頻率式傳感器2/6/202347當被測參數(shù)作用在彈性膜片上時,上、下弦產(chǎn)生大小相等、方向相反的張力增量。此時,可見,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

當給石英晶體的電極施加交變激勵電壓時,晶體會產(chǎn)生機械振動,而當振動時,兩極又會產(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,加強原來的交變電壓,維持振動。1.工作原理逆壓電效應:當給石英晶體的電極施加交變激勵電壓時,晶體會產(chǎn)生機械振動。頻率式傳感器2/6/2023492.石英晶體的諧振當強迫振動頻率等于它的固有頻率時,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d、ρ為常數(shù)時,f=g(E66)當石英振蕩器承受靜態(tài)壓力時,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-80℃<t<250℃,頻率與溫度的關(guān)系:f0—t=0時的固有頻率當b,c→0:f=f0(1+at)呈線性頻率式傳感器2/6/202351作

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