數(shù)字式傳感器

1、第十章第十章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器光光 柵柵1.2第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器10.110.2編編 碼碼 器器10.3頻率式傳感器頻率式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器:能把被測（模擬）量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器數(shù)字式傳感器具有下列特點(diǎn)：1.具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；2.抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；3.信號易于處理、傳送和自動控制；4.便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；5.安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的傳感器。感應(yīng)同步器是一種多極感應(yīng)元

2、件，由于多極結(jié)構(gòu)對誤差起補(bǔ)償作用，所以用感應(yīng)同步器來測量位移具有精度高、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、接長便利等優(yōu)點(diǎn)。第一節(jié)第一節(jié) 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器結(jié)構(gòu)組成第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器一、感應(yīng)同步器的工作原理一、感應(yīng)同步器的工作原理定尺中的感應(yīng)電勢隨滑尺的相對移動呈周期性變化；定尺的感應(yīng)電勢是感應(yīng)同步器相對位置的正弦函數(shù)。若在滑尺的正弦與余弦繞組上分別加上正弦電壓usUssint和ucUcsint，則定尺上的感應(yīng)電勢es和ec可用下式表達(dá)： 其中：K耦合系數(shù)； 與位移x等值的電角度，2xW第第10章章

3、 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器對于不同的感應(yīng)同步器，若滑尺繞組激磁，其輸出信號的處理方式有:1.鑒相法 2.鑒幅法 3.脈沖調(diào)寬法三種。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器所謂鑒相法就是根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來測量位移。采用鑒相法，須在感應(yīng)同步器滑尺的正弦和余弦繞組上分別加頻率和幅值相同，但相位差為V2的正弦激磁電壓，即usUmsint和ucUmcost。鑒相法鑒相法 根據(jù)式（102），當(dāng)余弦繞組單獨(dú)激磁時，感應(yīng)電勢為 同樣，當(dāng)正弦繞組單獨(dú)激磁時，感應(yīng)電勢為 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 正、余弦繞組同時激磁時，根據(jù)疊加原理，總感應(yīng)電勢為 由上式可知，

4、感應(yīng)電勢的幅值為 KUmsin（），調(diào)整激磁電壓值，使2xW2，則定尺上輸出的總感應(yīng)電勢為零。激磁電壓的中值反映了感應(yīng)同步器定尺與滑尺的相對位置。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器鑒幅法就是根據(jù)感應(yīng)電勢的幅值來測量位移根據(jù)疊加原理，感應(yīng)電勢為 鑒幅法鑒幅法 由上式 感應(yīng)電勢的幅值為KUmsin（），調(diào)整激磁電壓值，使2xW2，則定尺上輸出的總感應(yīng)電勢為零。激磁電壓的中值反映了感應(yīng)同步器定尺與滑尺的相對位置。 式（106）是鑒幅法的基本方程。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器當(dāng)用感應(yīng)同步器來測量位移時，與鑒幅

5、法相類似，可以調(diào)整激磁脈沖寬度值，用跟蹤。當(dāng)用感應(yīng)同步器來定位時，則可用中來表征定位距離，作為位置指令，使滑尺移動來改變，直到，即e0時停止移動，以達(dá)到定位的目的。脈沖調(diào)寬法則在滑尺的正弦和余弦繞組上分別加周期性方波電壓,可認(rèn)為感應(yīng)電勢為脈沖調(diào)寬法脈沖調(diào)寬法第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器二、數(shù)字測量系統(tǒng)二、數(shù)字測量系統(tǒng)鑒相法測量系統(tǒng)鑒相法測量系統(tǒng)圖109為鑒相法測量系統(tǒng)的原理框圖。它的作用是通過感應(yīng)同步器將代表位移量的電相位變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。鑒相法測量系統(tǒng)通常由位移相位轉(zhuǎn)換，模一數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)顯示三部分組成。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器位

6、移相位轉(zhuǎn)換的功能是通過感應(yīng)同步器將位移量轉(zhuǎn)換為電的相位移。模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要功能是將代表位移量（定尺輸出電壓的相位）的變化再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。鑒相器是一個相位比較裝置，其輸人來自經(jīng)放大、濾波、整形后的輸出信號e，以及相對相位基準(zhǔn)輸出信號o。相對相位基準(zhǔn)（脈沖移相器）實(shí)際上是一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、它是把加。減脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為電的相位變化。模數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是鑒相器。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 由以上分析可見鑒相法測量系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)工作時，相位差小于一個脈沖當(dāng)量。若將計(jì)數(shù)器置0，則所在位置為“相對零點(diǎn)”。假定以此為基準(zhǔn)，滑尺向正方向移動，的相位發(fā)生變化，與之間出現(xiàn)相位差，通過鑒相器檢出相位差，并

7、輸出反映滯后于的高電平。該兩輸出信號控制脈沖移相器，使礦產(chǎn)生相移，趨近于。當(dāng)?shù)竭_(dá)新的平衡點(diǎn)時，相位跟蹤即停止，這時。在這個相位跟蹤過程中，插人到脈沖移相器的脈沖數(shù)也就是計(jì)數(shù)脈沖門的輸出脈沖數(shù)，再將此脈沖數(shù)送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并顯示，即得滑尺的位移量。另外，不足一個脈沖當(dāng)量的剩余相位差，還可以通過模擬儀表顯示。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器鑒幅法測量系統(tǒng)鑒幅法測量系統(tǒng)此系統(tǒng)的作用是通過感應(yīng)同步器將代表位移量的電壓幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器三、感應(yīng)同步器的接長使用三、感應(yīng)同步器的接長使用感應(yīng)同步器可用于大量程的線位移和角位移的靜

8、態(tài)和動態(tài)測量。在數(shù)控機(jī)床、加工中心及某些專用測試儀器中常用它作為測量元件。與光柵傳感器相比，它抗干擾能力強(qiáng)，對環(huán)境要求低，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，接長方便。目前在測長時誤差約為1m/250mm，測角時誤差約為0.5”。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光器件。按工作原理，有物理光柵和計(jì)量光柵之分，前者的刻線比后者細(xì)密。物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象，通常用于光譜分析和光波長測定等方面；計(jì)量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，它被廣泛應(yīng)用于位移的精密測量與控制中。按應(yīng)用需要，計(jì)量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，而且根據(jù)用途不同，可制成用于測量線位移

9、的長光柵和測量位移的圓光柵。第二節(jié)第二節(jié) 光光 柵柵 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換為了進(jìn)行莫爾條紋讀數(shù)，在光路系統(tǒng)中除了主光柵與指示光柵外，還必須有光源、聚光鏡和光電元件等。圖1013為一透射式光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖。主光柵與指示光柵之間保持有一定的間隙。光源發(fā)出的光通過聚光鏡后成為平行光照射光柵，光電元件（如硅光電池）把透過光柵的光轉(zhuǎn)換成電信號。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器當(dāng)兩塊光柵相對移動時，光電元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動而變化。如圖1014所示，在a位置，兩塊光柵刻線重疊，透過的光最多，光強(qiáng)最大；在位置c，光被遮去一

10、半，光強(qiáng)減?。辉谖恢胐，光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。光柵繼續(xù)右移；在位置e，光又重新透過，光強(qiáng)增大。在理想狀態(tài)時，光強(qiáng)的變化與位移成線性關(guān)系。但在實(shí)際應(yīng)用中兩光柵之間必須有間隙，透過的光線有一定的發(fā)散，達(dá)不到最亮和全黑的狀態(tài)；再加上光柵的幾何形狀誤差，刻線的圖形誤差及光電元件的參數(shù)影響，所以輸出波形是一近似的正弦曲線， 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器數(shù)字轉(zhuǎn)換原理數(shù)字轉(zhuǎn)換原理1 1辨向原理辨向原理 光柵的位移變成莫爾條紋的移動后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換就成電信號輸出。但在一點(diǎn)觀察時，無論主光柵向左或向右移動，莫爾條紋均作明暗交替變化。若只有一條莫爾條紋的信號

11、，則只能用于計(jì)數(shù)，無法辨別光柵的移動方向。為了能辨向，尚需提供另一路莫爾條紋信號，并使兩信號的相位差為/2。通常采用在相隔14條紋間距的位置上安放兩個光電元件來實(shí)現(xiàn)， 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 2 2電子細(xì)分電子細(xì)分高精度的測量通常要求長度精確到10.lm，若以光柵的柵距作計(jì)量單位，則只能計(jì)到整數(shù)條紋。例如，最小讀數(shù)值為0.lm，則要求每毫米刻一萬條線。就目前的工藝水平有相當(dāng)?shù)碾y度。所以，在選取合適的光柵柵距的基礎(chǔ)上，對柵距細(xì)分，即可得到所需要的最小讀數(shù)值，提高“分辨”能力。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器四倍頻細(xì)分在上述“辨向原理”的基礎(chǔ)上若將u2方波信號也進(jìn)行微分，再用

12、適當(dāng)?shù)碾娐诽幚?，則可以在一個柵距內(nèi)得到二個計(jì)數(shù)脈沖輸出，這就是二倍頻細(xì)分。如果將辨向原理中相隔B4的兩個光電元件的輸出信號反相，就可以得到4個依次相位差為/2的信號，即在一個柵距內(nèi)得到四個計(jì)數(shù)脈沖信號，實(shí)現(xiàn)所謂四倍頻細(xì)分。在上述兩個光電元件的基礎(chǔ)上再增加兩個光電元件，每兩個光電元件間隔14條紋間距，同樣可實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。這種細(xì)分法的缺點(diǎn)是由于光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不可能高，但它對莫爾條紋信號的波形沒有嚴(yán)格要求，電路簡單，是一種常用的細(xì)分技術(shù)第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器電橋細(xì)分電橋細(xì)分第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器用電橋細(xì)分法可以達(dá)到較高的精度，細(xì)分?jǐn)?shù)一般為1260，但對莫爾

13、條紋信號的波形幅值，直流電平及原始信號Umsin與人Umcos的正交性均有嚴(yán)格要求。而且電路較復(fù)雜，對電位器、過零比較器等元器件均有較高的要求。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器如前所述，計(jì)量光柵測量位移最終是依靠數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完成的，實(shí)質(zhì)上是由計(jì)數(shù)器對莫爾條紋計(jì)數(shù)。使用中，為了克服斷電時計(jì)數(shù)值無法保留，重新供電后，測量系統(tǒng)不能正常工作的弊病，可以用機(jī)械等方法設(shè)置絕對零位點(diǎn)，但精度較低，安裝使用均不方便。目前通常采用在光柵的測量范圍內(nèi)設(shè)置一個固定的絕對零位參考標(biāo)志的方法零位光柵，它使光柵成為一個準(zhǔn)絕對測量系統(tǒng)。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器編碼

14、器以其高精度。高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測量。編碼器按結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器之分。由于旋轉(zhuǎn)式光電編碼器是用于角位移測量的最有效和最直接的數(shù)字式傳感器，并已有各種系列產(chǎn)品可供選用，故本節(jié)著重討論旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。第三節(jié)第三節(jié) 編碼器編碼器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器旋轉(zhuǎn)式編碼器有兩種增量編碼器和絕對編碼器增量編碼器與前三節(jié)討論的幾種數(shù)字式傳感器有類似之處。它的輸出是一系列脈沖，需要一個計(jì)數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)。 最簡單的一種絕對編碼器是接觸式編碼器 絕對編碼器二進(jìn)制輸出的每一位都必須有一個獨(dú)立的碼道。一個編碼器的碼道數(shù)目決定了該編碼器的分辨力。 第第10章章

15、 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 從編碼技術(shù)上分析，造成錯碼的原因是從一個碼變?yōu)榱硪粋€碼時存在著幾位碼需要同時改變。若每次只有一位碼改變，就不會產(chǎn)生錯碼，例如格雷碼（循環(huán)碼）。格雷碼的兩個相鄰數(shù)的碼變化只有一位碼是不同的（見表101）。從格雷碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件來完成。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器旋轉(zhuǎn)式光電編碼器旋轉(zhuǎn)式光電編碼器接觸式編碼器的實(shí)際應(yīng)用受到電刷的限制。目前應(yīng)用最廣的是利用光電轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的非接觸式光電編碼器。由于其精度高，可靠性好，性能穩(wěn)定，體積小和使用方便，在自動測量和自動控制

16、技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前大多數(shù)關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人都用它作為角度傳感器。國內(nèi)已有16位絕對編碼器和每轉(zhuǎn)10000脈沖數(shù)輸出的小型增量編碼器產(chǎn)品，并形成各種系列。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器1.絕對編碼器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器光電編碼器的碼盤通常是一塊光學(xué)玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的圖形。它們相當(dāng)于接觸式編碼器碼盤上的導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，如圖1020所示。編碼器光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤上，并與位于碼盤另一面成徑向排列的光敏元件相耦合。碼盤上的碼道數(shù)就是該碼盤的數(shù)碼位數(shù)，對應(yīng)每一碼道有一個光敏元件。當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換輸出

17、相應(yīng)的電平信號。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器2.增量編碼器增量編碼器，其碼盤要比絕對編碼器碼盤簡單得多，一般只需三條碼道。這里的碼道實(shí)際上已不具有絕對碼盤碼道的意義。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器與絕對編碼器類似，增量編碼器的精度主要取決于碼盤本身的精度。用于光電絕對編碼器的技術(shù)，大部分也適用于光電增量編碼器。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器4.光電增量編碼器的應(yīng)用（1）典型產(chǎn)品應(yīng)用介紹 圖1024所示為LEC型 小型光電增量編碼器的 外形圖。每轉(zhuǎn)輸出脈沖 數(shù)為205000，最大允 許轉(zhuǎn)速為5000rmin。第第10章章 數(shù)字式傳

18、感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器（2）測量轉(zhuǎn)速 增量編碼器除直接用于測量相對角位移外，常用來測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡單的方法就是在給定的時間間隔內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它所測量的是平均轉(zhuǎn)速。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器（3）測量線位移 在某些場合，用旋轉(zhuǎn)式光電增量編碼器來測量線位是一種有效的方法。這時，須利用一套機(jī)械裝置把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測量系統(tǒng)的精度將主要取決于機(jī)械裝置的精度 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器圖1027（a）表示通過絲桿將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導(dǎo)程為

19、6mm的絲桿，可達(dá)到4m的分辨力。為了提高精度，可采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機(jī)構(gòu)。圖（b）是用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說，這種系統(tǒng)的精度較低。圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動和摩擦傳動來實(shí)現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于需要進(jìn)行長距離位移測量及某些環(huán)境條件惡劣的場所。 無論用哪一種方法來實(shí)現(xiàn)線位移角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時，編碼器的零位基準(zhǔn)已失去作用。為計(jì)數(shù)系統(tǒng)所必須的基準(zhǔn)零位，可由附加的裝置來提供。如用機(jī)械、光電等方法來實(shí)現(xiàn)。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器測量電路測量電路實(shí)際中，目前都將光敏元件輸出信號的放

20、大整形等電路與傳感檢測元件封裝在一起，所以只要加上計(jì)數(shù)與細(xì)分電路（統(tǒng)稱測量電路）就可組成一個位移測量系統(tǒng)。從這點(diǎn)看，這也是編碼器的一個突出優(yōu)點(diǎn)。 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器1計(jì)數(shù)電路第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器四倍頻細(xì)分電路原理圖如圖1029（a）所示。輸出x1與x2信號作為計(jì)數(shù)器雙時鐘輸人信號。按電路圖可得如下邏輯表達(dá)式： 2細(xì)分電路 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 Q1、Q2、Q3和 Q4分別與S1、S2和相對應(yīng)。當(dāng)正向轉(zhuǎn)動時，S1信號超前S2相位/2。電路各點(diǎn)的波形如圖1029（b）

21、所示，與門輸出Y1、Y2、Y3和Y4的脈沖寬度僅為S1或S2信號脈沖寬度的一半，相位差為/2。單穩(wěn)電路輸出Q1、Q2、Q3和 Q4的脈沖寬度應(yīng)盡可能窄，至少要小于S1信號最小脈沖寬度的12，但同時要滿足與Y1、Y2、Y3和Y4相“與”的要求。由圖1029可知，在S1信號的一個周期內(nèi)，得到了四個加計(jì)數(shù)脈沖輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了四倍頻的加計(jì)數(shù)。由于光柵與光電增量編碼器的輸出基本相同，上述測量電路同樣可用作光柵測量電路。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器順便指出，按照旋轉(zhuǎn)式編碼器的工作原理，如把碼盤拉直成碼尺，就可構(gòu)成直接進(jìn)行線位移測量的直線式光電編碼器。而且根據(jù)碼尺的取材不同（透光或反光），它還可

22、分成透光式和反光式兩種結(jié)構(gòu)形式 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器在前幾節(jié)介紹的四種測量位移的數(shù)字式傳感器中，除了絕對編碼器能將位移量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量外，其余幾種都是將位移量轉(zhuǎn)換成一系列計(jì)數(shù)脈沖，再由計(jì)數(shù)系統(tǒng)所計(jì)的脈沖個數(shù)來反映被測量的值。本節(jié)介紹的數(shù)字式傳感器，其輸出雖然也是一系列脈沖，但與被測量對應(yīng)的是脈沖的頻率。這種能把被測量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)且便于處理的頻率輸出的傳感器，即為頻率式傳感器。前述用增量編碼器作轉(zhuǎn)速測量時，其編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率，這實(shí)際上就是一種頻率式傳感器。 第四節(jié)第四節(jié) 頻率式傳感器頻率式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器一、一、RCRC頻率

23、式傳感器頻率式傳感器利用熱敏電阻把溫度變化轉(zhuǎn)換成頻率信號的方法是RC頻率式傳感器的一例。熱敏電阻作為RC振蕩器的一部分。基本電路如圖1030所示。RC振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器二、石英晶體頻率式傳感器二、石英晶體頻率式傳感器利用石英晶體的諧振特性，可以組成石英晶體頻率式傳感器。石英晶體本身有其固有的振動頻率，當(dāng)強(qiáng)迫振動頻率與它的固有振動頻率相同時，就會產(chǎn)生諧振。如果石英晶體諧振器作為振蕩器或?yàn)V波器時，往往要求它有較高的溫度穩(wěn)定性；而當(dāng)石英晶體用作溫度測量時，則要求它有大的頻率溫度系數(shù)。因此，它的切割方向（切型）不同于用

24、作振蕩器或?yàn)V波器的石英晶體。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 當(dāng)溫度在80250范圍時， 石英晶體的溫度與頻率的關(guān)系可表示 為 （1018） 式中 f0t0時的固有頻率； a，b，c頻率溫度系數(shù)。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 可以選擇一特定切型的石英晶體，使得式（1018）中的系數(shù)b和c趨于零。這樣切型的晶體具有良好的線性頻溫系數(shù)，其非線性僅相當(dāng)于103數(shù)量級的溫度變化。晶體的固有諧振頻率取決于晶體切片的面積和厚度。在石英晶體頻率式溫度傳感器中，根據(jù)溫度每變化1度振蕩頻率變化若干赫茲的要求，以及晶體的頻溫系數(shù)，可確定振蕩電路的基頻。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10

25、章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器三、彈性振體頻率式傳感器三、彈性振體頻率式傳感器管、弦、鐘、鼓等樂器利用諧振原理而可奏樂，這早已為人們所熟知。而把振弦、振筒、振梁和振膜等彈性振體的諧振特性成功地用于傳感器技術(shù)，這卻是近幾十年的事。彈性振體頻率式傳感器就是應(yīng)用振弦、振筒、振梁和振膜等彈性振體的固有振動頻率（自振諧振頻率）來測量有關(guān)參數(shù)的。 只要被測量與其中某一物理參數(shù)有相應(yīng)的變化關(guān)系，我們就可通過測量振弦、振筒、振梁和振膜等彈性振體固有振動頻率來達(dá)到測量被測參數(shù)的目的。這種傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是性能十分穩(wěn)定 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 1 1振弦式頻率傳感器振弦式頻率傳感器 傳感器的敏感元

26、件是一根被預(yù)先拉緊的金屬絲弦1。它被置于激振器所產(chǎn)生的磁場里，兩端均固定在傳感器受力部件3的兩個支架2上且平行于受力部件。當(dāng)堂力部件3受到外載荷后，將產(chǎn)生微小的撓曲，致使支架2產(chǎn)生相對傾角，從而松弛或拉緊了振弦，振弦的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，使振弦的振動頻率相應(yīng)地變化。振弦的自振頻率f0取決于它的長度l、材料密度和內(nèi)應(yīng)力，可用下式表示： 第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器圖 1033所示為某一振弦式傳感器的輸出輸人特性。由圖可知，為了得到線性的輸出，可在該曲線中選取近似直線的一段。當(dāng)在1至2之間變化時，鋼弦的振動頻率為10002000Hz或更高一些，其非線性誤

27、差小于l。為了使 傳感器有一定的初始 頻率，對鋼弦要預(yù)加 一定的初始內(nèi)應(yīng)力0。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器圖1035所示為差動振弦式力傳感器。它在圓形彈性膜片7的上下兩側(cè)安裝了兩根長度相等的振弦1、5，它們被固定在支座2上，并在安裝時加上一定的預(yù)緊力。在沒有外力作用時，上、下兩根振弦所受的張力相同，振動頻率亦相同，兩頻率信號經(jīng)混頻器12混頻后的差頻信號為零。當(dāng)有外力垂直作用于柱體4時，彈性膜片向下彎曲。上側(cè)振弦5的張力減小，振動頻率減低；下側(cè)振弦1的張力增大，振動頻率增高?；祛l器輸出兩振弦振動頻率之差頻信號，其頻率隨著作用力的增大而增高。第第10

28、章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器圖中兩根振弦應(yīng)相互垂直，這樣可以使作用力不垂直時所產(chǎn)生的測量誤差減小。因?yàn)閭?cè)向作用力在壓力膜片四周所產(chǎn)生的應(yīng)力近似是均勻的，上、下兩根振弦所受的張力是相同的，根據(jù)差動工作原理，它們所產(chǎn)生的頻率變化被互相抵消。因此，傳感器對于側(cè)向作用是不敏感的。在圖1035的基礎(chǔ)上，還可利用高強(qiáng)度厚壁空心鋼管作受力元件，把3根、6根或更多根振弦均等分布置于管壁的鉆孔中，用特殊的夾緊機(jī)構(gòu)把振弦張緊固定，構(gòu)成多弦式力傳感器。第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器第第10章章 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器圖1036所示為振弦式流體壓力傳感器c振弦的材料為鎢絲，其一端垂直固定在受壓板上，另一端固定在支架上。當(dāng)流體進(jìn)人傳感器后，受壓板發(fā)生微