钱钧传感器_06数字式传感器

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传感器原理及应用

Principles and Applications of Transducer

机械与汽车工程学院

主讲：钱钧

电邮：qianjun@

地址：机械楼604室

2011年5月10日

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传感器在汽车安全上的应用 沃尔沃XC60的城市安全系统

激光雷达，检测前方10m范围，车速

<30km/h

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课前回顾

电介质

内部带电粒子因受原子、分子的内力或分子间的力约束，导致电荷只能在微观（如分子）范围内微小移动，即束缚电荷理想的电介质是绝缘体，内部无自由电荷（即可移动宏观距离的电荷）在外电场作用下能产生电极化（形成极化电荷）现象的物质统称为电介质

无极分子电介质：分子的正电荷中心与负电荷中心重合，如CO2有极分子电介质：分子的正电荷中心与负电荷中心不重合，如H2O 两类电介质

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电偶极子

两个相距较近的等量异号点电荷+q与-q所组成的带电系统电偶极子中，电荷的电量与负、正电荷之间位移向量 G G的乘积

电偶极矩

p= q l

简称电矩，是矢量，反映电偶极子整体电性质的物理量单位体积中所有分子的电偶极矩的矢量和

电极化强度

K P=

K∑pΔV

均匀极化非均匀极化3

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无极分子位移极化

正压电效应过程中，在外力作用下石英晶体分子的正、负电荷中心发生相对移动而不再重合，产生分子电矩在晶体某些表面产生极化电荷，整体显电性

分子：极化前

极化时

整体电性4

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有极分子取向极化

某些电介质中正、负电荷中心不重合，存在固有电偶极矩，但电偶极子排列杂乱，整体不显电性人工施加外电场时，电偶极子转向，使电偶极矩方向趋近于与外电场方向一致，产生极化电荷，整体显电性；撤除电场后，电性消失，恢复原状 G GE0

G F人工极化前

F

极化时，为了使电偶极子电势能最低，产生转向力矩

在垂直于电场方向的两个表面产生电荷 5

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铁电性

压电陶瓷内部有多个电畴(自发极化方向一致的小区域),不同电畴的极化方向无规律人工施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，多畴晶体逐渐单畴化撤除外电场后，内部残余剩余极化强度直流电场E剩余极化强度

畴壁

电场作用下的伸长

剩余伸长

(a)极化前

(b)极化中

(c)极化后

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第六章数字式传感器

模拟式传感器：需要A/D转换装置数字式传感器：将被测参数直接转换成数字信号输出

具有很高的测量精度，易于实现系统的快速化、自动化和数字化，易于与微处理机配合，组成数控系统，在机械工业的生产和自动测量，在机电控制系统中得到广泛的应用

第一节码盘式传感器第二节光栅式传感器

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6.1 码盘式传感器

光学码盘式传感器

用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件光电码盘安装在光源与光敏元件之间，光源通过窄缝照射在某个半径的码盘上，码盘后方沿此半径安装多个(视位数而定)光敏元件，便可得到并行输出信号

光源柱面镜码盘狭缝光电元件

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6.1码盘式传感器

光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃。玻璃上刻有透光和不透光的图形(形成透光和不透光区)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码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件光源柱面镜码盘狭缝光电元件

平行光

光脉冲

电脉冲

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6.1码盘式传感器

码盘

图中为一个6位的二进制码盘。最内圈称为C6码道，一半透光、一半不透光。最外圈称为C1码道，一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000 (全黑),第23个方位对应于 (010111)。测量时，只要根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。48 C6 32 0 C1

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6位二进制码盘

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6.1 码盘式传感器

绝对编码器

绝对码编码器相对于内部参考，能给出与可动单元或圆盘的每个可分辨位置相对应的唯一数字输出。可动单元由具有明显特性并用二进制值0或1表示的区域构成。它们的编码带排列可以使计读系统直接给出与每个位置相对应的编码数。每个编码带对应于一个输出位，最里面的编码带对应于最高有效位。

光源：红外发光二极管

光电探测器：光电晶体管

或光电二极管

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6.1 码盘式传感器

绝对编码器的特点

在被测转角不超过360°情况下，绝对型编码器的码盘所提供的是转角的绝对值，即从起始位置（对应于输出各位皆为零的位置）所转动的角度。在应用中如遇停电，恢复供电后的显示值仍然能正确地反映当时角度。当被测转角大于360°时，绝对型码盘将变成增量型码盘。为了在测大转角时仍能得到转角绝对值，可以用两个或多个码盘借助机械减速器配合起来，扩大角度量程。但是，在这种情况下转速低的高位码盘必须制作得相当精密，其角度误差应该比转速高的低位码盘末位有效值还要小，否则读数将失去意义。

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6.1 码盘式传感器

增量编码器

由位置待定元件驱动的直尺或低惯性圆盘组成。码盘只有一个数据环，且由等宽度的黑白径向条纹构成，则码盘转动时可产生串行光脉冲，用脉冲计数器将脉冲数累加起来也能反映转过的角度大小。但一遇停电

就会把累加脉冲数丢失，必须有停电记忆措施。

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6.1 码盘式传感器

增量编码器

应用

编码圆盘的常用直径为25 mm~90 mm。直线增量编码器能以达0.5 um/周期的分辨率和达50 um的精度对位置进行测量。通常用于位置控制。例如：磁盘和磁带驱动器的读／写头定位，打印机、复印机和传真机中的纸定位，自动机床中刀具的定位以及尺寸大小的计量。小型旋转编码装置由于寿命较长而可以取代仪器面板上的控制电位器。

缺点

每当断电或在刚一通电之后便丢失位置信息。不能检测移动方向，除非增添辅助部件。为了辨向，往往要将两个光敏元件装在相距一定角度的位置上，根据受光时刻的先后辨别方向。

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6.1码盘式传感器

增量编码器

光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。

零位计数鉴向盘

¼节距

使用鉴向器进行相位比较15

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6.1码盘式传感器

增量编码器的使用

DSP定时向工控机发送脉冲数值工控机程序：

EncCounter= (ReceiveInfo[i].Data[4]<<8)+(ReceiveInfo[i].Data[5]);转动圈数当前脉冲数 EncValue= (ReceiveInfo[i].Data[6]<<8)+(ReceiveInfo[i].Data[7]);总脉冲数 WholeValue= EncCounter*60000+ EncValue;

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6.1 码盘式传感器

编码器形状

长春一光（

）实心轴编码器空心轴编码器

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6.1 码盘式传感器

增量编码器的应用

测量转轴转角

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6.1 码盘式传感器

增量编码器的应用

在印染行业中的应用双心轴编码器

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6.1 码盘式传感器

绝对编码器的应用

激光测距传感器

SICK LMS291-S05

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mw51.html