[信息与通信]第3章数字式传感器5.ppt
数字式传感器,数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。 与模拟传感器相比的特点是：抗干扰能力强，稳定性好；易于微机接口，便于信号处理和实现自动化测量。 本章讲述常用的数字式传感器 光栅传感器 磁栅传感器 旋转式光电编码器 直线感应同步器 旋转变压器,光栅传感器,一.光栅及其测量系统 1.光栅的结构类型 1）长光栅尺,2）圆光栅,刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。 根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切 若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。,2.光栅测量系统(光栅读数头),二.光栅传感器的工作原理,1.莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时, 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。,莫尔条纹的特征,1) 放大作用,放大倍数为 1/,越小, B越大。 例如=0.1°时 =0.1°=0.1×2/360 =0.00175432rad W=0.02mm BH=11.4592mm。,2) 对应关系,3） 误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划误差有平均抵消作用, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。 例W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。,2.辨向原理及辨向电路,1）为什么要辨向 当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。,2）辨向原理与辨向电路,辨向电路,设计数器记得脉冲数为N，位移 x=N W 光栅测量位移属于增量式测量。,三.细分技术,目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。 细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内, 发出n脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频。 细分类型： 电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。,1. 四倍频细分 在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2电压信号（S和C），将这两个信号整形、反相得到四个依次相差/2的电压信号。0°（S），90°（C）180°（S）270°（C）。,在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。,2.电位器桥（电阻链）细分 实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为90度的交流信号 Umsin,Umcos和-Umsin,-Umcos。以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把=0-360度, （x=0-W） 分成四个象限。 每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。,四.光栅数显装置,主要芯片简介 1.光栅信号处理芯片(HKF710502) 主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。 2.逻辑控制芯片（HKE701314） 主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验及超速报警。 3.可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201) 主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。,五.光栅传感器的应用,3.2 旋转式光电编码器,一.增量式旋转光电编码器 1.工作原理,2.增量式光电盘,4.旋转方向的判别,二.绝对式光电编码器,1.测量原理,2.绝对式光电码盘,3.循环码盘,1）编码规则 将二进制码右移 一位并舍去最末位与原二进制做不进位加法。 2）特点 相邻两个数码之间只有一位变化。,4.提高分辨率的方法插值法,三.光电编码器的应用,1.在数控机床中的应用,2.角度及转速的测量 脉冲频率法,脉冲周期法,3.3 直线式感应同步器,一.直线式感应同步器的结构,二. 工作原理,三. 数显装置,1.鉴幅式,2.主要性能指标,1）精度 在整个测量范围内作静态测量时的显示值与被测实际值的最大可能偏离量，用正负偏差表示 2）分辨力 系统能反映的最小位移变化量。在数字系统中分辨力与脉冲当量或最低为显示数字一致。所谓脉冲当量q是指一个脉冲所对应的机械位移变化量。对于线位移测量，可用下式计算：,式中：W节距 n系统的细分数,3）跟踪速度,当机械运动大于系统所允许的跟踪速度时，增量脉冲跟不上机械位移增量，就会发生丢失节距而不能正常工作的情况。系统的允许跟踪速度ui为,式中：fi-增量脉冲频率 q-脉冲当量,四.安装使用注意事项,安装结构图如下所示。完整的感应同步器有定尺组件、滑尺组件和防护罩三部分。,感应同步器的安装要求如下：,五.感应同步器的应用,1.机床闭环控制,2.定位控制,3.随动控制,3.4 旋转变压器,一.旋转变压器的结构,二.旋转变压器的工作原理,1.两级绕组式的工作原理,2.四级绕组式的工作方式,1）鉴相工作方式,定子绕组分别通以同幅值、同频率、相位相差90度的交流电压。,根据叠加原理，转子绕组中的感应电压为这两个电压的代数和，即,2）鉴幅式工作方式,当两个定子绕组分别通以同频率、同相位，单幅值不同的交流电压,其幅值分别为,定子绕组的电气角，转子上的叠加电压为,由上式可知，转子输出电压的幅值随转子的转角而变化，因此只要测出电压幅值的变化则可知的角位移的变化。,三.旋转变压器的应用,在数控机床中的应用,3.4 电涡流式传感器,当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内引起感应电流，此电流在导体内闭合,称为涡流。,上一页,下一页,返 回,穿透深度,式中, 导体电阻率(·cm)； r导体相对磁导率； 交变磁场频率(Hz)。,电涡流式传感器,3.4.1 高频反射式涡流传感器 3.4.2 低频透射式涡流传感器 3.4.3 涡流式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,3.4.1 高频反射式涡流传感器,1. 基本原理 2等效电路 3. 传感器的结构 4. 测量电路,上一页,下一页,返 回,1. 基本原理,线圈置于金属导体附近： 线圈中通以高频信号 i1 正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈 ,改变了电感,电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离， 金属板材料的电阻率和磁导率 以及的频率等,上一页,下一页,返 回,2 等效电路,电感LE表示金属板对涡流呈现的电感效应 电阻RE表示在金属板上的涡流损耗 互感系数M表示LE与原线圈L之间的相互作用 R为原线圈L的损耗电阻 C为线圈与装置的分布电容,上一页,下一页,返 回,考虑到涡流的反射作用，L两端的阻抗ZL(突略C的影响 ） 可用下式表示,式中信号源的角频率。,上一页,下一页,返 回,(3.4.1)式,表3.4.1 不同频率时的感抗分量与电阻分量,计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间 的数量关系可以进行估计。,金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈 按一定方式结合起来的总效应来等效。,上一页,下一页,返 回,L E(),(),由于RELE ，令K耦合系数， K2=M2(L·LE)。则式(3.4.1)可以简化为,ZL的虚部与金属板的电阻率无关，而仅与耦合系数K有关， 即仅与线圈至金属板之间的距离有关,在实际条件下，即K1，并有RELE 可以认为式(3.4.2)在特定条件下 (测量信号频率较高，金属板电阻率较小且变化范围不大) 存在着以下的关系,上一页,下一页,返 回,（3.4.2）式,3. 传感器的结构,线圈 框架 3框架衬套 4 支架 5电缆 6插头,上一页,下一页,返 回,4. 测量电路,定频测距电路 调频测距电路,上一页,下一页,返 回,定频测距电路,将Lx的关系转换成Ux。的关系。 通过检波电压U的测量，就可以确定距离x的大小。 这里Ux，曲线与金属板电阻率的变化无关。,上一页,下一页,返 回,若去掉金属板，则L=L(即x趋于时的L值)。 如果在保持幅值不变的情况下，改变正弦振荡器的频率， 则可以得到Uf曲线，即传感器回路的并联谐振曲线,谐振频率为,上一页,下一页,返 回,有金属板时，设振荡器的频率为f0。 若改变金属板与传感器之间的距离x，则Ux曲线,当x足够大时(此时L=L，U=U)，回路处于并联谐振状态。,上一页,下一页,返 回,调频测距电路,当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时， 引起线圈的电感量L发生变化，从而使振荡器的频率改变， 然后通过鉴频器将频率变化再变成电压输出。,上一页,下一页,返 回,调频式测量电路图,电容三点式振荡器 射极输出器,上一页,下一页,返 回,传感器输出电缆的分布电容的影响不能忽视的。,钢板 铜板,上一页,下一页,返 回,3.4.2 低频透射式涡流传感器,透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线,测厚的依据: E的大小间接反映了M的厚度t,上一页,下一页,返 回,当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗的值是不同的， 从而使Et曲线的形状发生变化。,在t较小的情况下，Q小曲线的斜率大于Q大曲线的斜率； 而在t较大的情况下，Q大曲线的斜率大于Q小曲线的斜率。 测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。,上一页,下一页,返 回,测试频率与材料关系,对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不同时，渗透深度Q渗的值也不相同，于是又引起Et曲线形状的变化，为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保持Q渗不变，这时应该相应地改变f。 测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的 (500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时，则选用较高的 (2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。,上一页,下一页,返 回,3.4.3 涡流式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,1位移测量,(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图 (b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图 (c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图,上一页,下一页,返 回,2 振幅测量,(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图 (b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图 (c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,上一页,下一页,返 回,3厚度测量,电涡流式厚度计的测量原理图,上一页,下一页,返 回,4转速测量,f频率值(Hz)； n旋转体的槽(齿)数； N被测轴的转速(rmin)。,上一页,下一页,返 回,5. 涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 综合参数(x, , )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,上一页,下一页,返 回,a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号,在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。 为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过， 而将干扰频率信号衰减。,上一页,返 回,用涡流探伤时的测量信号,
