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1、传感器第六章数字式传传感器第六章数字式传感器感器第1页，共62页，编辑于2022年，星期三 码盘式传感器利用码盘或码尺完成角度或位移的测码盘式传感器利用码盘或码尺完成角度或位移的测量。读取码盘有多种方式：如电触式、电容式、感应式、量。读取码盘有多种方式：如电触式、电容式、感应式、光电式等。光电式等。一、工作原理一、工作原理 光学码盘工作原理见下图。光学码盘工作原理见下图。光学码盘工作原理见下图。光学码盘工作原理见下图。6.1 6.1 码盘式传感器码盘式传感器第2页，共62页，编辑于2022年，星期三二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘二、码制与码盘 如图，是一个如图，是一个如图，是一个如
2、图，是一个6 6位二进制码盘。位二进制码盘。000000000000111000111000100110100110C1C1C6C6第3页，共62页，编辑于2022年，星期三（一）码盘读取的粗误差（一）码盘读取的粗误差（一）码盘读取的粗误差（一）码盘读取的粗误差 二进制是有权码，即不同二进制位代表的数值不同。二进制是有权码，即不同二进制位代表的数值不同。当高位出错时，会带来很大的误差。当读数头位于多个当高位出错时，会带来很大的误差。当读数头位于多个位交界的位置时，由于制造误差，可能读出多种不同的位交界的位置时，由于制造误差，可能读出多种不同的结果。结果。例如在例如在例如在例如在00000000
3、0000与与与与111111111111交接处时，交接处时，交接处时，交接处时，读数头可能读出读数头可能读出读数头可能读出读数头可能读出6 6位位位位二进制数的任何一种二进制数的任何一种二进制数的任何一种二进制数的任何一种组合。组合。组合。组合。xxxxxxxxxxxx2006.10.16 JC204-2006.10.16 JC204-第4页，共62页，编辑于2022年，星期三（二）（二）（二）（二）V型读数头消除粗误差型读数头消除粗误差型读数头消除粗误差型读数头消除粗误差 除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以消除除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以消除除了最低位外，其它位
4、都采用两个读数头读数，可以消除除了最低位外，其它位都采用两个读数头读数，可以消除粗误差。以码尺为例讨论，见下图。粗误差。以码尺为例讨论，见下图。粗误差。以码尺为例讨论，见下图。粗误差。以码尺为例讨论，见下图。读数规则如下：读数规则如下：读数规则如下：读数规则如下：1.1.读读读读C1C1码道；码道；2.读读读读C2码道，根据码道，根据码道，根据码道，根据C1C1的结果，的结果，的结果，的结果，C1=1C1=1，则读，则读，则读，则读B B，C1=0，则，则读读A A；3.3.读读读读CiCi码道，根据码道，根据码道，根据码道，根据Ci-1的结果，为的结果，为的结果，为的结果，为1，读，读，读，
5、读B，为，为，为，为0 0，读，读，读，读A A。C1C1C2C2C3C3C4C4A4A4B4B4A3A3B3B3A2A2B2B2第5页，共62页，编辑于2022年，星期三C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C1C1码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间A AB BB BA A第6页，共62页，编辑于2022年，星期三C1C1C2C2C3C3C
6、4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C1C1码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C1C1码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间C2C2码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间A AB BB BA A第7页，共62页，编辑于2022年，星期三C1C1C2C2C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C2C2码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数为码道读数为1 1时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C3C3码道
7、读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头B B可能在的区间可能在的区间C3C3B BA AA AB B第8页，共62页，编辑于2022年，星期三C1C1C2C2C4C4C1C1C2C2C3C3C4C4C2C2码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C2C2码道读数为码道读数为0 0时，时，读数头可能在的区间读数头可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间C3C3码道读数头码道读数头A A可能在的区间可能在的区间C3C3B BA AA AB B第9页，共62页，编辑于2022年，星期三（三）采用循环码消除
8、粗误差（三）采用循环码消除粗误差（三）采用循环码消除粗误差（三）采用循环码消除粗误差 循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一位循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一位循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一位循环码的特点是无权码，相邻的编码之间只有一位发生改变发生改变发生改变发生改变 。000-000 001-001 010-011 011-010 011-010 100-110 101-111 101-111 110-101 111-100000000000000000000R000000R000111000111000100R000100R第10页，共62页，编辑于2022年，星
9、期三6 6位二进制码码盘位二进制码码盘6 6位循环码码盘位循环码码盘位循环码码盘位循环码码盘第11页，共62页，编辑于2022年，星期三三、二进制码与循环码的转换三、二进制码与循环码的转换三、二进制码与循环码的转换三、二进制码与循环码的转换 由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最高由前面码盘和对照表可看出二进制码和循环码最高位相同。二进制码与循环码之间的转换关系为位相同。二进制码与循环码之间的转换关系为 实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，实现二进制码与循环码间的转换可以采用逻辑电路，也可
10、采用软件实现。也可采用软件实现。也可采用软件实现。也可采用软件实现。逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻逻辑电路实现转换可以采用组合逻辑电路或时序逻辑电路。辑电路。辑电路。辑电路。第12页，共62页，编辑于2022年，星期三 下面是实现二进制码转换为循环码的电路。下面是实现二进制码转换为循环码的电路。下面是实现二进制码转换为循环码的电路。下面是实现二进制码转换为循环码的电路。第13页，共62页，编辑于2022年，星期三 下面是实现循环码转换为二进制码的电路。下面是实现循环码转换为二进制码的电路。下面
11、是实现循环码转换为二进制码的电路。下面是实现循环码转换为二进制码的电路。第14页，共62页，编辑于2022年，星期三 循环码转换为二进制码循环码转换为二进制码循环码转换为二进制码循环码转换为二进制码C C源程序源程序源程序源程序uint32 GraytoDecimal(unsigned long Gray,uint32 GraytoDecimal(unsigned long Gray,unsigned char BitNum)unsigned char BitNum)unsigned char n;unsigned char n;for(n=0;(1 n)(1 (1 2006.10.20 JC
12、204-第35页，共62页，编辑于2022年，星期三1 12 23 34 45 511223344551 12 23 34 45 5第36页，共62页，编辑于2022年，星期三（二）电阻电桥细分法（二）电阻电桥细分法（二）电阻电桥细分法（二）电阻电桥细分法 如下图，同频率的两个正弦量相加后，输出仍为正如下图，同频率的两个正弦量相加后，输出仍为正弦量。弦量。第37页，共62页，编辑于2022年，星期三设设设设由上式知，通过改由上式知，通过改由上式知，通过改由上式知，通过改变变变变 的值可以的值可以的值可以的值可以获得各种相移的正获得各种相移的正获得各种相移的正获得各种相移的正弦信号。右图为一弦信
13、号。右图为一个个1010细分的例子。细分的例子。细分的例子。细分的例子。第38页，共62页，编辑于2022年，星期三（三）电阻链细分法（电阻分割法）（三）电阻链细分法（电阻分割法）（三）电阻链细分法（电阻分割法）（三）电阻链细分法（电阻分割法）该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。该方法实际上是另一种矢量和法。参见下图。第39页，共62页，编辑于2022年，星期三一、弦振动的固有频率一、弦振动的固有频率一、弦振动的固有频率一、弦振动的固有频率 振弦式传感器的原理见下图。振弦式传感器的原理见下图。6.3 6.3 振
14、弦式传感器振弦式传感器第40页，共62页，编辑于2022年，星期三振弦的固有频率振弦的固有频率振弦的固有频率振弦的固有频率 由下式决定。由下式决定。由下式决定。由下式决定。张力或有效长度决定了振弦的固有频率。利用振弦张力或有效长度决定了振弦的固有频率。利用振弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成，压力、力、的固有频率与其张力的函数关系，可以做成，压力、力、力矩等各种传感器。力矩等各种传感器。二、弦振动的激励方式二、弦振动的激励方式（一）连续激励法（一）连续激励法（一）连续激励法（一）连续激励法1.1.电流法电流法电流法电流法 电流流过振弦时，弦电流流过振弦时，弦电流流过振弦时，弦电流流过振弦
15、时，弦受到的力为受到的力为受到的力为受到的力为第41页，共62页，编辑于2022年，星期三力力力力 的一部分用于克服振动质量的一部分用于克服振动质量的一部分用于克服振动质量的一部分用于克服振动质量 的惯性，使之获得速的惯性，使之获得速的惯性，使之获得速的惯性，使之获得速度度度度当振弦以速度当振弦以速度当振弦以速度当振弦以速度 运动运动运动运动 时切割磁力线，产生感应电动势，为时切割磁力线，产生感应电动势，为时切割磁力线，产生感应电动势，为时切割磁力线，产生感应电动势，为从上式，可以看出在磁场中运动的振弦质量从上式，可以看出在磁场中运动的振弦质量从上式，可以看出在磁场中运动的振弦质量从上式，可以
16、看出在磁场中运动的振弦质量 的作用等效于的作用等效于的作用等效于的作用等效于一个电容，电容量为一个电容，电容量为一个电容，电容量为一个电容，电容量为第42页，共62页，编辑于2022年，星期三电磁力一方面使振弦获得速度，同时又要克服弹簧的反电磁力一方面使振弦获得速度，同时又要克服弹簧的反作用力作用力 。设时刻设时刻设时刻设时刻 时振弦偏离平衡位置为时振弦偏离平衡位置为时振弦偏离平衡位置为时振弦偏离平衡位置为 ，则其弹性反作用力为，则其弹性反作用力为，则其弹性反作用力为，则其弹性反作用力为 。由于由于由于由于则反电动势则反电动势则反电动势则反电动势有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其
17、作用又有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又有上式可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时其作用又相当于一电感。相当于一电感。相当于一电感。相当于一电感。第43页，共62页，编辑于2022年，星期三电感量为电感量为电感量为电感量为因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联因此，位于磁场中张紧弦的运动相当于一个并联LCLC电路，其电路，其振荡频率为振荡频率为而而而而 和和和和 ，可分别由下式求得，可分别由下式求得，可分别由下式求得，可分别由下式
18、求得于是于是于是于是第44页，共62页，编辑于2022年，星期三2.2.电磁法电磁法 如下图。此方法在振弦中无电流通过。如下图。此方法在振弦中无电流通过。如下图。此方法在振弦中无电流通过。如下图。此方法在振弦中无电流通过。第45页，共62页，编辑于2022年，星期三（二）间歇激励法（二）间歇激励法（二）间歇激励法（二）间歇激励法 如下图。如下图。如下图。如下图。第46页，共62页，编辑于2022年，星期三三、振弦传感器的灵敏度和线性度三、振弦传感器的灵敏度和线性度三、振弦传感器的灵敏度和线性度三、振弦传感器的灵敏度和线性度（一）灵敏度（一）灵敏度（一）灵敏度（一）灵敏度由于由于有有有有因为因为
19、第47页，共62页，编辑于2022年，星期三于是于是于是于是由上式得，振弦传感器的灵敏度由上式得，振弦传感器的灵敏度 考虑固有频率与张力的关系，固有频率与张力关系考虑固有频率与张力的关系，固有频率与张力关系曲线为抛物线。采用差动方式可以减少非线性误差。参曲线为抛物线。采用差动方式可以减少非线性误差。参见下面图。见下面图。设一根弦的张力增加了设一根弦的张力增加了 ，则此弦的固有频率由，则此弦的固有频率由 变为变为 ，即，即第48页，共62页，编辑于2022年，星期三另一根弦张力减少另一根弦张力减少 ，此弦的固有频率变为，此弦的固有频率变为当当当当 ，将上面两式展开为级数，得，将上面两式展开为级数
20、，得，将上面两式展开为级数，得，将上面两式展开为级数，得第49页，共62页，编辑于2022年，星期三上两式相减并略去高次项，得上两式相减并略去高次项，得上两式相减并略去高次项，得上两式相减并略去高次项，得灵敏度为灵敏度为灵敏度为灵敏度为第50页，共62页，编辑于2022年，星期三（二）线性度（二）线性度（二）线性度（二）线性度 前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，由此前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，由此前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，由此前面讨论固有频率与张力的关系时，忽略高次项，由此带来的非线性误差为带来的非线性误差为带来的非线性误差为带来的非线性误差为第51
21、页，共62页，编辑于2022年，星期三四、振弦传感器的基本元件及结构四、振弦传感器的基本元件及结构四、振弦传感器的基本元件及结构四、振弦传感器的基本元件及结构（一）振弦（一）振弦1.1.抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；抗拉强度高，弹性模量高、磁性好、导电好；2.2.温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。温度系数小，尺寸时间稳定性好，受拉后松弛小。（二）磁铁（二）磁铁常见的磁铁构造及形状参见下图。常见的磁铁构造及形状
22、参见下图。第52页，共62页，编辑于2022年，星期三（三）振弦夹紧装置（三）振弦夹紧装置（三）振弦夹紧装置（三）振弦夹紧装置1.1.抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；抗滑能力强，加工简单，安装方便，能重复使用；2.2.能任意调整弦的初始频率，在安装和调频时能保证振能任意调整弦的初始频率，在安装和调频时能保证振弦不发生转动；弦不发生转动；第53页，共62页，编辑于2022年，星期三2006.10.23 JC204-2006.10.23 JC204-第54页，共62页，编辑于2022年，星期三（四）
23、结构（四）结构 压差变压差变压差变压差变送器结构参送器结构参加下图。加下图。加下图。加下图。第55页，共62页，编辑于2022年，星期三（五）测量电路（五）测量电路（五）测量电路（五）测量电路第56页，共62页，编辑于2022年，星期三第57页，共62页，编辑于2022年，星期三由前面讨论知由前面讨论知采用频率采用频率采用频率采用频率-电压变换电路可以实现频率的平方计算。电压变换电路可以实现频率的平方计算。第58页，共62页，编辑于2022年，星期三由图知由图知由图知由图知由上式可看出输出电压与张力成线性关系。为了提高精由上式可看出输出电压与张力成线性关系。为了提高精度，实用的变换电路见下图。
24、度，实用的变换电路见下图。第59页，共62页，编辑于2022年，星期三WWV Vg g-第60页，共62页，编辑于2022年，星期三WWV V控制控制控制控制t tT T传传传传V Vg gt tV V输出输出输出输出t tV V基基基基第61页，共62页，编辑于2022年，星期三本章重点：本章重点：1.1.掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（掌握码盘的工作原理，粗误差消除方法（V V型电刷法、循型电刷法、循型电刷法、循型电刷法、循环码）；环码）；环码）；环码）；2.2.掌握莫尔条纹工作原理，莫尔条纹移动辨向原理，掌握莫尔条纹工作原理，莫尔条纹移动辨向原理，光栅细分原理；光栅细分原理；3.3.掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，掌握振弦式传感器的原理，了解振弦式传感器处理电路，工作原理。工作原理。工作原理。工作原理。习题：习题：6-16-1，6-3，6-4，6-56-5，6-66-6，6-86-8，6-10，6-116-11第62页，共62页，编辑于2022年，星期三