数字传感器

数字传感器的原理及运用

宋圆圆

南京信息工程大学滨江学院电子科学与技术专业南京 210044

摘要：数字传感器

关键词：感应畸变

感应同步器

1.感应同步器的结构与类型

2.感应同步器的工作原理

数字传感器信号远传时的两个技术问题

1.传输线路引起的数字信号畸变与抑制

数字传感器

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。

人们越来越重视数字式传感器技术的发展。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。

数字式传感器具有下列特点：①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；②信号易于处理、传送和自动控制；③稳定性好，抗干扰能力强，电磁兼容性好。④便于动态及多路测量，读数直观；⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。

目前常用的数字式传感器主要有以下几种：①感应同步器；②编码器；③光栅；⑤容栅；⑥磁栅；④频率式传感器。

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。它具有两个平面型的印刷绕组，相当于变压器的初级和次级绕组。通过两个绕组的互感变化来检测其相互的位移。感应同步器可分为两大类，测量直线位移为直线式感应同步器和测量角位移为旋转式感应同步器。前者由定尺和滑尺组成，后者由转子和定子组成。感应同步器是一种多极感应元件，由于多极结构对误差起补偿作用，所以用感应同步器来测量位移具有精度高、工作可靠、抗干扰能力强、寿命长、接长便利等优点。

感应同步器的结构与类型

1．结构组成

图6-1所示为直线式感应同步器的绕组结构。它由两个绕组构成。定尺是长度为250mm 均匀分布的连续绕组，节距W2＝2（a2＋b2）。滑尺上布有断续绕组，分正弦（l－l’）和余弦（z—z’）两部分，即两绕组相差90°电角度。为此，两相绕组中心线距应为l1＝（n/2＋1／4）W2 ，其中n为正整数。两相绕组节距相同，均为 W2＝2（a1＋b1）。

通常，定尺的节距W2为2mm。定尺绕组的导片宽度要考虑消除高次谐波，可按式

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

a2＝n·W2/v来选择，其中v为谐波次数，n为正整数，显然a2＜W2／2。

滑尺的节距W1通常与W2相等，绕组的导片宽度同样可按式a1＝n·W1/v来选取。

图6-2所示为定尺和滑尺的截面结构图。基板2通常由钢板制成。为了保证测量的精度，对它的表面几何形状，外形尺寸及热处理等都有一定的要求。基板上通过粘合剂4粘有一层铜箔。铜箔厚度在0.lmm以下，通过蚀刻得到所需的绕组3的图形。在铜箔上面是一层耐腐蚀的绝缘涂层1。根据需要还可在滑尺表面再贴一层带绝缘层的铝箔5，以防止静电感应。

图6-2感应同步器定尺和滑尺的截面结构

(a)定尺（b）滑尺

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。图6-3为标准型直线式感应同步器的外形。标准型感应同步器是直线式中精度最高的一种，应用最广。为了减少端部电势的影响，安装时必须保证滑尺绕组全部覆盖在定尺绕组上，但不能覆盖定尺的两条引出线，以免影响测量精度。窄型感应同步器用于设备安装位置受限制的场合，除了宽度较标准型窄外，其余结构尺寸与标准型相同。由于宽度较窄，其磁感应强度比标准型低，故精度稍差。除上述两种类型外，带型直线式感应同步器的定尺最长可达3m以上，由于不需拼接，对安装面的精度要求不高，故安装便利。但由于定尺较长，刚性较差，其总的测量精度比标准型直线感应同步器低。

旋转式感应同步器的转子相当于直线式感应同步器的定尺，定子相当于滑尺。目前旋转式感应同步器按直径大致可分成302mm，178mm，76mm，50mm四种。极数（径向导体数）有360，720和1080数种。通常，在极数相同时，旋转式感应同步器的直径越大，精度越高。由于旋转式感应同步器的转子是绕转轴旋转的，所以必须特别注意其引出线。目前较多采用的方法，一是通过耦合变压器，将转子初级感应的电信号经空气间隙耦合到定子次级上输出；二是用导电环直接耦合输出。

图6-3标准型直线式感应同步器外观尺寸 图6-4 旋转式感应同步器外形图

2 感应同步器的工作原理

图6-5为感应同步器的工作原理示意图。当滑尺绕组用正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通，它与定尺绕组耦合，在定尺绕组上感应出同频率的感应电势。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。

当滑尺位于A 点时，余弦绕组左右侧的两根导片中的电流在定尺绕组导片中产生的感应电势之和为零。

当滑尺向右移，余弦绕组左侧导片对定尺绕组导片的感应要比右侧导片所感应的大。定尺绕组中的感应电势之和就不为零。

当滑尺移到1／4节距位置（图6-6B 点）时，感应电势达到最大值。

若滑尺继续右移，定尺绕组中的感应电势逐渐减少。到1／2节距时，感应电势变为零。再右移滑尺，定尺中的感应电势开始增大，但电流方向改变。当滑尺右移至3／4节距时，定尺中的感应电势达到负的最大值。在移动一个节距后，两绕组的耦合状态又周期地重复如图6-6A 点所示状态（曲线二）。同理，由滑尺正弦绕组产生的感应电势如图6-6曲线2所示。 以上分析可见，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u s ＝U s sin ωt 和u c ＝U c sin ωt ，则定尺上的感应电势e s 和e c 可用下式表达：

cos cos s s e K U t ω=ωθ 或 cos cos s s e K U t ω=-ωθ （6-1）

图6-5 感应同步器工作原理示意图 图6-6 两绕组相对位置与感应电势的关系 S-正弦绕组；C-余弦绕组