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1、第七章 数字式传感器7.1 编码器编码器 7.1.1 直接编码器直接编码器直接将角位移转换为 2 进制数码 一、工作原理1、组成结构 图 7-1-1 个光电元件圈码道码盘有光源nn2、工作原理：各光电元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号分别代表二元 码“1”和“0” 。通过光电转换，码盘转角 转换成成一组相应的 n 位二元 码。 二、码制与码盘二进制码盘 图 7-1-2（a）循环码盘 图 7-1-2（b）输出数码 C1C2Cn(二进制码)R1R2Rn（循环码） 第 1(最内圈)码道分 21个黑白间隔, 对应 C1分 21个黑白间隔, 对应 R1第 2 码道分 22个黑白间隔，对应 C2分
2、21个黑白间隔，对应 R2第 i 码道分 2i个黑白间隔 ，对应 Ci分 2i-1个黑白间隔，对应 Ri相邻码道分界线第 i 道黑白分界线与 i+1 道 黑白分界线对齐第 i 道黑白分界线与第 i+1 道黑白分界线错开 180/2i优缺点缺点：产生粗误差（图 7-1- 3）优点：不产生粗误差分辨率n2/3601n2/3601结论：直接编码器多采用循环码盘 三、转换关系和转换电路1、转角与二进码转换 nii iniin inCCN1112 360 223602、二进码与循环码的转换 C1C2C3C4Cn R1R2R3R4Rn C1C2C3Cn-1 C1C2C3Cn-1R1R2R3R4Rn C1C
3、2C3C4Cn 1111iiiiiiCRRCCCRC 3、转换电路1）二进制码转换为循环码1并行电路 图 7-1-4（a） 2串行电路 图 7-1-4（b） 2）循环码转换为二进制码1并行电路 图 7-1-5（a）2串行电路 图 7-1-5（b）触发器先清零，J=K=Ri ，iiiiiiiRCCRCRCQ1116.1.2 增量编码器增量编码器 一、结构与工作原理 1组成结构 图 7-1-6 光源 码盘 三个码道：1零位码道 A1 条透个狭缝 2增量码道 Bm 个透光不透光扇区 3辨向码道 Cm 个透光不透光扇区 （B、C 全错开半个扇 区） 光电元件三个与三个码道对应 2工作原理 码盘每转一周
4、：光电元件 A 产生一个脉冲光电元件 B 产生 m 个脉冲光电元件 C 产生 m 个脉冲 相位差 90 二、转向和转角的测量 1转向判别电路图 7-1-8，波形图 7-1-9正转 反转 感光先后 C 先感光 B 先感光 相位关系 C 超前 B 超前 触发器 Q=1 Q=0 计数器 加计数 减计数 2净转角测量分辨率 m/3601净转角与计数结果 N 的关系mNN3601mN360mN3607.27.2 光栅与磁栅光栅与磁栅7.2.1 光栅光栅 一、光栅的结构和基本原理 1、光栅传感器的结构 图 7-2-1 1）主光栅(又称标尺光栅) ，均匀地刻划有透光和不透光的线条2）指示光栅，刻有与主光栅同
5、样刻线密度的条纹3）光源和透镜 4）光电元件 2、莫尔条纹的形成与特点1）莫尔条纹的形成 图 7-2-2主光栅与指示光栅的栅线之间保持很小的夹角 ，在近乎垂直栅线的方向 上出现了明暗相间的条纹莫尔条纹。莫尔条纹之间距远大于光栅栅距 WWWH2sin22）莫尔条纹的主要特性： （1)移动方向： 主光栅右移，则莫尔条纹向下移； 主光栅左移，则莫尔条纹向上移。 （2)移动距离：主光栅移动一个栅距 W，莫尔条纹移动一个条纹间距 H。 莫尔条纹具有放大作用，即 HW。（3）平均效应：莫尔条纹具有减小光栅栅距局部误差的作用3、光电转换电压与光栅位移的关系 图 723主光栅移动一个栅距 W，光电转换电压变化
6、一个周期02cos()avmuUUxW二、辨向原理在条纹移动方向(y 方向)上安放两个间距为 (n+1)H/4(n 为整数)的光电元件，两个 光电元件的输出信号 u1和 u2的相位差正好等于 /2。再将这两个相位差 90的正弦信号 送到图 6-1-8 所示辨向电路，就可测量出光栅的移动方向和移动的栅距数。三、细分技术m 细分即分辨率 W/m 在主光栅移动一个栅距过程中，产生 m 个彼此相位差 360/m 的正弦交流信号), 2 , 1(),360360sin(mimiWxUumiLo om 个 ui波形依次产生 m 个过零脉冲，于是，与光栅位移 x 对应的过零脉冲计数值即位移的 数字测量结果为
7、：/xxNmWW m1、直接细分 直接细分又称位置细分，通常为四细分。是用四个依次相距 H/4 的光电元件，获 得依次相差 90相角的四个正弦交流信号。主光栅每移动一个栅距，将产生四个 过零计数脉冲，从而实现四细分。 2、电位器桥(电阻链)细分1）电位器移相原理 图 7-2-4tani i iR R1 cossini iiK若，则12cos ,sinmmeUeUcos()iimiuKU2）48 点电位器桥细分电路 图 7-2-5 图中第 i 个电位器电刷两边电阻比值为： 360tan()48iiRiRo (1,2,48)i L就可从这 48 个电位器的电刷端得到 48 个相位差 360/48
8、的信号，这样就达 到了 48 细分的目的。7.2.2 磁栅磁栅磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路三部分组成。一、磁栅的类型和结构 1、 磁栅的类型：长磁栅 测量直线位移 园磁栅 测量角位移 2、 磁栅的结构 图 726磁栅基体（用不导磁金属材料做成）上面涂复一层均匀的磁性薄膜， 磁性薄膜上记录节距为 W 的矩形波或正弦波磁信号。二、磁头1、动态磁头 图 7-2-7速度响应式磁头，运动速度越快，输出信号越大，静止时没有信号输出。2、静态磁头 图 7-2-8磁通响应式磁头，静止时也有信号输出。 1） 激励绕组加适当强度的交变励磁信号， 2） 输出绕组输出绕组中的感应电动势是磁栅与磁头相对位置的周期
9、函数：0sin(2)cos2mxektW三、检测电路 1、动态磁头检测电路 动态磁头只有一组磁头，输出信号为正弦信号，检测电路较为简单。 2、静态磁头检测电路 静态磁头一般总是成对使用，两组磁头的安装位置相距(n1/4)W。其检测电路 分为鉴幅式和鉴相式：鉴幅式鉴相式两个磁头的励磁电压完全相同相位差 /4两个磁头的输出电压相位差 /4 的调幅信号：1sin(2)cos2mxeUtW2cos(2)cos2mxeUtW1sin(2)cos2mxeUtWtWxUem2sin)2cos(2磁头输出电压的处理鉴幅器鉴幅得到： 1sin(2)mxeUW 2cos(2)mxeUW减法器相减得到调相信号：02
10、1sin(22)mxueeUtW鉴相电路测量出该调相信号的相位2x/W，从而测出位移 x送辨向细分电路测出位移 x。 7.37.3 感应同步器感应同步器7.3.1 感应同步器的类型和结构感应同步器的类型和结构一、感应同步器的类型 1、 直线式感应同步器测量直线位移；图 7-3-1 2、 旋转式感应同步器测量角位移。图 7-3-2 二、感应同步器的结构直线式感应同步器旋转式感应同步器固定部分定尺（连续绕组）定子（断续绕组）运动部分滑尺（断续绕组）转子（连续绕组）绕组节距)(2baWNo720断续绕组正弦余 弦两部分的间距11)41 2(Wnl)41 2(1n7.3.27.3.2 感应同步器的工作
11、原理感应同步器的工作原理一、感应同步器中的互感 图 7-3-51、滑尺上断续绕组与定尺连续绕组间的互感1）正弦绕组 sin2sin)(00MxWMxMs2）余弦绕组 cos2cos)(00MxWMxMc2、定子上断续绕组与转子连续绕组间的互感1）正弦绕组 sin2sin)(00MMMs2）余弦绕组 cos2cos)(00MMMc二、感应同步器的等效电路 图 7-3-6ii iiRMjUjMRMjUU sin sinsin000 0 通常激励电压为几百毫伏至几伏，输出电压幅值属毫伏级。激励频率选 2040kHz。三、感应同步器的激励和检测方式调相式调幅式断续绕组（正弦绕组、余弦绕组）的激励电频率
12、和幅值相同，相位差/2：频率和相位相同，但幅值不等：压tUumissintUumiccostUumiscoscostUumiscossin连续绕组中的感应 电压)sin(0 0tURMemtURMemsin)sin(0 0感应电压的处理0e送到数字鉴幅电路送到数字鉴相电路7.4 频率式传感器频率式传感器 7.4.1 振弦式传感器振弦式传感器 一、工作原理 振弦导磁性好的金属细弦 激振器（电磁铁）激励振弦横向振动 拾振器振弦振动时产生感应电压，感应电压频率=振弦横向振动频率 f振弦横向刚度系数mkf21lFk2llE lls lF lmlFfvv 21 21 21 21 21应用：测力 F，应力
13、，位移等参数L 二、激励方式 1间歇激励方式 图 7-4-2 2连续激励方式 电流法 图 7-4-3（a） 振弦中有电流流过 用机电类比法分析可知，在磁场中振动的振弦可等效成一个并联的 LC 回路，因此图 7-4-3（a）可等效成一个 LC 振荡器。 电磁激励法 图 7-4-3（b） 振弦中无电流流过 附机电类比法分析机电类比法的电流激励电路图 7-4-3（a）振弦电流 i 使振弦在磁场中受力，该力使振弦中点在磁场中横向振动，振ilBFi弦在磁场中运动产生感应电动势：，式中 ，x振动位移，故。VlBedtdxV BleV 振弦弹性力，与横向位移 x 方向相反，振弦与周围介质摩擦阻力kxFk与
14、V 方向相反，据牛顿定律，合力= ， 为振弦振VDFddtdVmFFFdkidtdV动加速度。令振弦惯性力 ，则有：dtdVmFmdmkiFFFF两边同除以得 BlBlF BlF BlF BlFdmki令：edtBlkdtBle BlkVdtBlk Blkx BlFik k2)(dtde BlmBleVdtdV BlmdtdVmFBlFim m m2)( eBlDBleVV VBlDVDF BlFidd d 2)(所以 -(1)eBlD dtde BlmedtBlkiiiidmk222)()()(因为 所以 dtdiLeLedtLiL1所以 dtiCec1 dtdeCic所以 RieRReiR所以 -(2)Re dtdeCedtLiiiiRcL1对比（1） （2）式可见： ， ， ，kBlL2)(2)(BlmC DBlR2)(mkLC1三、振弦传感器的非线性 1、单一振弦令 F0振弦初始张力FFF0被测量变化引起的
