第六章 数字式传感器3精要.ppt

数字传感器信号远传时的两个技术问题 常见的传感器 常见的传感器 常见的传感器 * * 容栅式传感器 设 则上式可写成： 根据坐标变换，可设 ，因此可得： （6－19） 发射极片E、反射极片M、接受极R和屏蔽极S之间的电容如图6－29（c）的等效电路所示。图中， 分别为M极片、S极片对R极的电容； 为M极片、R极片、S极片对地 （公共端）的电容， 容栅式传感器 k为与屏蔽极S结构尺寸相关的常量。由图6－29（c）可得： 容栅式传感器 磁栅传感器 磁栅是另一种用于测量位移的数字式传感器。磁栅传感器由磁尺（或磁盘）、磁头和检测电路组成。磁尺类似于一条录音带，上面记录有一定波长的矩形波或正弦波磁信号。磁头的作用是把磁尺上的信号转寒成电信号；此电信号再由检测电路变换和细分后进行计数输出。 磁栅传感器 6.5.1磁栅的结构与工作原理 1. 磁栅 图6-30 磁栅的剖面 1－非导磁材料基体；2－磁性薄膜 磁栅是用不导磁的金属，或是用表面涂覆有一层抗磁材料的钢材做尺基，在尺基的表面上均匀地涂覆一层磁性薄膜，然后用记录磁头在磁性薄膜上记录节距为W的正弦波或矩形波，得到如图6-30所示的栅状磁化图形。 磁栅传感器 图6-31 磁栅结构示意图 （a）尺形长磁栅；（b）带型长磁栅； （c）同轴长磁栅；（d）圆磁栅 1－磁栅；2－磁头；3－屏蔽罩 磁栅传感器 2． 磁头 根据读出信号方式不同，磁头可分为动态和静态两种。 图6-32 动态(a)与静态(b)磁头工作原理图 1－磁头；2－磁栅；3－输出信号波形 磁栅传感器 图6-33 多隙磁通响应式磁头的典型结构 实际应用时，为了增大输出和提高稳定性，通常将多个磁头以一定的方式串联起来做成一体，称为多间隙静态磁头。 磁栅传感器 6.5.2数字测量原理 在应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号，两磁头的间距为（n±1/4）W（n为正整数），两组磁头激磁信号的相位差为π/4。由于输出绕组的信号频率是激磁信号频率的两倍，所以两组磁头输出信号的相位差为π/2。若激磁绕组加上同相的正弦激磁信号，则两组磁头的输出信号为： 磁栅传感器 经检波滤除高频载波后可得 （6-22） （6-23） 是与位移量x成比例的信号，经处理即可得到位移量，这便是所谓鉴幅法。 磁栅传感器 磁栅传感器 鉴相法测量电路的形式较多，常用的电路框图如图6-34所示。 图6－34 鉴相法测量电路框图 频率式传感器 能把被测量转换成与之相对应且便于处理的频率输出的传感器，即为频率式传感器。由频率式传感器组成的测量系统，一般包括在给定时间内对脉冲进行计数的计数器，或是测量脉冲周期的计时器。用脉冲计数器构成的测量系统具有很强的噪声抑制能力。它所测量的值实际上是计数周期内输人信号的平均值。缺点是为了得到所需的分辨率，必须有足够长的计数时间。而对于用计时器构成的测量系统，其性能受噪声及干扰的影响很大。为此，一种经常采用的方法是在系统中引人一高频时钟脉冲，以传感器的输出脉冲来选通至计数器的时钟脉冲，再累计传感器多个周期内的计数值。这样，一方面可提高分辨率，一方面又可减少干扰与噪声的影响。 磁栅传感器 6.6.1振弦式频率传感器 图6－35 振弦式频率传感器的工作原理 振弦式频率传感器的工作原理可以用图6－35来说明。传感器的敏感元件是一根被预先拉紧的金属丝弦1。它被置于激振器所产生的磁场里，两端均固定在传感器受力部件3的两个支架2上．且平行 磁栅传感器 于受力部件。当弹力部件3受到外载荷后，将产生微小的挠曲，致使支架2产生相对倾角，从而松弛或拉紧了振弦，振弦的内应力发生变化，使振弦的振动频率相应地变化。振弦的自振频率f0取决于它的长度l、材料密度ρ和内应力σ，可用下式表示： （6－27） 由上式可见，对于l和ρ为定值的振弦，其自振频率f0由内应力σ决定。因此，根据振弦的振动频率，可以测量力和位移。 磁栅传感器 图 6－36振弦式传感器 的输出－输入特性 图 6－36所示为某一振弦式传感器的输出－输入特性。由图可知，为了得到线性的输出，可在该曲线中选取近似直线的一段。当σ在σ1至σ2之间变化时，钢弦的振动频率为1000～2000Hz或更高一些，其非线性误差小于l％。为了使传感器有一定的初始频率，对钢弦要预加一定的初始内应力σ0。 磁栅传感器 振弦的激振方式有两种，如图6－37所示。图（a）是连续激励方式。此方法采用两个电磁线圈，一个用来连续激励，另一个作为接收（拾振）信号。振弦激振后，抬振线圈1产生的感应电势，经放大后正反馈至激励线圈2，以维持振弦的连续振动。 图（b）是间断激励方式的框图。当激励线圈通过脉冲电流时，电磁铁将振弦吸住；在激励电流断开时