傳感器與檢測技術 第十一章 數(shù)字傳感器

傳感器與檢測技術第十一章數(shù)字傳感器第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、透射式計量光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理計量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵(動尺和滑尺)。它們是在一塊長條形光學玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線，如下圖所示。常用的光柵每毫米有10、25、50、100和250條線。主光柵的刻線一般比指示光柵長。若劃線寬度為a縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距W為W＝a+b。通常取a=b＝W/2。

光柵與莫爾條紋示意圖主光柵指示光柵指示光柵移動方向莫爾條紋若將兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個很小的角度θ，如右圖所示。由于遮光效應，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋。第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日(1)莫爾條紋（Moire）條紋寬度：W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b，a=b=W/2

特例：當=0,w1=w2

→B=→光閘莫爾條紋當=0,w1≠w2

→縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日莫爾條紋特性：方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時→與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距一方向?qū)糯笮裕簥A角θ很小→B>>W→光學放大→提高靈敏度可調(diào)性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準確性：大量刻線→誤差平均效應→克服個別/局部誤差→提高精度(2)光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理按運動形式分：直線型---主光柵為直尺形→直線移動旋轉(zhuǎn)型---主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運動按光學形式分：透射式---光源與光電元件在兩側(cè)→透射光反射式---光源與光電元件同一側(cè)→反射光第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日如果改變θ角，兩條莫爾條紋問的距離B也隨之變化。由下圖可知，條紋間距B與柵距W和夾角θ有如下關系：當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個W，莫爾條紋也移動一個間距B。θ越小，B越大，θ當小于1°以后，可使B>>W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應關系，就可以容易地測量莫爾條紋移動數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、光柵式傳感器的測量電路第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日1．光電轉(zhuǎn)換主光柵和指示光柵作相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如右圖(a)所示。當兩塊光柵作相對移動時，光敏元件上的光強隨莫爾條紋移動而變化。在a處兩光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大；c處由于光被遮去一半，光強減小；d處的光全被遮去的成全黑，光強為零；若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強又逐漸增大，因而形成了如上圖(b)所示的輸出波形。光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述：式中U0—輸出信號的直流分量；

Um—輸出信號的交流信號幅值；

x—光柵的相對位移量。第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日2．辨向原理為了辨別主光柵是向左還是向右移動，可在相隔1/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，這兩只光敏元件輸出信號U1、U2的相位差將為π/2，可以根據(jù)它們超前/滯后的關系判別出指示光柵的移動方向，如下圖所示。兩種信號經(jīng)整形后得到方波U1/和U2/。U2/作為門控信號同U1/的微分信號一起輸入到與門Y1、同U1/倒相后的微分信號一起輸入到與門Y2。光柵右移時，U2/超前U1/，則先于U1/的微分信號打開了Y1，可從Y1得到向右移動脈沖輸出（Y1稱為右移動脈沖輸出端）；而U1/倒相后的微分信號到達Y2時Y2已關閉，則Y2（左移動脈沖輸出端）沒有輸出，反之亦然。這樣就實現(xiàn)了動光柵左右移動的方向辨別和移動脈沖的輸出。第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日3．細分原理如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；倘若要讀出位移為0.1μm，勢必要求每毫米到線1萬條，這是目前工藝水平無法實現(xiàn)的。如果采用柵距細分技術可以獲得更高的測量精度。常用的細分方法有直接倍頻細分法、電橋細分法等。這里僅以四倍頻細分為例介紹直接倍頻細分法。在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下圖(a)所示，得到相位分別相差π/2四個正弦周期信號。用適當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖(b)所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了1/4個莫爾條紋寬度。用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細分法。若再增加光敏元件，同理可以進一步地提高測量分辨率。第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日應用

數(shù)控機床位置反饋第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日長光柵---直線位移；圓光柵---角位移

構(gòu)成：主光柵---標尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日工作臺絲杠編碼器步進電機第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日三、光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日2編碼器編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類：

脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。而碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼(后面將詳細說明)。這兩種形式的數(shù)字傳感器，由于它們具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被廣泛應用于各種位移量的測量。目前，使用最多的是光電編碼器，本節(jié)將重點予以介紹。碼盤式編碼器也稱為絕對編碼器，它將角度或直線坐標轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機)聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日一、接觸式碼盤編碼器1．結(jié)構(gòu)與工作原理接觸式碼盤編碼器由碼盤和電刷組成，適用于角位移測量。碼盤利用制造印刷電路板的工藝，在銅箔板上制作某種碼制(如8-4-2-1碼、循環(huán)碼等)圖形的盤式印刷電路板。電刷是一種活動觸頭結(jié)構(gòu)，在外界力的作用下，旋轉(zhuǎn)碼盤時，電刷與碼盤接觸處就產(chǎn)生某種碼制的數(shù)字編碼輸出。下面以四位二進制碼盤為例，說明其工作原理和結(jié)構(gòu)。涂黑處為導電區(qū)，將所有導電區(qū)連接到高電位(“1”)；空白處為絕緣區(qū)，為低電位(“0”)。四個電刷沿著某一徑向安裝，四位二進制碼盤上有四圈碼道，每個碼道有一個電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當碼盤轉(zhuǎn)動其一角度后，電刷就輸出一個數(shù)碼；碼盤轉(zhuǎn)動一周，電刷就輸出16種不同的四位二進制數(shù)碼。由此可知，二進制碼盤所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度為α＝360/2n，若n＝4，則α＝22.5°。位數(shù)越多，可分辨的角度越小，若取n＝8，則α＝1.4°。當然，可分辨的角度越小，對碼盤和電刷的制作和安裝要求越嚴格。當n多到一定位數(shù)后（一般為n＞8），這種接觸式碼盤將難以制作。第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日8-4-2-1碼制的碼盤，由電刷安裝不可能絕對精確必然存在機械偏差，這種機械偏差會產(chǎn)生非單值誤差。例如，由二進制碼0111過渡到1000時（電刷從h區(qū)過渡到i區(qū)），即由7變?yōu)?時，如果電刷進出導電區(qū)的先后可能是不一致的，此時就會出現(xiàn)8～15間的某個數(shù)字。這就是所謂的非單值誤差。2．消除非單值誤差的辦法⑴采用循環(huán)碼(格雷碼)采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。其編碼如前表所示。循環(huán)碼的特點是任意一個半徑徑線上只可能一個碼道上會有數(shù)碼的改變，這一持點就可以避免制造或安裝不精確而帶來的非單值誤差。循環(huán)碼盤結(jié)構(gòu)如下圖(b)所示。由循環(huán)碼的特點可知，即使制作和安裝不準，產(chǎn)生的誤差最多也只是最低位的一個比特。因此采用循環(huán)碼盤比采用8-4-2-1碼盤的準確性和可靠性要高的多。第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日⑵掃描法掃描法有V掃描、U掃描以及M掃措三種。它是在最低值碼道上安裝一電刷，其他位碼道上均安裝兩個電刷：一個電刷位于被測位置的前邊，稱為超前電刷；另一個放在被測位置的后邊，稱為滯后電刷。若最低位碼道有效位的增量寬度為x，則各位電刷對應的距離依次為1x、2x、4x、8x等。這樣在每個確定的位置上，最低位電刷輸出電平反映了它真正的位值，由于高電位有兩只電刷，就會輸出兩種電平，根據(jù)電刷分布和編碼變化規(guī)律，可以讀出真正反映該位置的高位二進制碼對應的電平值。當?shù)鸵患壌a道上電刷真正輸出的是“1”的時候，高一級碼道上的真正輸出必須從滯后電刷讀出；若低一級碼道上電刷真正輸出的是“0”，高一級碼道上的真正輸出則要從超前電刷讀出。由于最低位軌道上只有一個電刷，它的輸出則代表真正的位置，這種方法就是V掃描法。第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日當某一個二進制碼的第i位是1時，該二進制碼的第i+1位和前一個數(shù)碼的i+1位狀態(tài)是一樣的，故該數(shù)碼的第i+1位的真正輸出要從滯后電刷讀出。相反，當某個二進制碼的第i位是0時，該數(shù)碼的第i+1位的輸出要從超前電刷讀出。讀者可以從表上的數(shù)碼來證實。這種方法的原理是根據(jù)二進制碼的特點設計的。由于8-4-2-1碼制的二進制碼是從最低位向高位逐級進位的，最低位變化最快，高位逐漸減慢。第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、光電式編碼器接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。1．光電式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理光電編碼器的最大特點是非接觸式的。因此，它的使用壽命長，可靠性高。它是一種絕對編碼器，幾位編碼器的碼盤上就有幾個碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可以輸出一個固定的與位置相對的數(shù)字碼。這一點，與接觸式碼盤編碼器是一樣的。不同的是光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕工藝，在一塊圓形光學玻璃上刻有透光和不透光的碼形。在幾個碼道上，裝有相同個數(shù)的光電轉(zhuǎn)換元件代替接觸式編碼器的電刷，并將接觸式碼盤上的高、低電位用光源代替。當光源經(jīng)光學系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上時，光經(jīng)過碼盤的透光和不透光區(qū)，脈沖光照射在碼盤的另一側(cè)的光電元件上，這些光電元件就輸出與碼盤上的碼形（碼盤的絕對位置）相對應的（開關/高低電平）電信號。光電編碼器與接觸式碼盤編碼器一樣，可以采用循環(huán)碼或V掃描法來解決非單值誤差的問題。直線坐標編碼示意圖第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日2．用插值法提高分辨率為了提高測量的精度和分辨率，常規(guī)的方法就是增加碼盤的碼道數(shù)，即增加刻線數(shù)。但是，由于制造工藝的限制，當刻度數(shù)多到一定數(shù)量后，就難以實現(xiàn)了。在這樣的情況下，可以采用一種用光學分解技術(插值法)來進一步提高分辨率。例如，若碼盤已具有14條(位)碼道，在14位的碼道上增加1條專用附加碼道，見下圖所示。附加碼道的的扇形區(qū)的形狀和光學的幾何結(jié)構(gòu)與前14位有所差異，且使之與光學分解器的多個光敏元件相配合，產(chǎn)生較為理想的正弦彼輸出。附加碼道輸出的正弦或余弦信號，在插值器中按不同的系數(shù)疊加在一起，形成多個相移不同的正弦信號輸出。各正弦波信弓再經(jīng)過零比較器轉(zhuǎn)換為一系列脈沖，從而細分了附加碼道的光電元件輸出的正弦信號。于是產(chǎn)生了附加的低位的幾位有效數(shù)值。下圖所示的19位光電編碼器的插值器產(chǎn)生16個正弦波信號。每兩個正弦信號之間的相位差為π/8，從而在14位編碼器的最低有效數(shù)值間隔內(nèi)插入了32個精確等分點，即相當于附加5位二進制數(shù)的輸出，使編碼器的分辨率從2-14提高到2-19，角位移小于3秒。第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日ABC011011010010000001001000ABABABABCCCC高電平區(qū)低電平區(qū)ABC111111110110100101101100ABABABABCCCC第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日三、光電編碼傳感器應用舉例—鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計鋼帶式光電編碼數(shù)字液位計是目前油田浮頂式儲油罐液位測量普遍應用的一種測量設備。在量程超過20m的應用環(huán)境中，液位測量分辨率仍可達到1mm，可以滿足計量的精度要求。這種測量設備主要由編碼鋼帶、讀碼器、卷帶盤、定滑輪、牽引鋼帶用的細鋼絲繩及伺服系統(tǒng)等構(gòu)成。編碼鋼帶的一端（最大量程讀數(shù)的一端）系在牽引鋼帶用的細鋼絲繩上，細鋼絲繩繞過罐頂?shù)亩ɑ喯翟诖蠊薜母№斏?，編碼鋼帶的另一端繞過大罐底部的定滑輪纏繞在卷帶盤上。當大罐液位下降時，細鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力增大，卷帶盤在伺服系統(tǒng)的控制下放出盤內(nèi)的編碼鋼帶；當大罐液位上升時，細鋼絲繩和編碼鋼帶中的張力減小，卷帶盤在伺服系統(tǒng)的控制下將編碼鋼帶收入卷帶盤內(nèi)。讀碼器可隨時讀出編碼鋼帶上反應液位位置的編碼經(jīng)處理后進行就地顯示或以串行碼的形式發(fā)送給其它設備。第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日編碼鋼帶如下圖所示。如果最低碼位（最低碼道數(shù)據(jù)寬度）為1m（透光和不透光的部分各為1m），則需要15個碼道，即最高碼位（最高碼道數(shù)據(jù)寬度）為16384mm（16.384m），編碼鋼帶的最大有效長度可達32.768m。這樣的編碼鋼帶的加工工藝的難度較大，強度也較低，使用起來也不方便。因此有必要采用插值細分技術以減少碼道數(shù)量，增加最低碼道的數(shù)據(jù)寬度。如果將最低碼道的數(shù)據(jù)寬度增加到5mm，次最低碼道的數(shù)據(jù)寬度將為1cm，在最低碼道上應用插值細分技術也可以獲得1m的分辨率。這樣一來，在量程為20m的條件下，碼道數(shù)量將減少到12個。

編碼鋼帶示意圖第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日插值細分示意圖如下圖6所示。采用這種辦法可以將原來的2種可能的不同狀態(tài)，細分成10種可能的不同狀態(tài)。將這種細分方式應用到最低位碼道上，就可以把5mm的數(shù)據(jù)寬度細分成1mm。譯碼方式既可以用實現(xiàn)也可以利用單片機由軟件實現(xiàn)。edcba000000000100011001110111111111edcba111111111011100110001000000000五倍頻插值細分示意圖第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日四、脈沖盤式數(shù)字傳感器脈沖盤式編碼器又稱為增量編碼器。增量編碼器一般只有三個碼道，它不能直接產(chǎn)生幾位編碼輸出，故它不具有絕對碼盤碼的含義，這是脈沖盤式編碼器與絕對編碼器的不同之處。1．增量編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理增量編碼器的圓盤上等角距地開有兩道縫隙，內(nèi)外圈(A、B)的相鄰兩縫錯開半條縫寬；另外在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外），開有一狹縫，表示碼盤的零位。在它們相對的兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件，如下圖所示。當轉(zhuǎn)動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙每轉(zhuǎn)過一周就將有多少個相差90°的兩相（A、B兩路）脈沖脈沖和一個零位(C相)脈沖輸出。增量編碼器的精度和分辨率與絕對編碼器一樣，主要取決于碼盤本身的精度。第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日2．旋轉(zhuǎn)方向的判別為了辨別碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可以采用下圖所示的電路利用A、B兩相脈沖來實現(xiàn)。光電元件A、B輸出情號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生P1和P2脈沖。將它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，由于A、B兩相脈沖(P1和P2)脈沖相差90°，D觸發(fā)器FF在CP脈沖(P2)的上升沿觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時P1脈沖超前P2脈沖，F(xiàn)F的Q＝“1”表示正轉(zhuǎn)；當反轉(zhuǎn)時，P2超前P1脈沖，F(xiàn)F的Q＝“0”表示反轉(zhuǎn)?？梢杂肣作為控制可逆計數(shù)器是正向還是反問計數(shù)，即可將光電脈沖變成編碼輸出。C相脈沖接至計數(shù)器的復值端，實現(xiàn)每碼盤轉(zhuǎn)動一圈復位一次計數(shù)器的目的。碼盤無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的增量，故這種測量稱為增量法。除了光電式的增量編碼器外，目前相繼開發(fā)了光纖增量傳感器和霍爾效應式增量傳感器等，它們部得到廣泛的應用。第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日4.3感應同步器感應同步器時20世紀60年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。按其用途可分為兩大類：①測量直線位移的線位移感應同步器；②測量角位移的圓盤感應同步器。一、感應同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理感應同步器是應用電磁感應定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)是兩個平面形的矩形線圈，它們相當于變壓器的初、次級繞組，通過兩個繞組間的互感量隨位置變化來檢測位移量的。第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.感應同步器結(jié)構(gòu)二、感應同步器sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日

1.感應同步器的結(jié)構(gòu)定尺和滑尺的基板由與被測物體熱膨脹系數(shù)相似的鋼板做成、鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用照相腐蝕的辦法做成印制繞組。感應同步器定尺和滑尺繞組的節(jié)距相等，均為２τ，這是衡量感應同步器精度的主要參數(shù)，工藝上要保證其節(jié)距的精度。感應同步器是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕奈恢脵z測元件。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可分為：旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。

第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日1．載流線圈所產(chǎn)生的磁場矩形載流線圈中通過直流電流I時的磁場分布示意圖如左下圖所示，線圈內(nèi)外的磁場方向相反。如果線圈中通過的電流為交流電流i(i=Isinωt)，并使一個與該線圈平行的閉合的探測線圈貼近這個載流線圈從左至右(或從右至左)移過，如右下圖所示。在(a)、(c)兩圖所示的情況下，通過閉合探測線圈的磁通量和恒為零，所以在探測線圈內(nèi)感應出來的電動勢為零；在(b)圖所示的情況下，通過閉合探測線圈的（交變）磁通量最大，所以在探測線圈內(nèi)感應出來的交流電壓也最大。載流線圈所產(chǎn)生的磁場載流線圈所產(chǎn)生的磁場I第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日2．直線式感應同步器的基本結(jié)構(gòu)直線式感應同步器的繞組結(jié)構(gòu)如下圖所示。它由定尺和滑尺兩部分組成。定尺和滑尺可利用印刷電路板的生產(chǎn)工藝，用覆銅板制成。滑尺上有兩個繞組，彼此相距π/2或3π/4。當定尺柵距為W2時，滑尺上的兩個繞組間的距離L1應滿足如下關系：L1=(n/2+1/4)W2。n=0時相差π/2，n=1時相差3π/4，n=2時相差5π/4。第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日3．直線式感應同步器的工作原理⑴定尺及滑尺中的電流關系模型如圖示滑尺線圈中流過電流I；

x=0的位置如圖（a）。WM0為x=0時的互感量。另一個與此相差90°的滑尺線圈（正弦）與定尺定尺與滑尺間的互感MS⑵定尺與滑尺間的互感余弦繞組與定尺間的互感MC，圖11-22第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日⑶滑尺對定尺(連續(xù)線圈)的激勵模型：(等幅激勵，調(diào)相式)滑尺正弦繞組的激勵滑尺余弦繞組的激勵Im：激勵的電流振幅。正弦繞組激勵的感生電勢余弦繞組激勵的感生電勢定尺中總電勢e調(diào)相第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日⑷定尺(連續(xù)線圈)對滑尺(斷續(xù)線圈)的激勵模型：(等幅激勵，調(diào)幅式)定尺(連續(xù)線圈)激勵正弦繞組中的感生電勢余弦繞組中的感生電勢可以辨別方向相當于平衡調(diào)幅合成電勢幅度調(diào)制第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日**單繞組正弦波激勵時定尺中的感應電勢第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日4．旋轉(zhuǎn)式感應同步器旋轉(zhuǎn)式感應同步器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，它們呈圓片形狀，用直線式感應同步器的制造工藝制作兩繞組，如下圖所示。定子、轉(zhuǎn)子分別相當于直線式感應同步器的之尺和滑尺。目前旋轉(zhuǎn)式感應同步器的直徑一般有50mm、76mm、178mm和302mm等幾種。徑向?qū)w數(shù)(極數(shù))有360、720和1080幾種。轉(zhuǎn)子是繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，通常采用導電環(huán)直接耦合輸出，或者通過耦合變壓器，將轉(zhuǎn)子初級感應電勢經(jīng)氣隙耦合到定于次級上輸出。旋轉(zhuǎn)式感應同步器在極數(shù)相同情況下，同步器的直徑越大，其精度越高。

第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日4.4頻率式數(shù)字傳感器頻率式數(shù)字傳感器是能直接將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之相對應的、便于處理的頻率信號。頻率式數(shù)字傳感器一般有兩種類型：(1)利用振蕩器的原理，將被測量的變化改變?yōu)檎袷幤鞯恼袷庮l率，常用振蕩器有RC蕩電路和石英晶體振蕩電路等。(2)利用機械振動系統(tǒng)，通過其固有振動頻率的變化來反映被測參數(shù)。下面列舉兩例說明頻率式數(shù)字傳感器的工作原理。一、RC振蕩器式頻率傳感器溫度—頻率傳感器就是RC振蕩器式頻率傳感器的一種。這里利用熱敏電阻RT測量溫度。RT作為RC振蕩器的一部分，該電路是由運算放大器和反饋網(wǎng)絡構(gòu)成一種RC文氏電橋正弦波發(fā)生器。當外界溫度T變化時．RT的阻值也隨之變化，RC振蕩器的頻率因此而改變。RC振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：其中RT與溫度T的關系為

式中：B為熱敏電阻的溫度系數(shù)。RT、R0分別為溫度T(K)利人T0(K)時的阻值。電阻R2、R3的作用是改善其線性特性，流過RT的電流盡可能小以防其自身發(fā)熱對溫度測量的影響。第四十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日二、彈性振動體頻率式傳感器任何彈性體都具有固有振動頻率，當外界的作用力（激勵）可以克服阻尼力時，它就可能產(chǎn)生振動，其振蕩頻率與彈性體的固有頻率、阻尼特性及激勵特性有關。若激勵力的頻率與彈性體的固有頻率相同、大小剛好可以補充阻尼的損耗時，該彈性體即可作等幅連續(xù)振蕩，振動頻率為其自身的固有頻率。彈性振動體頻率式傳感器就是利用這一原理來測量有關物理量的。彈性振動體頻率式傳感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式頻率傳感器為例，介紹彈性振動體頻率式傳感器的基本結(jié)構(gòu)及其激勵電路。振弦式傳感器測量應力的原理如下圖所示。振弦式傳感器包括振弦、激勵電磁鐵、夾緊裝置等三個主要部分。將一根細的金屬絲置于激勵電磁鐵所產(chǎn)生的磁場內(nèi)，振弦的一端固定、另一瑞與被測量物體的運動部分連接，并使振弦拉緊。作用于振弦上的張力就是傳感器的被測量振弦的張力為F時，其固有振動頻率可用下式表達：L—振弦的有效長度；ρ—振弦的線密度；A—弦的截面積，σ—弦的應力。第四十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日振弦的激振方式有連續(xù)激振和間歇激振兩種。連續(xù)激振方式如下圖(a)所示。連續(xù)激振使用了兩個電磁線圈，一個用于連續(xù)激勵，另一個用于接收振弦的振蕩信號。當振弦被激勵后，接收線圈1產(chǎn)生感應電勢，經(jīng)放大后，正反饋給激勵線圈2以維持振弦的連續(xù)振