頻率式和數(shù)字式傳感器

頻率式和數(shù)字式傳感器第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.1振弦式頻率傳感器

5.1.1振弦式頻率傳感器的結(jié)構(gòu)原理振弦式傳感器是以被拉緊了的細弦作為敏感元件，

其結(jié)構(gòu)如圖5－1所示。

當一根工作長度為l，

工作段質(zhì)量為m的細弦，

一端固定，另一端施加一個初始張力F時，

弦的橫向振動的固有頻率f可由下式計算：

（5-1）

式（5-1）說明，當m、l不變，張力F變化ΔF時，弦的自振頻率也有一個變化Δf。這里的ΔF是由壓力p經(jīng)膜盒產(chǎn)生的，測出這個頻率變化，便可得壓力p。根據(jù)力與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，

通過測量弦的自振頻率也可以測量應(yīng)力與應(yīng)變。

第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-1振弦式傳感器原理及間歇激勵方式圖（a）

自激式；

（b）

他激式；

（c）

激勵與輸出波形

第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.1.2頻率測量方案1.激勵方式1）間歇激勵方式振弦的間歇激勵有自激式和他激式兩種方式。（1）

圖5-1（a）為自激式：

在弦的兩側(cè)放一永久磁鐵，

工作時，

弦中通以脈沖電流，

脈沖電流受磁場作用使弦起振。

起振后，

弦作為導(dǎo)體在磁場中運動，

感應(yīng)出交變電動勢，

通過測量感應(yīng)電動勢的頻率，

即為振弦的自由振動頻率。

第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（2）圖5-1（b）為他激式：在弦的兩側(cè)分別放一個激勵線圈和測量線圈。激勵線圈繞在軟磁鐵上，測量線圈繞在永久磁鐵上，弦上固定一個軟鐵塊。給激勵線圈通以脈沖電流，振弦便被吸放一次，開始起振。振弦在振動中引起測量線圈磁路的交替變化，線圈中便感應(yīng)出交變電動勢，感應(yīng)電動勢的頻率就等于振弦的自由振動頻率。若振弦為鐵磁材料，則可省去軟鐵塊。對于深井井下壓力的測量，

一般采用間歇振蕩電路，

可使連線最少。如圖5-1（c）所示，

其輸出波形是一個衰減振蕩，

但頻率不變，因此可通過頻率測量得到被測非電量的數(shù)值。

第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四2）連續(xù)激勵方式如圖5-2所示，

振弦接在放大器的正反饋回路中，

起著選頻元件的作用。

因振弦在其固有頻率下具有尖銳的阻抗特性，

所以電路只能在振弦的固有頻率上才能滿足振蕩條件。電阻R1、R2和場效應(yīng)管VD1組成負反饋電路，

自動控制起振條件和振幅，

而由R4、R5及VD2和C組成的電路控制場效應(yīng)管的柵極電壓，

自動穩(wěn)定輸出信號幅度，

并為起振創(chuàng)造條件。

當電路不振蕩時，輸出信號為零，

場效應(yīng)管處于偏壓狀態(tài)，漏源間電阻較小，負反饋較弱，有利于起振。

振蕩時，輸出信號經(jīng)VD2整流，電容C濾波，R4、R5分壓，得到一個與輸出信號幅度成正比的負電壓，使場效應(yīng)管漏源間電阻增大，

負反饋加強。

輸出信號越大，負反饋越強，

更能達到穩(wěn)定輸出信號幅度的作用。

第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-2連續(xù)激勵方式電路

第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.測量電路頻率的測量常用兩種方法，一是直讀法，即將傳感器的輸出電動勢經(jīng)放大、整形后送計數(shù)器顯示其頻率值，或者用數(shù)字頻率計測量；二是比較法，即將傳感器輸出電動勢的頻率與標準振蕩器發(fā)出的頻率相比較，

當兩者頻率相等時，標準振蕩器所指頻率值就為被測頻率值。

常用的比較方法有用示波器顯示的李沙育圖形法、

用單機指示的諧振法及用檢零指示器測量的差頻法等。

第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.2數(shù)

字

編

碼

器

5.2.1數(shù)字式編碼器的輸出形式1.絕對式編碼器絕對式編碼器是按位移量直接進行編碼的轉(zhuǎn)換器，

其精度達1%。它的結(jié)構(gòu)和原理可分為接觸式、

光電式和電磁式。

絕對式編碼器將被測點的絕對位置轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字編碼輸出，

即便中途斷電，

重新上電后也能讀出當前位置的數(shù)據(jù)。

顯然，

若要求的分辨力越高、

量程越大，二進制的數(shù)位就越多，

結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜。

第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.增量式編碼器增量式編碼器測量輸出的是當前狀態(tài)與前一狀態(tài)的差值，

即增量值。

它通常是以脈沖數(shù)字形式輸出，

然后用計數(shù)器計取脈沖數(shù)。

因此它需要規(guī)定一個脈沖當量，

即一個脈沖所代表的被測物理量的值，

同時它還要確定一個零位標志，

即測量的起始點標志。

這樣，

被測量就等于當量值乘以自零位標志開始的計數(shù)值，

其分辨力即為脈沖當量值。

例如，

用增量式光電編碼器或光柵測量直線位移，

若當量值為0.01mm，

計數(shù)值為200時，

則位移為2.00mm，

分辨力為0.01mm。

增量式測量的缺點是：

一旦中途斷電，

將無法得知運動部件的絕對位置。

第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.2.2數(shù)字式編碼器的工作原理1.接觸式碼盤圖5-3（a）為一個四位接觸式碼盤。

涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，

輸出為“1”，空白部分為不導(dǎo)電區(qū)，輸出為“0”。

所有導(dǎo)電部分連在一起，接高電位。

圖示碼盤共有四圈碼道，在每圈碼道上都有一個電刷，電刷經(jīng)電阻接地。

當碼盤與被測物轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷上出現(xiàn)的電位對應(yīng)一定的數(shù)碼。若有n條碼道，

則角度分辨率為

（5-2）

第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-3碼盤式轉(zhuǎn)角-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)示意圖（a）

接觸式8421碼盤；

（b）

接觸式格雷碼盤；（c)光電式角編碼器

第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.光電式碼盤光電式碼盤亦稱脈沖式角度—數(shù)字編碼器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-3（c）所示。在一個圓盤上按碼道開有相等角距的縫隙，在碼道上分為透明區(qū)和不透明區(qū)，分別代表“1”和“0”，相當于接觸式碼盤的導(dǎo)電區(qū)和不導(dǎo)電區(qū)。在開縫圓盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，相當于接觸式碼盤的電源和電刷。其測量方法與接觸式碼盤相似。光電式碼盤的優(yōu)點是無觸點磨損，

因而允許高轉(zhuǎn)速；

每條縫隙寬度可做得很小，

所以精度和分辨率很高，

單個碼盤可做到18位，組合碼盤達22位。

其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、

價格昂貴、

光源壽命短。

第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

3.電磁式碼盤它是在導(dǎo)磁體(軟鐵)圓盤上用腐蝕的方法做成一定的編碼圖形，

把碼道分為導(dǎo)磁區(qū)和非導(dǎo)磁區(qū)，

再用一個很小的馬蹄形磁芯作磁頭，

上面繞兩組繞組，

一次繞組用正弦電流激勵，

二次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

顯然各磁頭感應(yīng)電動勢與被測物體轉(zhuǎn)動的角度相對應(yīng)。

第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.3感

應(yīng)

同

步

器

5.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類1.直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺，

都由圖中的基板、

絕緣層和繞組構(gòu)成，

繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，

如圖5-4所示。

定尺安裝在靜止的機械設(shè)備上，與導(dǎo)軌母線平行；

滑尺安裝在活動的機械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙。

滑尺相對定尺而移動。

第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-4直線式感應(yīng)同步器外形

第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四直線式感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其他鋼材做成。這些鋼材的線膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同步器的床身的線膨脹系數(shù)相近，以減小溫度誤差。在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組，

繞組的材料為銅。

考慮到接長的要求和安裝的方便，

將定尺繞組做成連續(xù)式，

由一連串線圈串聯(lián)而成；

而將滑尺繞組做成分段式，

并分別為正弦繞組（S繞組）和余弦繞組（C繞組），

它們在空間位置上錯開而形成90°相位差，

如圖5-5所示。

第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-5定尺和滑尺繞組結(jié)構(gòu)（a）

定尺繞組；

（b）

滑尺繞組

第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.直線式感應(yīng)同步器的種類根據(jù)不同的運行方式、精度要求、測量范圍、安裝條件等，直線式感應(yīng)同步器可設(shè)計成各種不同的尺寸、形狀和種類。（1）標準型：標準型直線感應(yīng)同步器精度高，應(yīng)用最普遍，每根定尺長250mm。如果測量長度超過175mm時，可將幾根定尺接起來使用，甚至可連接長達十幾米，但必須保持安裝平整，否則極易損壞。（2）

窄型：

窄型直線同步感應(yīng)器中定尺、

滑尺長度與標準型相同，

僅是定尺寬度為標準型的一半。

用于安裝尺寸受限制的設(shè)備，

精度稍低于標準型。

第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（3）帶型：定尺的基板改用鋼帶，滑尺做成滑標式，直接套在定尺上。安裝表面不用加工。使用時只需將鋼帶兩頭固定即可。（4）

三重型：

在一根定尺上有粗、

中、

精三種繞組，

以便構(gòu)成絕對坐標系統(tǒng)。

第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.3.2感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器利用定尺和滑尺的兩個平面印刷電路繞組的互感隨其相對位置變化的原理，

將位移轉(zhuǎn)換為電信號。

感應(yīng)同步器工作時，

定尺和滑尺相互平行、

相對放置，

它們之間保持一定的氣隙（0.25±0.005）mm，

定尺固定，

滑尺可動。

當滑尺的S和C繞組分別通過一定的正、

余弦電壓激勵時，

定尺繞組中就會有感應(yīng)電勢產(chǎn)生，

其值是定、

滑尺相對位置的函數(shù)。

第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四如圖5-6所示，

先考慮對S繞組單獨勵磁，

滑尺處在A點的位置時，

滑尺S繞組與定尺某一繞組重合，

定尺感應(yīng)電動勢值最大；

當滑尺向右移動W/4距離到達B點的位置時，

定尺感應(yīng)電動勢為零；

當滑尺移過W/2至C點位置時，

定尺感應(yīng)電動勢為負的最大值；

當移過3W/4至D點的位置時，

定尺感應(yīng)電動勢又為零，

其感應(yīng)電動勢如圖5-6中曲線1所示。

同理，

余弦繞組單獨勵磁時，

定尺感應(yīng)電動勢變化如曲線2所示。

定尺上產(chǎn)生的總的感應(yīng)電動勢是正弦、

余弦繞組分別勵磁時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢之和。

第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-6感應(yīng)電動勢與兩相繞組相對位置的關(guān)系

第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.3.3感應(yīng)同步器的信號處理方式1.鑒相型給滑尺的S和C繞組以等頻、等幅、相位差為90°的電壓分別激磁，就可根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量。若定尺節(jié)距為W（標準為2mm），機械位移x引起的電相角變化為，其總感應(yīng)電動勢e與兩尺的相對位移x關(guān)系為（5-3）

第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.鑒幅型如果給滑尺的正、余弦繞組以同頻、

同相但不等幅的電壓激磁時，

則可根據(jù)感應(yīng)電勢的幅值來鑒別位移量，稱為鑒幅型。

正、余弦同時激磁時的總感應(yīng)電勢為

（5-4）

式中，φ為給定電角度；位移;感應(yīng)電勢的幅值為kωUmcos(φ-θ)，即幅值與x有關(guān)。第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.4磁

柵

傳

感

器5.4.1磁柵的結(jié)構(gòu)磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、

磁頭和檢測電路組成。

磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基，

在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，

然后錄上一定波長的磁信號而制成的。

磁信號的波長（周期）又稱節(jié)距，

用W表示。

磁信號的極性是首尾相接，

在N、N重疊處為正的最強，

在S、S重疊處為負的最強。

磁尺的斷面和磁化圖形如圖5-7所示。

第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-7磁柵傳感器示意圖

第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.4.2磁柵的工作原理這里以靜態(tài)磁頭為例，簡要說明磁柵傳感器的工作原理。

靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)如圖5-7所示，它有兩組繞組N1和N2。其中，N1為勵磁繞組，N2為感應(yīng)輸出繞組。在勵磁繞組中通入交變的勵磁電流，一般頻率為5kHz或25kHz，

幅值約為200mA。

勵磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較?。┰诿恐芷趦?nèi)發(fā)生兩次磁飽和。磁飽和時磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。只有在勵磁電流每周兩次過零時，可飽和磁芯才能導(dǎo)磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e?？梢姼袘?yīng)電動勢的頻率為勵磁電流頻率的兩倍，而e的包絡(luò)線反映了磁頭與磁尺的位置關(guān)系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁通的大小成正比。

第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.5光

柵

傳

感

器5.5.1光柵的類型與結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用的光柵有透射光柵和反射光柵，按其工作原理可分為黑白光柵（幅射光柵）和相位光柵（炫耀光柵）；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。如圖5-8所示，

黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學(xué)玻璃上，

均勻地刻上許多明暗相間，

寬度相同的透光線，

稱為柵線。

設(shè)柵線寬為a，

線間縫寬為b，

a+b=W稱為光柵節(jié)距(柵距)。

通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9；

目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250線。

使用時，長光柵裝在運動部件上，

稱為標尺光柵;短光柵裝在固定部件上，稱為指示光柵。

第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-8黑白透射光柵示意圖（a）

標尺光柵；

（b）

指示光柵

第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.5.2莫爾條紋的形成原理與特點1.莫爾條紋的形成原理按照光學(xué)原理，對于柵距遠大于光波長的粗光柵，可以利用幾何光學(xué)的遮光原理來解釋莫爾條紋的形成。如圖5-9所示，

當兩個有相同柵距的光柵合在一起，

其柵線之間傾斜一個很小的夾角θ，于是在近乎垂直于柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。

例如在h-h線上，

兩個光柵的柵線彼此重合，從縫隙中通過光的一半，

透光面積最大，形成條紋的亮帶；在g-g線上，

兩光柵的柵線彼此錯開，

形成條紋的暗帶；

當a=b=W/2時，

g-g線上是全黑的。

第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-9莫爾條紋原理（a）

莫爾條紋的形成；

（b）

莫爾條紋的寬度

第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.莫爾條紋的寬度橫向莫爾條紋的寬度B與柵距W和傾斜角θ之間的關(guān)系，

可由圖5-9（b）求出（當θ角很小時）：

（5-5）

第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四3.莫爾條紋的特點式（5-5）說明莫爾條紋具有以下特點：（1）對位移的光學(xué)放大作用：即把極細微的柵線放大為很寬的條紋，便于測試。例如θ=10′，則，若W=0.01mm,則B=3.34mm。（2）連續(xù)變倍的作用：其放大倍數(shù)可通過使θ角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細的莫爾條紋。第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（3）對光柵刻線的誤差均衡作用：光柵的刻線誤差是不可避免的。由于莫爾條紋是由大量柵線共同組成的，光電元件感受的光通量是其視場覆蓋的所有光柵光通量的總和，具有對光柵的刻線誤差的平均效應(yīng)，從而能消除短周期的誤差。例如對50線/mm的光柵（W=0.02mm），用5mm×5mm的光電池接收，光電池視場內(nèi)覆蓋250條柵線。若每條刻線誤差為δ0=±0.001mm，則平均誤差。第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

4.莫爾條紋的移動方向當主光柵沿柵線垂直方向移動時，

莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動。

莫爾條紋移動時的方向和光柵夾角的關(guān)系見表5-1。

第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四表5-1莫爾條紋和光柵移動方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系

第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

5.莫爾條紋測量位移的原理光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個間距B。通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強隨莫爾條紋的移動而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號和一交流信號的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示，如圖5-10所示。只要測量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動數(shù)）就可知道光柵的位移量x，其數(shù)學(xué)表達式為x=N·W第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-10光電元件輸出與光柵位移的關(guān)系第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.6容

柵

傳

感

器

5.6.1容柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，容柵傳感器可分為三類，

即直線型容柵傳感器、圓型容柵傳感器和圓筒型容柵傳感器。

其中，

直線型和圓筒型容柵傳感器用于直線位移的測量，

圓型容柵傳感器用于角位移的測量，

圖5-11為直線型容柵傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。

第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四圖5-11直線型容柵傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖（a）定尺、動尺上的電極；（b）定尺、動尺的位置關(guān)系；（c）

發(fā)射電極和反射電極的相互關(guān)系

第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四當動尺向右移動距離x時，發(fā)射電極與反射電極間的相對面積發(fā)生變化，反射電極上的電荷量發(fā)生變化，并將電荷感應(yīng)到接收電極上，則在接收電極上累積的電荷Q為Q=Csin(ωt+θx)（5-7）

式中，C為電荷系數(shù)；ω為激勵信號頻率；θx為由位移x引起的相位角。相位角θx為（5-8）

式中，W為發(fā)射極節(jié)距。

第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.6.2容柵傳感器的測量電路

圖5-12容柵傳感器的測量電路框圖

第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.6.3容柵傳感器的特點（1）線性好：可優(yōu)于0.01%，從而可制出高精度的測量系統(tǒng)。例如當分辨率為1μm時，精度可達5μm/525mm。（2）結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，便于微型化且價格低，特別適用于小型量儀、量具。（3）易于屏蔽：有時單獨利用電極布置就可對外界電場干擾進行屏蔽，且不受磁場影響。

（4）

能耗?。涸诔Ｓ脺y量信號頻率范圍（約10kHz～1MHz）內(nèi)可小至幾微瓦。

這一優(yōu)點十分重要，使得采用電容傳感器的儀表能采用微型高能電池供電，

而附帶的好處是使電路系統(tǒng)得以免除電源干擾。

第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.7球同步器（球柵）

5.7.1球同步器的特點1.球同步器的優(yōu)點（1）采用全密封型結(jié)構(gòu)：球同步器的高精度鋼球和線圈均被完全密封，可以在水中或油中工作。因此球同步器特別適用于水下機械和一些必須浸在水中進行加工的材料的加工機械。（2）

尺體為金屬結(jié)構(gòu)、保護良好：不受冷卻水、冷卻液、

金屬粉末或塵土等影響而污損。

第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（3）殼體剛性強、密封好：當使用噴氣槍清理機床時，直接噴射到球同步器上也不會被損壞。（4）溫度特性好：基準鋼球的線脹系數(shù)與鋼鐵的相同，對車間溫度的變化不敏感。（5）抗干擾能力強：能在強磁場和強幅射條件下工作，可用于原子反應(yīng)堆。（6）

安裝方便：

球同步器采用組裝式結(jié)構(gòu)，

安裝方便。

第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四

2.球同步器的技術(shù)指標Newall公司作為商品出售的球同步器組裝尺的型號是J型，與之相配的球同步器數(shù)顯表是DIGLPAC5型，組成測量系統(tǒng)后所能達到的技術(shù)指標如下：（1）標準長度：3500mm。（2）最大長度：6858mm。（3）最高測量速度：120m/min。（4）

分辨率：0.005mm、0.01mm。

第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四（5）準確度A：±(0.005+0.01L)mm（其中，L為量程，單位為m）。由此可得不同量程L時的準確度A為L＝102mm時，A＝±0.006mm。L＝1000mm時，A＝±0.015mm。L=1524mm時，A＝±0.020mm。L＝4064mm時，A＝±0.046mm。L＝4318mm時，A＝±0.048mm。L＝6858mm時，A＝±0.074mm。第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期四5.7.2球同步器的外形和結(jié)構(gòu)1.球同步器組裝尺的外形和結(jié)構(gòu)球同步器組裝尺的外形和結(jié)構(gòu)如圖5-13所