《传感器与检测技术 工业和信息化高职高专“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 宋雪臣 单振清 郭永欣 第8章 数字量传感器及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 工业和信息化高职高专“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 宋雪臣 单振清 郭永欣 第8章 数字量传感器及应用（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 数字量传感器及应用,知识目标 通过本课题的学习，要求熟悉常用的数字式传感器基本结构，了解数字式传感器的基本工作原理，了解对数字信号处理的方法。 技能目标 通过本课题的学习，要求掌握数字式传感器的特性，正确操作和维护数字式传感器。,8.1 栅式数字传感器,光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊应用。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应用。 8.1.1光栅的类型和结构,图8-2 光栅刻线,1.长光栅,按栅线形状的不同，长光栅可分为黑白光栅和闪耀光栅。,图8-3 黑白光栅
2、,图8-4 闪耀光栅刻线断面,2.圆光栅,图8-5 圆光栅,8.1.2 光栅的工作原理,1. 莫尔条纹 计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。主光栅的刻线一般比指示光栅长，如图8-6所示。若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。,图8-6 光栅与莫尔条纹示意图（0）,2.莫尔条纹的特点,放大作用 由式8-1可知，越小，B越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔
3、条纹宽度B是栅距W的573倍，相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。 平均效应 莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。,运动方向 当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图8-6中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹则向上移动。 对应关系 两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。 莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数,图8-7 光栅
4、位移与光强关系,8.1.3. 光栅式传感器的测量电路,1.光电转换 光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成，如图8-8所示。,图8-8 光栅读数头结构示意图,图8-9 光电元件输出波形,2.辨向原理,3.细分技术,8.2 数字编码器,编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码。 8.2.1 接触式码盘编码器,1.结构与
5、工作原理,图8-12 接触式四位二进制码盘,2.消除非单值误差的办法,采用循环码(格雷码) 循环码盘结构如图8-12(b)所示。采用循环码制可以消除非单值误差。 扫描法 扫描法有V扫描、U扫描以及M扫描三种。,8.2.2光电式编码器,图8-13 光电编码器示意图,8.2.3 电磁式编码器,图8-14 磁编码器的基本结构,8.2.4 脉冲盘式数字传感器,脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。 1.增量编码器的结构和工作原理,图8-15 脉冲盘式编码器示意图,2.旋转方向的判别,图8
6、-16 辨向原理,8.3 感应同步器,感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位移感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。,8.3.1 直线式感应同步器的结构和工作原理,1.载流线圈所产生的磁场,图8-17 载流线圈产生的磁场分布示意图 图8-18探测线圈内的感应电动势,2.直线式感应同步器的基本结构,图8-19 绕组结构,3.线式感应同步器的工作原
7、理,图8-20 感应同步器工作原理图,4.直线感应同步器输出信号的检测,鉴相型 根据感应电动势的相位来鉴别位移量 当正弦绕组单独励磁时，设励磁电压 定尺绕组中的感应电动势 （8-3） 当余弦绕组单独励磁时，励磁电压 定尺绕组中的感应电动势为： （8-4） 式中 k 电磁耦合系数；机械位移相位角（机械角），单位为rad。 当正向运动时，定尺输出的总感应电动势为 （8-5） 当反向运动时，定尺输出的总感应电动势为 （8-6）,鉴幅型,8.3.2 旋转式感应同步器（圆感应同步器）,图8-21 旋转式感应同步器定子和转子,8.3.3 感应同步器位移测量系统,8.4 频率式数字传感器,频率式传感器体积小
8、、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一 。 频率式传感器基本上有三种类型： (1) 利用力学系统固有频率的变化反映被测参数的值。 (2) 利用电子振荡器的原理,使被测量的变化转化为振荡器的振荡频率的改变。 (3) 将被测非电量先转换为电压量,然后再用此电压去控制振荡器的振荡频率,称压控振荡器。,8.4.1 改变力学系统固有频率的频率传感器,图8-23振弦张力传感器,8.4.2.RC振荡器式频率传感器,图8-24 RC振荡式频率传感器,8.4.3 压控振荡器式频率传感器,图8-25 热电偶压控振荡器,8.4.4 频率式传感器的基
9、本测量电路,图8-26 频率式传感器的基本测量电路,本章小结,常用的数字式传感器有四大类：栅式数字传感器、编码器式数字传感器、频率/数字输出式数字传感器和感应同步器式数字传感器。 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点。,编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和
10、电磁式三种，,感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。按其用途可分为两大类：(1) 测量直线位移的线位移感应同步器；(2) 测量角位移的圆盘感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。 频率式传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过电子电路累计这些脉冲数，从而测得被测量；或者用测量与被测量有关的脉冲周期的方法来测得被测量。频率式传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一 。,休 息 一 下,
