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第六章 数字式传感器 6.1 感应同步器 6.1.1 感应同步器的结构与类型 6.1.2 感应同步器的工作原 6.1.3 数字测量系统 6.1.4 感应同步器的接长使用 6.2 编码器 6.2.1光电编码器的基本结构与 原理 6.2.2 测量电路 6.5 磁栅传感器 6.5.1磁栅的结构与工作原理 6.5.2数字测量原理 6.6 频率式传感器 6.6.1振弦式频率传感器 6.6.2振筒式频率传感器 数字式传感器 当今，随着计算机技术，尤其是微处理器和嵌入式系统的迅猛发展和广泛应用，各种各样具有微处理器或嵌入式系统的智能测试仪器及测控系统大量涌现。 所谓数字式传感器，是指能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器。 ④便于动态及多路测量，读数直观； 目前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。 6.1 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。 图6-1 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 1．结构组成 图6－1所示为直线式感应同步器的绕组结构。 2．感应同步器的类型 因被测量而异，可分为直线（位移）式和旋转式感应同步器两类。直线式感应同步器最常见的有标准型、窄型和带型。 6.1.2 感应同步器的工作原理 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。 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： 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鉴相法、鉴幅法和脉冲调宽法三种。 同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为 2．鉴幅法 根据叠加原理，感应电势为 3．脉冲调宽法 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 若把uc加到滑尺余弦绕组上，则 从上面的es、ec表达式中可知：感应电势除基波分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若使用性能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基波成分，这时可认为感应电势为 式（6－11）是脉冲调宽法的基本方程。它表明了滑尺、定尺间的相对位移（θ＝2πx／W2）与激磁脉冲的宽度之半φ的关系。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φ值，用φ跟踪θ。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，使滑尺移动来改变θ，直到θ＝φ，即e＝0时停止移动，以达到定位的目的。 6.1.3 数字测量系统 模数转换的主要功能是将代表位移量θ（定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。它由图6－8中的相对相位基准（脉冲移相器）、鉴相器、相差门槛及计数脉冲门等电路组成。 2．鉴幅法测量系统 6.1.4 感应同步器的接长使用 图（b）、（c）、（d）表示不同选配方式所得的不同结果。在图（b）中，虽然衔接处的误差变化很小，但全程误差大。图（c）中全程误差有所改善，但衔接处误差变化太大。图（d）给出了正确的连接方式，它既保证了衔接处的误差变化平滑，全程误差又比较小。 定尺接长后对性能的另一个影响是输出电势减弱。这是因为随着定尺长度的增加，电阻增大，有效信号减弱，干扰随之增加所致。它限制了感应同步器测量系统的最大测量范围。实用上，可用串、并联组合接线的方法来改善。 6.2 编码器 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。 编码器按结构形式有直线式编码器和旋转式编码器之分。 6.2.1光电编码器的基本结构与原理 1．绝对编码器 光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。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。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的电平信号。 与其它编码器一样，光码盘的精度决定了光电编码器的精度。为此，不仅要求码盘分度精确，而且要求它在阴暗交替处有陡峭的边缘，以便