传感器技术 教学课件 作者 陈建元 第六章 数字式传感器3.ppt

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1、第六章数字式传感器数字式传感器，是指能把被测（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：具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；信号易于处理、传送和自动控制；稳定性好，抗干扰能力强，电磁兼容性好。便于动态及多路测量，读数直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。常用的数字式传感器主要有以下几种：感应同步器；编码器；光栅；容栅；磁栅；频率式传感器。感应同步器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。它具有两个平面型的印刷绕组，相当于变压器的初级和次级绕组。通过两个绕组的互感变化来检测其相互的位移。感应同步器可分为两大类，测量直线位移为直

2、线式感应同步器和测量角位移为旋转式感应同步器。感应同步器6.1.1.结构与类型1.结构组成图1-1直线式感应同步器的绕组结构(a)定尺绕组(b)W形滑尺绕组(c)U形滑尺绕组定尺是长度为：250mm节距：W2＝2（a2＋b2）滑尺上两相绕组中心线距应为：l1＝（n/2＋1／4）W2两绕组相差90°电角度感应同步器通常，定尺的节距W2为2mm。定尺可按式a2＝n·W2/v来选择，其中v为谐波次数，n为正整数，显然a2＜W2／2。滑尺的节距W1通常与W2相等，绕组的导片宽度同样可按式a1＝n·W1/v来选取。感应同步器基板上通过粘合剂4粘有一层铜箔。铜箔厚度在0.lmm以

3、下，通过蚀刻得到所需的绕组3的图形。在铜箔上面是一层耐腐蚀的绝缘涂层1。根据需要还可在滑尺表面再贴一层带绝缘层的铝箔5，以防止静电感应。感应同步器2．感应同步器的类型因被测量:直线（位移）式旋转式感应同步器6.1.2感应同步器的工作原理图6-5感应同步器工作原理示意图图6-6两绕组相对位置与感应电势的关系S-正弦绕组；C-余弦绕组感应同步器图6－5:当滑尺绕组用正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。感应电势的幅值除与激磁频率、耦合长度、激磁电流和两绕组的间隙等有关外，还与两绕组的相对位置有关。设正弦绕组上的电压为

4、零，余弦绕组上加正弦激磁电压，并将滑尺绕组与定尺绕组简化如图6－6所示。当滑尺位于A点时，余弦绕组左右侧的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的感应电势之和为零。当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定尺绕组导片的感应要比右侧导片所感应的大。定尺绕组中的感应电势之和就不为零。感应同步器当滑尺移到1／4节距位置（图6－6B点）时，感应电势达到最大值。若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势逐渐减少。到1／2节距时，感应电势变为零。再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，但电流方向改变。当滑尺右移至3／4节距时，定尺中的感应电势达到负的最大值。在移动一个节距后，两绕组的耦合状态又周期

5、地重复如图6－6A点所示状态（曲线二）。同理，由滑尺正弦绕组产生的感应电势如图6－6曲线2所示。感应同步器或（6-1）或（6-2）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us＝Ussinωt和uc＝Ucsinωt，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；θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2。感应同步器1．鉴相法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π/2的正弦

6、激磁电压，即us＝Um·sinωt和uc＝Umcosωt。根据式（6－2），当余弦绕组单独激磁时，感应电势为（6—3）同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为（6－4）正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理，总感应电势为感应同步器（6－5）上式是鉴相法的基本方程。由式可知，感应电势e和余弦绕组激磁电压uc之相位差θ正比于定尺与沿尺的相对位移x。感应同步器2．鉴幅法所谓鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移。若在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和相位相同、但幅值不等的正弦激磁电压，即us＝Umsinφsinωt和uc＝-Umcosφcosωt。则在定尺绕组上产生的

7、感应电势分别为感应同步器根据叠加原理，感应电势为：（6－6）由上式可知，感应电势的幅值为KωUmsin（φ－θ），调整激磁电压φ值，使φ＝2πx／W2，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（6－6）是鉴幅法的基本方程。=感应同步器3．脉冲调宽法前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦激磁电压，而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，即其波形如图6－7（a）所示。把us，uc分别用傅里叶级数展开，可得感应同步器若把us加到滑尺正弦绕组上，则定尺感应电势es应为各次谐波所产生的感应电势之和，