1、第5章 頻率式及數(shù)字式傳感器課題1：頻率式傳感器、編碼器課時安排：2教材分析難點(diǎn)：振弦式傳感器的激勵方案、角編碼器編碼與角度的關(guān)系重點(diǎn)：振弦式傳感器的應(yīng)用和編碼器分辨力教學(xué)目的和要求1、了解振弦式傳感器工作原理，掌握其激勵方式及應(yīng)用2、了解絕對式和增量式角編碼器的原理；3、掌握角編碼器的分辨力、分辨率采用教學(xué)方法和實施步驟：講授、幻燈片放映教學(xué)內(nèi)容一、振弦式頻率傳感器作用：能將力變換為頻率。測量對象：位移、壓力、流量、加速度、轉(zhuǎn)矩等。二、結(jié)構(gòu)原理：敏感元件：拉緊了的細(xì)弦。振弦的一端固定、另一端與被測量物體的運(yùn)動部分連接，并使振弦拉緊。作用于振弦上的張力就是傳感器的被測量振的張力為F時，其固有振

2、動頻率可用下式表達(dá)：。當(dāng)m、l不變時，張力F變 化F，弦的自振頻率也有一個變化f，測出頻率變化，便可知壓力p。三、測量方式：1、激勵方式：間歇激勵方式；連續(xù)激勵式。間歇激勵式：自激式和他激式。自激式：在弦的兩側(cè)放一永久磁鐵，弦中通以脈沖電流，脈沖電流受磁場作用使弦起振。起振后，弦在磁場中切割磁力線感應(yīng)出交變電動勢，測出感應(yīng)電動勢的頻率，就為振弦的自由振動頻率。他激式：激勵線圈和測量線圈。激勵線圈繞在軟磁鐵上，測量線圈繞在永久磁鐵上，弦上固定一個軟鐵塊。激勵線圈通以脈沖電流，振弦便吸放一次，在測量線圈中感應(yīng)出電動勢。測出感應(yīng)電動勢的頻率，就為振弦的自由振動頻率。連續(xù)激勵式：振弦接在放大器的正反饋

3、回路中，起著選頻元件的作用。采用連續(xù)激勵方式可以連續(xù)測量被測參數(shù)的變化，但是振弦易疲勞。2、測量電路：（1）直讀法：即將傳感器的輸出電動勢經(jīng)放大、整形后送計數(shù)器顯示其頻率，或用數(shù)字頻率計測量。（2）比較法：將傳感器輸出電動勢的頻率與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器發(fā)出的頻率相比，當(dāng)兩者相等時，標(biāo)準(zhǔn)振蕩器所指頻率值就為被測頻率值。四、應(yīng)用：1、振弦式壓力傳感器通過產(chǎn)生差頻信號經(jīng)濾波、整形電路得到壓力大小。2、振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器軸的扭轉(zhuǎn)角與外加轉(zhuǎn)矩T成正比，而振弦的張力又與扭轉(zhuǎn)角成正比，可以用測量傳感器輸出的差頻信號來測量被測軸上的承受的轉(zhuǎn)矩。五、數(shù)字編碼器：編碼器主要分為增量編碼器和絕對編碼器兩大類：編碼器：增量編碼器

4、 絕對編碼器：接觸式編碼器、電磁式編碼器和光電式編碼器。1、 接觸式碼盤編碼器：由碼盤和電刷組成，適用于角位移測量。以四位二進(jìn)制編碼盤為例：涂黑處為導(dǎo)電區(qū)，將所有導(dǎo)電區(qū)連接到高電位“1”；空白處為絕緣區(qū)，為低電位“0”。二進(jìn)制碼盤所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度為，若n=4，則。位數(shù)越多，可分辨的角度越小，若取n=8，則。缺點(diǎn)：存在非單值誤差。 2、光電式編碼器： 光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕工藝，在一塊圓形光學(xué)玻璃上刻有透泖不透光的碼形，在幾個碼道上，裝有相同個數(shù)的光電轉(zhuǎn)換元件代替接觸式編碼器的電刷，并將接觸式碼盤上時，光經(jīng)過碼盤的透光和不透光區(qū)，脈沖光照射在碼盤的另一側(cè)的光電元件上，這些光電元件就輸出與

5、碼盤上的碼形（碼盤的絕對位置）相對應(yīng)的（開關(guān)/高低電平）電信號。3、電磁式碼盤：磁化區(qū)代表邏輯“0”，非磁化區(qū)代表邏輯“1”。接觸式碼盤a）電刷在碼盤上的位置 b）4位8421二進(jìn)制碼盤 c）4位格雷碼碼盤1碼盤 2轉(zhuǎn)軸 3導(dǎo)電體 4絕緣體 5電刷 6激勵公用軌道（接電源正極）增量式光電碼盤結(jié)構(gòu)示意圖a）外形 b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸 2發(fā)光二極管 3光欄板 4零標(biāo)志位光槽作業(yè)P5-1、2課題2：感應(yīng)同步器、磁柵傳感器課時安排：2教材分析難點(diǎn)：熱電阻的測量電路重點(diǎn)：熱電阻、熱敏電阻的原理、測量電路和應(yīng)用教學(xué)目的和要求1、了解熱電阻、熱敏電阻測溫范圍及測溫原理；2、掌握熱電阻的測量電路；采用教學(xué)方法和實

6、施步驟：講授、課堂討論、分析、幻燈放映教學(xué)內(nèi)容感應(yīng)同步器一、感應(yīng)同步器原理及分類1、 原理：利用電磁感應(yīng)原理2、 測量對象：直線位移和角位移3、 分類：直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器。二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：主要由定尺和滑尺構(gòu)成。定尺安裝在靜止的機(jī)械部分，滑尺安裝在活動的機(jī)械部分。滑尺相對定尺而移動。定尺繞組為連續(xù)繞組；滑尺繞組為兩個分段繞組，分為正弦繞組和余弦繞組。三、工作原理：利用定尺和滑尺的兩個平面繞組的互感隨其相對位置變化的原理，將位移轉(zhuǎn)換成電信號。定尺和滑尺間保持一定的氣隙（0.250.05mm），定尺固定、滑尺移動。當(dāng)給S和C繞組通以一定的電壓激勵時，定尺繞組上會有感應(yīng)電動勢輸出。四、感應(yīng)同步

7、器的信號處理方式1、 激勵方式：以滑尺為激勵；以定尺為激勵。2、 信號處理方式：鑒相型、鑒幅型和脈沖調(diào)寬型三種。（1）鑒相型：給S、C繞組通以等頻、等幅和相位差為90度的電壓分別激勵，則可得到總感應(yīng)電動勢為e=，則位移量x就與感應(yīng)電動勢e聯(lián)系起來了。（2）鑒幅型給S、C繞組通以同頻、同相但不等幅的電壓激勵，則可用e的幅值為鑒別位移量。總感應(yīng)電動勢為：e=，為給定電角度。脈沖調(diào)寬型實質(zhì)上就是鑒幅型。五、感應(yīng)同步器數(shù)顯表由感應(yīng)同步器和數(shù)顯表兩部分組成，前置放大器、匹配變壓器和感應(yīng)同步器一起安裝在機(jī)床上。當(dāng)滑尺和定尺開始處于平衡位置時，定尺上感應(yīng)電動勢為0平衡狀態(tài)。當(dāng)滑尺移動x時，在定尺就有感應(yīng)電動

8、勢輸出。經(jīng)放大后與門檻電路基準(zhǔn)電壓比較，來調(diào)整函數(shù)變壓器的激勵電壓電角率，使系統(tǒng)重新平衡。磁柵傳感器磁柵與其他類型的位置檢測元件相比，結(jié)構(gòu)簡單，錄磁方便，測量范圍寬（可達(dá)十幾米），但要注意防止退磁和定期更換磁頭。磁柵分類：長磁柵和圓磁柵。長磁柵用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。一、磁柵結(jié)構(gòu)：磁尺、磁頭和信號處理電路組成。1磁尺磁尺按基體形狀有帶狀磁尺、線狀磁尺（又稱同軸型）和圓形磁尺。通過錄磁磁頭在磁尺上錄制出節(jié)距嚴(yán)格相等的磁信號作為計數(shù)信號。節(jié)距（柵距）W通常為0.05mm、0.1mm、0.2mm。2磁頭為了辨別磁頭運(yùn)動的方向，采用兩只磁頭（sin、cos磁頭）來拾取信號。它們相互

9、距離為（m1/4）W，m為整數(shù)。為了保證距離的準(zhǔn)確性，通常將兩個磁頭做成一體。二、磁柵工作原理：以靜態(tài)磁頭為例：靜態(tài)磁頭有兩組繞組N1、N2為激勵繞組，N2為感應(yīng)輸出繞組。在激勵繞組中通入交變電流，使磁芯的可飽和部分在每周內(nèi)發(fā)生兩次磁飽和，磁飽和時磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。只有在激勵電流每周兩次過零時，可飽和磁芯才能導(dǎo)磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。感應(yīng)電動勢的頻率為激勵電流頻率的兩倍， e的包絡(luò)線反映磁頭與磁尺的位置關(guān)系，其幅值與磁柵進(jìn)入磁芯漏磁通的大小成正比。三、磁柵數(shù)顯表及其應(yīng)用磁頭、磁尺與專用磁柵數(shù)顯示表配合，可用于檢測機(jī)械位移

10、量，其行程可達(dá)數(shù)十米，分辨力優(yōu)于1m。ZCB-101鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖功能：直徑/半徑、公制/英制轉(zhuǎn)換及顯示功能、數(shù)據(jù)預(yù)置功能、斷電記憶功能、超限報警功能、非線性誤差修正功能、故障自檢功能等。能同時測量x、y、z三個方向的位移磁敏電阻磁頭：可不必設(shè)置勵磁電路，檢測速度提高。作業(yè)P5-3、4、5課題3：光柵傳感器課時安排：2教材分析難點(diǎn)：光柵傳感器的細(xì)分和辨向技術(shù)重點(diǎn)：光柵傳感器的特點(diǎn)及其測位移的原理教學(xué)目的和要求1、了解光柵傳感器的分類；2、掌握光柵傳感器的特點(diǎn)、工作原理及應(yīng)用；采用教學(xué)方法和實施步驟：講授、幻燈片放映教學(xué)內(nèi)容一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)光柵種類：可分為物理光柵和計量光柵。在檢

11、測中常用的是計量光柵。計量光柵分類：透射式光柵和反射式光柵。結(jié)構(gòu)：光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件：可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵結(jié)構(gòu)：用光學(xué)玻璃做基體并鍍鉻，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)，如圖a所示；反射式光柵：使用不銹鋼作基體，在其上用化學(xué)方法制出黑白相間的條紋，形成反光區(qū)和不反光區(qū)，如圖b所示。計量光柵的分類示意圖a）透射式光柵 b）反射式光柵 1光源 2透鏡 3指示光柵 4標(biāo)尺光柵 5光敏元件計量光柵按形狀分類：長光柵和圓光柵。長光柵用于直線位移測量，故又稱直線光柵；圓光柵用于角位移測量計量光柵的組成：標(biāo)尺光柵（主光柵）和

12、指示光柵，又稱光柵副。標(biāo)尺光柵和指示光柵之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長光柵中標(biāo)尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運(yùn)動部件上，所以兩者之間形成相對運(yùn)動。在圓光柵中，指示光柵通常固定不動，而標(biāo)尺光柵隨軸轉(zhuǎn)動。柵距：在圖中，a為柵線寬度，b為柵縫寬度，W=a+b稱為光柵常數(shù)，或稱柵距。通常a=b=W/2，柵線密度：10線/mm、25線/mm、50線/mm、100線/mm和200線/mm等幾種。角節(jié)距：對于圓光柵來說，兩條相鄰刻線的中心線之夾角稱為角節(jié)距，每周的柵線數(shù)從較低精度的100線到高精度等級的21600線不等。二、莫爾條紋的特點(diǎn)：1、光學(xué)放大：2、誤差均衡作用3、與光柵移動

13、方向有對應(yīng)關(guān)系三、莫爾條紋測位移原理：光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號；光柵數(shù)顯表是實現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。 兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程。 主光柵移動一個柵距W，光強(qiáng)變化一個周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強(qiáng)的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)(如圖13 -4所示)， 如以電壓輸出，則光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系為四、細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)又稱倍頻技術(shù)。如將光敏元件的輸出電信號直接計數(shù)，則光柵的分辨力只有一個W的大小。為了能夠分辨比W更小的位移量，必須采用細(xì)分電路。細(xì)分電路能在不增加光柵刻線數(shù)（線數(shù)越多，成本越昂貴）的情況下提高光柵的分辨力。該電路能在一個W的距離內(nèi)等間隔地給出n個計數(shù)脈沖。細(xì)分后計數(shù)脈沖的頻率是原來的n倍，傳感器的分辨力就會有較大的提高。通常采用的細(xì)分方法有4倍頻法、16倍頻法等，可通過專用集成電路來實現(xiàn)。為了能夠辨向，需要有相位差為/2的兩個電信號。五、辨向如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，是無法分辨移