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1、第十章 数字式传感器数字式传感器:能把被测（模拟）量直接转 换成数字量输出的传感器 数字式传感器具有下列特点：l1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；l2.抗干扰能力强，稳定性好；l3.信号易于处理、传送和自动控制；l4.便于动态及多路测量，读数直观；l5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。感应同步器 l感应同步器是应用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。l感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。l 结构组成结构组成 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理l定尺中的感应电势随滑
2、尺的相对移动呈周期性变化；定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；l定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。l若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压usUssint 和和ucUcsint，则定尺上的感应电势则定尺上的感应电势es和和ec可用下式表达：可用下式表达：l l其中：其中：K耦合系数；耦合系数；l 与位移与位移x等值的电角度，等值的电角度，2xW2。定尺中的感应电势随滑尺的相对移动呈周期性变化；定尺的感应电势是感应同步器相对位置的正弦函数。若在滑尺的正弦与余弦绕组上分别加上正弦电压
3、usUssint和ucUcsint，则定尺上的感应电势es和ec可用下式表达：其中：K耦合系数；与位移x等值的电角度，2xW2。对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有:1.鉴相法2.鉴幅法3.脉冲调宽法三种。鉴相法l所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同，但相位差为V2的正弦激磁电压，即usUmsint和ucUmcost。根据式（102），当余弦绕组单独激磁时，感应电势为 同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为 正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理，总感应电势为 由上式可知，感应电势的幅值为 KUm
4、sin（），调整激磁电压值，使2xW2，则定尺上输出的总感应电势为零。激磁电压的中值反映了感应同步器定尺与滑尺的相对位置。鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移 根据叠加原理，感应电势为 由上式 感应电势的幅值为KUmsin（），调整激磁电压值，使2xW2，则定尺上输出的总感应电势为零。激磁电压的中值反映了感应同步器定尺与滑尺的相对位置。式（106）是鉴幅法的基本方程。脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上 分别加周期性方波电压,可认为感应电势为 当用感应同步器来测量位移时，与鉴幅法相类似，可以调整激磁脉冲宽度值，用跟踪。当用感应同步器来定位时，则可用中来表征定位距离，作为位置指令，使滑尺移动来
5、改变，直到，即e0时停止移动，以达到定位的目的。数字测量系统数字测量系统 鉴相法测量系统鉴相法测量系统 l图109为鉴相法测量系统的原理框图。它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字量。鉴相法测量系统通常由位移相位转换，模一数转换和计数显示三部分组成。l位移相位转换的功能是通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。l 模数转换的主要功能是将代表位移量（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。l 鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放大、滤波、整形后的输出信号e，以及相对相位基准输出信号o。l相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器、它是把加。减脉冲数转换为电的相位变
6、化。l 模数转换的关键是鉴相器。由以上分析可见鉴相法测量系统的工作原理是：l当系统工作时，相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置0，则所在位置为“相对零点”。l假定以此为基准，滑尺向正方向移动，的相位发生变化，与之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差，并输出反映滞后于的高电平。l该两输出信号控制脉冲移相器，使矿产生相移，趋近于。当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时。l在这个相位跟踪过程中，插人到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。l另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示。鉴幅法测量系统鉴幅法测量系统l 此系统的作
7、用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。感应同步器的接长使用感应同步器的接长使用 l 感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静态和动态测量。l在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常用它作为测量元件。l与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，接长方便。l目前在测长时误差约为1m/250mm，测角时误差约为0.5”。光 栅 l光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被
8、广泛应用于位移的精密测量与控制中。l按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。光电转换光电转换l为了进行莫尔条纹读数，在光路系统中除了主光栅与指示光栅外，还必须有光源、聚光镜和光电元件等。图1013为一透射式光栅传感器的结构图。主光栅与指示光栅之间保持有一定的间隙。光源发出的光通过聚光镜后成为平行光照射光栅，光电元件（如硅光电池）把透过光栅的光转换成电信号。l当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。如图1014所示，在a位置，两块光栅刻线重叠，透过的光最多，光强最大；在位置c，光被遮去一半，光强减小；在
9、位置d，光被完全遮去而成全黑，光强为零。光栅继续右移；在位置e，光又重新透过，光强增大。在理想状态时，光强的变化与位移成线性关系。但在实际应用中两光栅之间必须有间隙，透过的光线有一定的发散，达不到最亮和全黑的状态；再加上光栅的几何形状误差，刻线的图形误差及光电元件的参数影响，所以输出波形是一近似的正弦曲线，数字转换原理数字转换原理 1辨向原理辨向原理 光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就成电信号输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动，莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号，则只能用于计数，无法辨别光栅的移动方向。为了能辨向，尚需提供另一路莫尔条纹信号，并使两信号的相
10、位差为/2。通常采用在相隔14条纹间距的位置上安放两个光电元件来实现，2电子细分电子细分l 高精度的测量通常要求长度精确到10.lm，若以光栅的栅距作计量单位，则只能计到整数条纹。例如，最小读数值为0.lm，则要求每毫米刻一万条线。就目前的工艺水平有相当的难度。所以，在选取合适的光栅栅距的基础上，对栅距细分，即可得到所需要的最小读数值，提高“分辨”能力。四倍频细分 l在上述“辨向原理”的基础上若将u2方波信号也进行微分，再用适当的电路处理，则可以在一个栅距内得到二个计数脉冲输出，这就是二倍频细分。l如果将辨向原理中相隔B4的两个光电元件的输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为/2的信号，即在
11、一个栅距内得到四个计数脉冲信号，实现所谓四倍频细分。l在上述两个光电元件的基础上再增加两个光电元件，每两个光电元件间隔14条纹间距，同样可实现四倍频细分。这种细分法的缺点是由于光电元件安放困难，细分数不可能高，但它对莫尔条纹信号的波形没有严格要求，电路简单，是一种常用的细分技术 电桥细分 l 用电桥细分法可以达到较高的精度，细分数一般为1260，l但对莫尔条纹信号的波形幅值，直流电平及原始信号Umsin与人Umcos的正交性均有严格要求。l而且电路较复杂，对电位器、过零比较器等元器件均有较高的要求。l如前所述，计量光栅测量位移最终是依靠数字转换系统完成的，实质上是由计数器对莫尔条纹计数。l使用
12、中，为了克服断电时计数值无法保留，重新供电后，测量系统不能正常工作的弊病，可以用机械等方法设置绝对零位点，但精度较低，安装使用均不方便。l目前通常采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零位参考标志的方法零位光栅，它使光栅成为一个准绝对测量系统。编码器l编码器以其高精度。高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。l编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。l由于旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，并已有各种系列产品可供选用，故本节着重讨论旋转式光电编码器。l旋转式编码器有两种增量编码器和绝对编码器l增量编码器与前三节讨论的几种数字式传感器有类似之处。它的输
13、出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。l最简单的一种绝对编码器是接触式编码器 l绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的码道。一个编码器的码道数目决定了该编码器的分辨力。l 从编码技术上分析，造成错码的原因是从一个码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变。若每次只有一位码改变，就不会产生错码，例如格雷码（循环码）。格雷码的两个相邻数的码变化只有一位码是不同的（见表101）。从格雷码到二进制码的转换可用硬件实现，也可用软件来完成。旋转式光电编码器旋转式光电编码器l接触式编码器的实际应用受到电刷的限制。目前应用最广的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。由于其精度高，可靠
14、性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数关节式工业机器人都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。绝对编码器绝对编码器l 光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形。l它们相当于接触式编码器码盘上的导电区和绝缘区，如图1020所示。l编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。l码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。l当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换输出相应
15、的电平信号。增量编码器增量编码器 l增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对码盘码道的意义。l与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。光电增量编码器的应用光电增量编码器的应用 l（1）典型产品应用介绍 图1024所示为LEC型 小型光电增量编码器的 外形图。每转输出脉冲 数为205000，最大允 许转速为5000rmin。l（2）测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量
16、的是平均转速。l3）测量线位移 在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度 l图1027（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。l 图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。l 图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条
17、件恶劣的场所。无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。测量电路测量电路l 实际中，目前都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，l所以只要加上计数与细分电路（统称测量电路）就可组成一个位移测量系统。从这点看，这也是编码器的一个突出优点。1计数电路计数电路 2细分电路细分电路 四倍频细分电路原理图如图四倍频细分电路原理图如图10102929（a a）所示。所示。输出输出x x1 1与与x x2 2信号作为计数器双时钟输人信号。信号
18、作为计数器双时钟输人信号。按电路图可得如下逻辑表达式：按电路图可得如下逻辑表达式：Q1、Q2、Q3和 Q4分别与S1、S2和相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位/2。电路各点的波形如图1029（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和 Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的12，但同时要满足与Y1、Y2、Y3和Y4相“与”的要求。由图1029可知，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可
19、用作光栅测量电路。l 顺便指出，按照旋转式编码器的工作原理，如把码盘拉直成码尺，就可构成直接进行线位移测量的直线式光电编码器。而且根据码尺的取材不同（透光或反光），它还可分成透光式和反光式两种结构形式 频率式传感器l 在前几节介绍的四种测量位移的数字式传感器中，除了绝对编码器能将位移量直接转换成数字量外，其余几种都是将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统所计的脉冲个数来反映被测量的值。l本节介绍的数字式传感器，其输出虽然也是一系列脉冲，但与被测量对应的是脉冲的频率。l这种能把被测量转换成与之相对应且便于处理的频率输出的传感器，即为频率式传感器。l前述用增量编码器作转速测量时，其编码器的输出
20、是与转速成正比的脉冲频率，这实际上就是一种频率式传感器。1041 RC频率式传感器频率式传感器l 利用热敏电阻把温度变化转换成频率信号的方法是RC频率式传感器的一例。热敏电阻作为RC振荡器的一部分。基本电路如图1030所示。lRC振荡器的振荡频率由下式决定1042 石英晶体频率式传感石英晶体频率式传感器器 l利用石英晶体的谐振特性，可以组成石英晶体频率式传感器。l石英晶体本身有其固有的振动频率，当强迫振动频率与它的固有振动频率相同时，就会产生谐振。l如果石英晶体谐振器作为振荡器或滤波器时，往往要求它有较高的温度稳定性；而当石英晶体用作温度测量时，则要求它有大的频率温度系数。l因此，它的切割方向
21、（切型）不同于用作振荡器或滤波器的石英晶体。当温度在80250范围时，石英晶体的温度与频率的关系可表示 为 （1018）式中 f0t0时的固有频率；a，b，c频率温度系数。可以选择一特定切型的石英晶体，使得式（1018）中的系数b和c趋于零。这样切型的晶体具有良好的线性频温系数，其非线性仅相当于103数量级的温度变化。晶体的固有谐振频率取决于晶体切片的面积和厚度。在石英晶体频率式温度传感器中，根据温度每变化1度振荡频率变化若干赫兹的要求，以及晶体的频温系数，可确定振荡电路的基频。1043 弹性振体频率式传感弹性振体频率式传感器器l管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理而可奏乐，这早已为人们所熟知。而
22、把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用于传感器技术，这却是近几十年的事。弹性振体频率式传感器就是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的固有振动频率（自振谐振频率）来测量有关参数的。l只要被测量与其中某一物理参数有相应的变化关系，我们就可通过测量振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体固有振动频率来达到测量被测参数的目的。这种传感器的最大优点是性能十分稳定 1振弦式频率传感器振弦式频率传感器 传感器的敏感元件是一根被预先拉紧的金属丝弦1。它被置于激振器所产生的磁场里，两端均固定在传感器受力部件3的两个支架2上且平行于受力部件。当堂力部件3受到外载荷后，将产生微小的挠曲，致使支架2产生相对倾
23、角，从而松弛或拉紧了振弦，振弦的内应力发生变化，使振弦的振动频率相应地变化。振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度和内应力，可用下式表示：振弦式频率传感器的工作原理可以用图1032来说明。l图 1033所示为某一振弦式传感器的输出输人特性。l由图可知，为了得到线性的输出，可在该曲线中选取近似直线的一段。当在1至2之间变化时，钢弦的振动频率为10002000Hz或更高一些，其非线性误差小于l。为了使 传感器有一定的初始 频率，对钢弦要预加 一定的初始内应力0。l 图1035所示为差动振弦式力传感器。它在圆形弹性膜片7的上下两侧安装了两根长度相等的振弦1、5，它们被固定在支座2上，并在安装时
24、加上一定的预紧力。l 在没有外力作用时，上、下两根振弦所受的张力相同，振动频率亦相同，两频率信号经混频器12混频后的差频信号为零。当有外力垂直作用于柱体4时，弹性膜片向下弯曲。上侧振弦5的张力减小，振动频率减低；下侧振弦1的张力增大，振动频率增高。混频器输出两振弦振动频率之差频信号，其频率随着作用力的增大而增高。l 图中两根振弦应相互垂直，这样可以使作用力不垂直时所产生的测量误差减小。因为侧向作用力在压力膜片四周所产生的应力近似是均匀的，上、下两根振弦所受的张力是相同的，根据差动工作原理，它们所产生的频率变化被互相抵消。因此，传感器对于侧向作用是不敏感的。l 在图1035的基础上，还可利用高强
25、度厚壁空心钢管作受力元件，把3根、6根或更多根振弦均等分布置于管壁的钻孔中，用特殊的夹紧机构把振弦张紧固定，构成多弦式力传感器。l 图1036所示为振弦式流体压力传感器c振弦的材料为钨丝，其一端垂直固定在受压板上，另一端固定在支架上。当流体进人传感器后，受压板发生微小的挠曲。改变振弦的内应力，使其频率降低。为保证温度变化时的稳定性，对传感器机械结构的线膨胀系数进行了选择，使其在弦长方向的综合膨胀系数与振弦的膨胀系数大至相等 2振筒式频率传感器振筒式频率传感器l振筒式压力传感器的基本结构如图1037所示。l振筒是传感器的敏感元件，它是一只壁厚约为0.5mm的薄壁圆筒。圆筒的一端封闭，为自由端，另
26、一端固定在基座上。改变筒的壁厚，可以获得不同的测量范围。由于温度变化会影响振筒的物理特性，同时振筒还应具有良好的电磁耦合性能，因此筒的材料一般采用恒弹性镍铁合金（3J53），井采用冷挤压和热处理等特殊工艺制成。l 激振线圈和拾振线圈被置于简内的支柱上。激振线圈是振筒的激励源，并且补偿振筒固有衰减的能量，使振筒保持振动状态。拾振线圈中有一个永磁体磁极，筒的振动改变了抬振线圈的磁路，从而使拾振线圈上产生一个感应电势。为了防止彼此间的直接耦合，它们被布置成互成直角，并相隔一定距离。l 外壳用作保护，同时起着对外界电磁场的屏蔽作用。如需测量绝对压力，应将外壳与振筒之间的空腔抽成真空，作为参考标准。振筒
27、式频率传感器的工作原理是：l由于激振线圈与拾振线圈通过振筒相互耦合，与放大电路一起组成一个正反馈的振荡电路。l当振筒工作时，拾振线圈产生的感应电势经放大后反馈给激振线圈，使电路保持在振荡工作状态。其输出经过整形电路得到一系列频率等于振筒固有频率的脉冲信号。l由于振筒有很高的品质因数，只有在其固有振动频率上谐振时，才有最大的振幅。l此时，拾振线圈产生的感应电势才能满足振荡条件，使电路处于振荡状态。l否则，若偏离了振筒的固有振动频率，其振幅迅速衰减，拾振线圈的感应电势也随之衰减，致使电路不能满足振荡条件而停振。l因此，电路输出脉冲的频率即筒的固有振动频率。设取材料的密度、泊松比和弹性模量分别为、E的振筒，其壁厚为h，半径为r，有效长度为l。在无周围介质影响的理想条件下，该振筒在零输人时的固有频率为 （1022）