感应同步器_容栅_谐振式传感器

1、数字式传感器组员介绍苏晓东刘天博王化平冉崇建陈超潘敏合作汇总讲解材料整理目 录感应同步器1容栅2谐振式传感器3感应同步器类型特性直线式同步器标准型精度高、可扩展、精度最高窄型精度较高、可扩展、用于安装位置不够宽敞的地方带型精度较低、定尺长度达3m以上、对安装面精度不高旋转式同步器精度高、极数多、易于误差补偿、精度与极数成正比感应同步器由两个平面形印刷电路绕组构成。这两个绕组类似于变压器的初次级绕组，故又称为平面变压器。它是通过两个绕组的互感量随位置变化来检测位移量的。感应同步器作为测量元件：精密机床数字显示、数控机床闭环伺服、射击控制、雷达天线定位等高精度跟踪系统应用广泛。主要用途感应同步器结

2、构 直线感应同步器由定尺和滑尺组成。滑尺比定尺短。 直线感应同步器感应同步器结构基板厚度为10mm。目前高精度感应同步器多采用非铁磁材料作基板，如采用铝基材料、玻璃等，这些材料没有铁磁物质，可以减小误差和提高精度。绕组：定尺绕组是连续的单相绕组，滑尺绕组是分段绕组，按所处的磁场位置分为正弦绕组s和余弦绕组c，交替排列，各自串联形成正弦和余弦两相绕组。感应同步器结构W2片宽a2间隔b2定尺为连续绕组，节距W22(a2b2)，其中a2为导电片宽，b2为片间间隙，定尺节距即为检测周期W，常取W22mm。滑尺为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两局部，两绕组的节距都为W12(a1b1)，一般取W1W2或W1

3、2W2/3。2121l1W1a1b1感应同步器结构旋转式感应同步器 绕组是由辐射状的导片组成。转子上的绕组是单相连续绕组，其径向导片数也就是极数。 定子绕组是分段绕组，分为正弦和余弦两大组，交替排列，各自串联形成两相绕组。 直径越大，精度越高。感应同步器工作原理极距是相邻金属片中心线间的距离。节距L=2，也称检测周期。正弦绕组s和余弦绕组c相距(K1/4)L 或(K1/2)感应同步器工作原理定尺绕组通1-10kHz交流电激磁，产生一个多极的脉振磁场。磁极之间的距离是，磁场分布周期是节距L。脉振磁场在滑尺绕组上产生感应电势，有效值随滑尺位移作周期性变化，周期为节距L。感应同步器工作原理 当滑尺处

4、于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，那么定尺上的感应电压最大。 随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。 当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如下图感应同步器工作原理 再移动至1/2节距 处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。 再移至3/4节距，即图中D点位置时， 感应电压又变为零 当移动一个节距位置如图中E点，又恢复 到初始状态，与A点相同。 在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余

5、弦函数变化了一个周期，如图中ABCDE。感应同步器工作原理滑尺在不同位置时定尺上的感应电压情况 正弦绕组单独供电，感应电压与移动距离满足余弦关系 余弦绕组单独供电，感应电压与移动距离满足正弦关系感应同步器工作原理假设励磁电压 uUmsint (正弦绕组)那么定尺绕组产生的感应电势e ekUmsintcos式中，Um励磁电压幅值(V) 励磁电压角频率(rad/s) k电磁耦合系数，与绕组间最大互感系数有关； 滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角； kUm 为感应电压的幅值。感应同步器的信号处理原理滑尺正弦绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1滑尺余

6、弦绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos1+/2 =-KUcsin1感应同步器的信号处理原理滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，根据叠加原理，那么与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角感应同步器的信号处理原理感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。设滑尺绕组的节距为2，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2。假设滑尺的移动距离为x，那么对应于感应电势以余弦函数将变化 ： 电气相位角根据滑尺正、

7、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电方式的不同可构成不同检测系统鉴相型系统和鉴幅型系统。感应同步器的应用方式1鉴相工作方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差90的交流励磁电压 UsUmsint Uc=Umsint+/2=Umcost当滑尺移动x距离时，那么定尺上的感应电压为 Ud1k Uscosk Umsintcos Ud2k Uccos/2kUmcostsin感应同步器的应用方式应用叠加原理得出定尺绕组中的感应电压为 Ud=Ud1Ud2kUmsint- 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。 Um励磁电压幅

8、值(V) 励磁电压角频率(rad/s) k电磁耦合系数，与绕组间 最大互感系数有关； 滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角； kUm 为感应电压的幅值。例：感应电势与励磁电压相位差=1.8，节距W=2mm， 由= 2x/W x=0.01mm感应同步器的应用方式2鉴幅工作方式 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以为同频率、同相位，但不同幅值，即 UsUmsinsint UcUmcossint式中 励磁电压的给定为电气角. 分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为： UdskUmsinsint cos UdckUmcossint cos(/2)

9、 -kUmcossint sin感应同步器的应用方式根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势Ud为 Ud Ud s Ud c kUmsin cossint kUm cos sinsint kUmsinsint 定尺绕组中的感应电压Ud的幅值为 Umsin假设电气角，那么只要测量出Ud的幅值，便可间接地求出值，从而求出被测位移x的大小。当定尺绕组中的感应电压Ud0时，只要逐渐改变值，使Ud0，便可求出值，从而求出被测位移x。感应同步器的应用方式令 ，当 很小， Ud可近似表示为UdUm sint 将式 代入上式得当位移量x很小时，感应电压Ud的幅值与x成正比，因此可以通过测量Ud的幅值来测定位移量

10、x的大小。从而实现精确测量。容栅 根据结构形式，容栅传感器可分为三类，即直线容栅、圆容栅和圆筒容栅。其中，直线容栅和圆筒容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量。数字游标卡尺数字千分尺容栅容栅传感器的结构 容栅传感器主要由可动电极和固定电极构成，采用薄膜技术制作。首先，在两块100m厚的玻璃衬底上形成电极，两块衬底可以相互滑动。 动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺上有多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极接地。直线型容栅传感器容栅容栅传感器的原理 容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙。 一组发射电极的长度为一个节距W，一个反射电极对应于一组发射电极。在右图中，假设发射

11、电极有48个，分成6组，那么每组有8个发射电极。每隔8个接在一起，组成一个鼓励相，在每组相同序号的发射电极上加一个幅值、频率和相位相同的鼓励信号，相邻序号电极上鼓励信号的相位差是45360/8。容栅容栅传感器的原理 发射电极与反射电极、反射电极与接收电极之间存在着电场。由于反射电极的电容耦合和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。 当动尺向右移动x距离时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，反射电极上的电荷量发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在接收电极上累积的电荷Q与位移量x成正比。相对位置变化相对面积变化电荷量变化显示变化容栅容栅传感器的信号处理

12、上图为容栅传感器的相位测量系统方框图。由频率为100Hz的正弦、余弦信号和它的反相信号可得到四相信号，相位分别相差90。调整四相信号的幅值，使偏差小于0.02，并加在四极一组的驱动电极上。由输出电极获得的电压由缓冲放大器接收，然后加在滤波器上，滤掉输出电极拾得的交流声。四相信号中的残留串扰信号，可用补偿电路加以补偿。相移可用高分辨率相位计测量。通过计数电路，可把测量结果由LED显示出来。谐振式传感器谐振式传感器概述 基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出准数字信号，只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的数字信号。 谐振式传感器大体分为两类：一类是基于机械谐振结构谐振式传感器；另

13、一类是MOS环振式谐振传感器。本节主要介绍基于机械谐振结构的谐振式传感器。它们可利用振动频率、相位和幅值作为敏感信息的参数。谐振式传感器根本结构谐振式传感器原理闭环调频自激振动系统电磁力激振静电力激振压电激振热激振实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。谐振式传感器原理其自由振动的运动方程为：单自由度振动系统式中， 分别为系统的惯性力、阻尼力和弹性力，它们分别表征维持系统运动状态的能力、消耗系统能量的程度和改变系统运动状态的能力。谐振式传感器原理自由振动的解为：代入原方程得：由于谐振式传感器使用的振动系统总是有振荡的，上式的解应写式中,i为虚数单位；n为系统的固有频率，取决于谐振敏感元件的固有

14、特征；为系统的等效阻尼比；d为系统的振荡频率。谐振式传感器原理自由振动的解为：式中A0，0由系统的初始条件确定。上式可知：n增大时，系统的衰减加快，消耗能量快；增大时，系统的振荡周期增长；当0时， 。这时系统处于简谐振动状态；振动频率只与系统的固有状态有关。 谐振式传感器原理当系统受到周期鼓励力作用时，系统的振动方程为： 该方程的解包括两局部：一局部是系统初始条件引起的，其运动形式同上式；另一局部由外界鼓励引起的稳态解，可写为谐振式传感器原理式中C0是幅值为B的恒静力对系统产生的位移；A( )， ( )分别称为系统的幅频特性和相频特性。谐振式传感器原理只要放大器能不断给系统补充由于阻尼所消耗的

15、能量，同时通过调节移相器又能保证在每个周期同相位迭加，那么该系统就能进行等幅自激振荡。闭环自激的条件谐振式传感器原理由上述分析可知：对于谐振式传感器，从检测信号的角度，它的输出可以写为 为归一化周期函数，满足：当 时， 。这里T为周期，A、分别为检测信号的幅值、振频和相位，称为传感器检测信号x(t)的特征参数。 ，具有360( )。谐振子的Q值在谐振式传感器中，谐振子的品质因素Q值是一个极其重要的指标，针对能量的定义式为 1，2(P1,P2)对应的幅值增益为 ，称为半功率点。谐振子的Q值显然Q值反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗能量快慢的程度。同时也反映了幅频特性曲线谐振峰的陡峭的程度，即谐

16、振敏感元件选频能力的强弱。 谐振子的Q值可见高Q值的谐振子对于构成闭环自激系统及提高系统的性能是有利的，应采取各种措施提高谐振子的Q值。这是设计谐振式传感器的核心问题。影响谐振子Q值的因素主要有：材料自身的特性，加工工艺，谐振子的结构(边界状况及封装情况)和使用环境等。提高机械品质因数Q降低激振所需能量降低热损耗产生的误差获得极窄通频带提高选频能力优点谐振式传感器综上所述，相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特征与独特优势是： 输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机连接，便于远距离传输； 传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特

17、征决定了传感器系统的输出自动跟踪输入； 谐振式传感器的敏感元件即谐振子固有的谐振特性，决定其具有高的灵敏度和分辨率； 相对与谐振子的振动能量，系统的功耗是极小量。这一特征决定了传感器系统的抗干扰性强，稳定性好。谐振弦式压力传感器顾名思义，传感器的谐振元件是一根张紧的金属丝，称为振弦。在电鼓励下，振弦按其固有频率振动。改变振弦的张紧力T，可以得到不同的振动频率f，即张紧力与谐振频率成单值函数关系。结构谐振弦式压力传感器 其工作原理是，将张紧的金属弦丝（导电而不导磁）置于永久磁场中与磁力线相垂直，弦丝既起到激振作用（电流变力），又起到接收其信息的作用（速度变电压）。由于阻力作用，振弦的自振将逐渐衰

18、减，因此必须补给能量以维持振弦稳定的等幅振荡。谐振弦式压力传感器由图可以看到，在磁场内的载流振弦受到电磁力F1的作用，电磁力的大小为式中 B 磁感应强度；l 振弦的有效长度；i 通过振弦的电流。式中ic是克服振弦惯性力所需的电流。力F1的一部分用于克服振弦质量m的惯性，使之获得一定的速度v：谐振弦式压力传感器当振弦以速度v运动时便切割磁力线，产生感应电势e，其值为把上式与电容器充电公式加以比较可以看出，在磁场中运动的振弦质量m的作用相当于一只电容，因而可用等效电容C来表示，即谐振弦式压力传感器 振弦一方面作为质量m的惯性体被加速，从而吸收了一局部电磁力F1，使之到达速度为v的运动，另一方面，振

19、弦又作为具有横向刚度的弹簧在起作用，因此电磁力又要用于克服弹簧反作用力Fe。设在时间t=tx时振弦偏离初始平衡位置的距离为，那么其弹性反作用力Fe为使中K为振弦的横向刚度系数。谐振弦式压力传感器由于 ， ， ，那么反电势为式中ie是克服弹性反作用力所需的电流。把上式与电感反电势公式 相比较可看出，位于磁场内张紧的弦产生横向振动时，其作用又相当于感性阻抗，其等效电感为 因此，位于磁场中一根张紧的振弦的运动，如同一个并联的LC电路，因而振荡频率可按LC回路方法来计算，即谐振弦式压力传感器把等效电容C、等效电感L带入上式，得振弦的横向弹性系数K和质量m可分别按下式求出，式中 T振弦的张紧力； S振弦横截面积； 振弦金属丝材料的密度； l振弦的有效长度。谐振弦式压力传感器整理后得到振弦频率0为从而建立了振弦在固有频率f0上的等幅振荡。从上式可以看出，振荡频率f与振弦张紧力T的函数关系接近为抛物线关系。谐振弦式压力传感器当感压膜片受压力作用时，弦丝的