传感器技术10数字传感器中英对照

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,第十章 数字式传感器,Digital Sensors,光栅,Raster/Grating,1.2,第,10,章 数字式传感器,感应同步器,Inductosyn,10.1,10.2,编码器,Encoder,10.3,频率式传感器,Frequency sensor,10.4,2,第,10,章 数字式传感器,数字式传感器:,能把被测,(,模拟,analog,),量直接转换成,数字,digital,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.抗干扰能力强，稳定性好；,3.信号易于处理、传送和自动控制；,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。,3,10.1,感应同步器,感应同步器,(,Inductosyn,Inductive Synchronizer),是应用,电磁感应原理,把,位移量,(Displacement quantity),转换成,数字量,(Digital quantity),的传感器。,感应同步器是一种,多极感应元件,(,Multipole,sensing element),，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,。,第一节 感应同步器,4,第,10,章 数字式传感器,结构组成,5,第,10,章 数字式传感器,基板,(Foundation),上通过粘合剂,(Adhesive),4,粘有一层铜箔,(Copper foil),。铜箔厚度在,0.lmm,以下，通过蚀刻,(etching),得到所需的绕组,(Winding),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,(Aluminium foil),5,，以防止静电感应,(Static Induction),。,6,第,10,章 数字式传感器,一、感应同步器的工作原理,定尺,(Stationary scale),中的感应电势随,滑尺,(Sliding scale),的相对移动呈,周期性,(Periodic),变化；,定尺的,感应电势,(Induced potential),是感应同步器相对位置的,正弦函数,(Sine function),。,若在滑尺的正弦,(Sine),与余弦,(Cosine),绕组上分别加上正弦电压,u,s,U,s,sint,和,u,c,U,c,sint,，,则定尺上的感应电势,e,s,和,e,c,可用下式表达：,其中：,K,耦合系数,(Coupling Coefficient),；,与位移,x,等值的电角度，,2xW,2,7,第,10,章 数字式传感器,8,第,10,章 数字式传感器,对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁,(Excitation),，其输出信号的处理方式有:1.,鉴相法,(Phase Discrimination),2.,鉴幅法,(Amplitude Discrimination),3.,脉冲调宽法,(Impulse Width Modulation),三种。,9,第,10,章 数字式传感器,所谓鉴相,(Phase Discrimination),法就是根据,感应电势的相位来测量位移,。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的正弦和,余弦绕组,(Cosine winding),上分别加频率和幅值,(Amplitude),相同，但相位差为,/2,的正弦激磁电压，即,u,s,U,m,sin,t,和,u,c,U,m,cos,t,。,鉴相法,(Phase discrimination method),10,根据式（102），当余弦绕组单独激磁,(Excitation),时，感应电势为,同样，当正弦绕组单独激磁时，感应电势为,第,10,章 数字式传感器,10-3,10-4,11,正、余弦绕组同时激磁时，根据叠加原理,(Superposition Principle),，总感应电势为,:,上式是鉴相法的基本方程。由式可知，感应电势,e,和余弦绕组激磁电压 之间相位差 正比于定尺与滑尺的相对位移,(Relative displacement),。,第,10,章 数字式传感器,10-5,12,第,10,章 数字式传感器,所谓鉴幅法就是根据感应电势的幅值来测量位移。若在感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组上分别加频率和相位相同、但幅值不等的正弦激磁电压，即,和 。,则在定尺绕组上产生的感应电势分别为,鉴幅法,(Amplitude discrimination method),13,根据叠加原理,(Superposition Principle),，感应电势为：,（,10,6,）,由上式可知，感应电势的幅值为,KU,m,sin,（,），调整激磁电压,值，使,2,x,W,2,，则定尺上输出的总感应电势为零。,激磁电压的中值反映了感应同步器定尺与滑尺的相对位置。式（,10,6,）是鉴幅法的基本方程。,=,14,3,脉冲调宽法,(Impulse Width Modulation),前面介绍的两种方法都是在滑尺上加正弦激磁电压，而脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波,(Square Wave),电压，即,其波形如图,10-8(a),所示。把,u,s,，,u,c,分别用傅里叶级数展开,(Fourier series expansion),，可得,15,感应同步器,若把,u,s,加到滑尺正弦绕组上，则定尺感应电势,e,s,应为各次谐波所产生的感应电势之和，即,(10-7),(10-8),(10-9),16,感应同步器,若把,u,c,加到滑尺余弦绕组上，同样可得到定尺感应电势为各次谐波,(Harmonic),产生的感应电势之和，即,(10-10),e,s,、,e,c,的波形均为一系列的尖脉冲，如图,10-8(b),。,图,10-8,波形图,（,a,）激磁方波电压； （,b,）感应电势,17,当正弦、余弦绕组同时分别以,u,s,、,u,c,激磁时，根据叠加原理，定尺中的总感应电势为,e,e,s,e,c,。从上面的,e,s,、,e,c,表达式中可知：感应电势除基波分量外，还含有丰富的高次谐波分量。若使用性能良好的滤波器滤去高次谐波，取出基波,(Fundamental Harmonic),成分，这时可认为感应电势为,（,10,11,）,它表明了滑尺、定尺间的相对位移与激磁脉冲的宽度之半,的关系。,18,第,10,章 数字式传感器,当用感应同步器来测量位移时，与鉴幅法相类似，可以调整激磁脉冲宽度,值，用,跟踪,。,当用感应同步器来定位时，则可用中来表征定位距离，作为位置指令，使滑尺移动来改变,，,直到,，,即,e0,时停止移动，以达到定位的目的。,脉冲调宽法则在滑尺的正弦和余弦绕组上分别加周期性方波电压,可认为感应电势为,19,第,10,章 数字式传感器,二、数字测量系统,鉴相法测量系统,图109为鉴相法测量系统的原理框图。,它的作用是通过感应同步器将代表位移量的电相位变化转换成数字量,。鉴相法测量系统通常由,位移相位转换,，,模一数转换,和,计数显示,三部分组成。,20,第,10,章 数字式传感器,21,第,10,章 数字式传感器,位移相位转换的功能是通过感应同步器将位移量转换为电的相位移。,模数转换的主要功能是将代表位移量,（,定尺输出电压的相位）的变化再转换为数字量。,鉴相器是一个相位比较装置，其输人来自经放大、滤波、整形后的输出信号,e，,以及相对相位基准输出信号,o,。,相对相位基准（脉冲移相器）实际上是一个数模转换器、它是把加、减脉冲数转换为电的相位变化。,模数转换的,关键是鉴相器,。,22,第,10,章 数字式传感器,由以上分析可见鉴相法测量系统的,工作原理,是：,当系统工作时，,，,相位差小于一个脉冲当量。若将计数器置0，则所在位置为“相对零点”。,假定以此为基准，滑尺向正方向移动，,的相位发生变化，,与,之间出现相位差，通过鉴相器检出相位差,，,并输出反映,滞后于,的高电平。,该两输出信号控制脉冲移相器，使,产生相移，,趋近于,。,当到达新的平衡点时，相位跟踪即停止，这时,。,在这个相位跟踪过程中，插人到脉冲移相器的脉冲数也就是计数脉冲门的输出脉冲数，再将此脉冲数送计数器计数并显示，即得滑尺的位移量。,另外，不足一个脉冲当量的剩余相位差，还可以通过模拟仪表显示,。,23,鉴幅法测量系统,此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电压幅值转换成数字量。,图,10-10,鉴幅法测量系统原理图,鉴相法和鉴幅法测量系统都是一个闭环伺服系统，只是反馈量不同。在使用中，都受最大运动速度的限制，且后者的运动速度及精度都较前者低。,24,第,10,章 数字式传感器,三、感应同步器的接长使用,感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静态和动态测量。,在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常用它作为测量元件。,与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单，接长方便。,目前在测长时误差约为1,m/250mm，,测角时误差约为0.5,”,。,25,10.2,光栅,光栅,(Raster/Grating),是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有,物理光栅,(Physical Grating),和,计量光栅,(Metric Grating),之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的,衍射,(diffraction),现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的,莫尔条纹,(,Moire,Stripes),现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。,按应用需要，计量光栅又有,透射光栅,(Transmission Raster),和,反射光栅,(Reflection Raster),之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的,长光栅,(,直光栅,),和测量角位移的,圆光栅,。,第二节 光 栅,26,27,光栅的结构与测量原理,图,10-12,光栅的莫尔条纹,（,a,） 光栅 （,b,） 莫尔条纹,1-,主光栅,2-,指示光栅,莫尔条纹,Moire Stripes,28,29,30,31,第,10,章 数字式传感器,光电转换,(Photoelectric conversion),为了进行,莫尔条纹,(Moire Stripe),读数，在光路系统中除了,主光栅,(Primary Raster),与,指示光栅,(Indication Raster),外，还必须有,光源,(Light source),、,聚光镜,(Condensing Lens),和,光电元件,(Photoelectric component),等。图10,-13,为一透射式光栅传感器的结构图。主光栅与指示光栅之间保持有一定的间隙。光源发出的光通过聚光镜后成为,平行光,(Parallel light),照射光栅，光电元件（如硅光电池）把透过光栅的光转换成电信号。,32,光 栅,图,10-13,透射式光栅传感器结构图,1-,主光栅,2-,指示光栅,3-,硅光电池,4-,聚光镜,5-,光源,图,10-13,为一透射式光栅传感器的结构图。主光栅与指示光栅之间保持有一定的间隙。光源发出的光通过聚光镜后成为平行光照射光栅，光电元件（如硅光电池）把透过光栅的光转换成电信号。,当两块光栅相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变化。如图,10-14,所示，,33,光 栅,在,a,位置，两块光栅刻线重叠，透过的光最多，光强最大；在位置,c,，光被遮去一半，光强减小；,在位置,d,，光被完全遮去而成全黑，光强为零。光栅继续右移；在位置,e,，光又重新透过，光强增大。在理想状态时，光强的变化与位移成线性关系。,但在实际应用中两光栅之间必须有间隙，透过的光线有一定的发散，达不到最亮和全黑的状态；再加上光栅的几何形状误差，刻线的图形误差及光电元件的参数影响，所以输出波形是一近似的正弦曲线，如图,10-14,所示。,图,10-14,光栅位移与光强、输出信号的关系,34,光 栅,可以采用空间滤波,(spatial filtering),和电子滤波,(electronic filtering),等方法来消除谐波分量,(harmonic components),，以获得正弦信号。,光电元件的输出电压,u,（或电流,i,）由直流分量,U,0,和幅值为,U,m,的交流分量叠加而成，即,（,10-13,）,上式表明了光电元件的输出与光栅相对位移,x,的关系,35,第,10,章 数字式传感器,数字转换,(Digital conversion),原理,1辨向原理,(principle of direction judgement),光栅的位移变成莫尔条纹的移动后，经光电转换就成电信号输出。但在一点观察时，无论主光栅向左或向右移动，莫尔条纹均作明暗交替变化。若只有一条莫尔条纹的信号，则只能用于计数，无法辨别光栅的移动方向。,为了能辨向，尚需提供另一路莫尔条纹信号，并使两信号的相,位差为,/2,。,通常采用在,相隔,1/4,条纹,间距的位置上安放两个光电元件来实现，,36,第,10,章 数字式传感器,2电子细分,(Electric subdivision),高精度的测量通常要求长度精确到10.,lm，,若以光栅的栅距作计量单位，则只能计到整数条纹。例如，最小读数值为0.,lm，,则要求每毫米刻一万条线。就目前的工艺水平有相当的难度。所以，在选取合适的,光栅栅距,(Raster space),的基础上，对栅距细分，即可得到所需要的最小读数值，提高“分辨”能力。,37,第,10,章 数字式传感器,四倍频细分,(Quadruple subdivision),在上述“辨向原理”的基础上若将,u,2,方波信号也进行微分，再用适当的电路处理，则可以在一个栅距内得到二个计数脉冲输出，这就是二倍频细分。,如果将辨向原理中相隔,B4,的两个光电元件的输出信号反相，就可以得到4个依次相位差为,/2,的信号，即在一个栅距内得到四个计数脉冲信号，实现所谓四倍频细分。,在上述两个光电元件的基础上再增加两个光电元件，每两个光电元件间隔14条纹间距，同样可实现四倍频细分。这种细分法的缺点是由于光电元件安放困难，细分数不可能高，但它对莫尔条纹信号的波形没有严格要求，电路简单，是一种常用的细分技术,38,第,10,章 数字式传感器,电桥细分,(Bridge subdivision),39,第,10,章 数字式传感器,用电桥细分法可以达到较高的精度，细分数一般为1260，,但对莫尔条纹信号的波形幅值，直流电平及原始信号,U,m,sin,与,U,m,cos,的,正交性,(,Orthogonality,),均有严格要求。,而且电路较复杂，对,电位器,(Potentiometer),、,过零比较器,(Zero-crossing comparator),等元器件均有较高的要求。,40,第,10,章 数字式传感器,如前所述，计量光栅测量位移最终是依靠,数字转换,(digital conversion),系统完成的，实质上是由,计数器,(counter),对莫尔条纹计数。,使用中，为了克服断电时计数值无法保留，重新供电后，测量系统不能正常工作的弊病，可以用机械等方法设置,绝对零位点,(absolute zero),，但精度较低，安装使用均不方便。,目前通常采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零位参考标志的方法,零位光栅,(zero grating),，它使光栅成为一个准绝对测量系统。,41,第,10,章 数字式传感器,42,10.3,编码器,编码器,(Encoder),以其高精度。高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。,编码器按照作用原理可分为：,光电式,(Photoelectric type),、,接触式,(Contact type),和,电磁式,(Electromagnetic type),。,编码器按结构形式有,直线式,(Linear),编码器和,旋转式,(Revolving),编码器之分。由于旋转式光电编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字式传感器，并已有各种系列产品可供选用，故本节着重讨论旋转式光电编码器。,第三节 编码器,43,第,10,章 数字式传感器,旋转式编码器有两种,增量编码器,(Incremental Encoder),和,绝对编码器,(Absolute Encoder),增量编码器与前面讨论的数字式传感器有类似之处。它的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。,最简单的一种绝对编码器是,接触式编码器,绝对编码器二进制输出的每一位都必须有一个独立的,码道,(Track),。一个编码器的码道数目决定了该编码器的,分辨力,(Resolution),。,44,第,10,章 数字式传感器,45,第,10,章 数字式传感器,从编码,(Encoding),技术上分析，造成错码,(Wrong code),的原因是从一个码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变。若每次只有一位码改变，就不会产生错码，例如,格雷码,Gray code,（,循环码,Cyclical code,）。格雷码的两个相邻数的码变化只有一位码是不同的（见表101）。从格雷码到二进制码的转换可用硬件实现，也可用软件来完成。,46,第,10,章 数字式传感器,47,48,49,第,10,章 数字式传感器,旋转式,(Revolving),光电编码器,接触式编码器,(Contact Encoder),的实际应用受到,电刷,(Brush),的限制。目前应用最广的是利用光电转换原理构成的,非接触式光电编码器,(Contactless Photoelectric Encoder),。由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。目前大多数,关节式工业机器人,(Joint Industrial Robot),都用它作为角度传感器。国内已有16位绝对编码器和每转10000脉冲数输出的小型增量编码器产品，并形成各种系列。,50,1,绝对编码器,图,10-20,光电绝对编码器结构示意图,光电编码器的,码盘,(Code Disk),通常是一块光学玻璃，码盘与旋转轴相固联。玻璃上刻有,透光,(Nonopaque),和,不透光,(Opaque),的图形。编码器光源产生的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。,光学码盘通常用,照相腐蚀法,(Photoetching),制作。现已生产出径向线宽为,6.710,8,rad,的码盘，其精度高达,1/10,8,。,51,图,10-21,具有分解器的,19,位光电编码器,该编码器的码盘具有,14,（位）,内码道,(Inner code track),和,1,条专用,附加码道,(additional code track),。后者的扇形区,(Fan shaped sector),之形状和,光学几何结构,(Optical geometric structure),稍有改变，且与光学分解器的多个光敏元件相配合，,52,编码器,其能产生接近于理想的正、余弦波输出；并通过平均电路进行处理，以消除码盘的机械误差，从而得到更为理想的正弦或余弦波。对应于,14,位中最低位码道的每一位，光敏元件将产生一个完整的输出周期，如图,10-22,所示。,图,10-22,附加码道光敏元件输出,53,插值器将输人的正弦信号和余弦信号接不同的系数加在一起，形成数个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信号经过零比较器转换成一系列脉冲，从而细分了光敏元件的输出正弦波信号，于是就产生了附加的最低有效位。如图,10-22,所示的,19,位光电编码器的插值器产生,16,个正弦波形。每二个正弦信号之间的相位差为,8,，,从而在,14,位二进制编码器的最低有效位间隔内产生,32,个精确等分点。这相当于附加了,5,位二进制数的输出，使编码器的分辨率从,1/2,14,提高到,1/2,19,，,优于,1/52,5,，角位移小于,3,。,54,第,10,章 数字式传感器,2.,增量编码器,(Incremental encoder),增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对码盘码道的意义。,55,第,10,章 数字式传感器,与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。,56,第,10,章 数字式传感器,4.,光电增量编码器的应用,（1）典型产品应用介绍,图1024所示为,LEC,型,小型光电增量编码器的,外形图。每转输出脉冲,数为205000，最大允,许转速为5000,rmin。,57,第,10,章 数字式传感器,（2）测量转速,增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。,58,第,10,章 数字式传感器,（3）测量线位移,在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移,(Linear displacement),转换成角位移,(Angular displacement),。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度,59,第,10,章 数字式传感器,60,第,10,章 数字式传感器,图1027（,a）,表示通过丝杆,(Lead screw),将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为,6,mm,的丝杆，可达到4,m,的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。,图（,b）,是用齿轮齿条,(Rack-and-Pinion),来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。,图（,c）,和（,d）,分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。,无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的,基准零位,(benchmark zero),，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。,61,第,10,章 数字式传感器,测量电路,实际中，目前都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，,所以只要加上计数与细分电路（统称测量电路）就可组成一个位移测量系统。从这点看，这也是编码器的一个突出优点。,62,第,10,章 数字式传感器,在前几节介绍的数字式传感器中，除了绝对编码器能将位移量直接转换成数字量外，其余几种都是将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统所计的脉冲个数来反映被测量的值。,本节介绍的数字式传感器，其输出虽然也是一系列脉冲，但与被测量对应的是脉冲的频率。,这种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,(Frequency Transducer),。,前述用增量编码器作转速测量时，其编码器的输出是与转速成正比的脉冲频率，这实际上就是一种频率式传感器。,第四节 频率式传感器,63,第,10,章 数字式传感器,一、,RC,频率式传感器,利用热敏电阻把温度变化转换成频率信号的方法是,RC,频率式传感器的一例。热敏电阻作为,RC,振荡器的一部分。基本电路如图1030所示。,RC,振荡器的振荡频率由下式决定,64,第,10,章 数字式传感器,65,第,10,章 数字式传感器,二、石英晶体,(Quartz Crystal),频率式传感器,利用石英晶体的,谐振,(Resonance),特性，可以组成石英晶体频率式传感器。,石英晶体本身有其固有的振动频率，当,强迫振动频率,(Forced Vibration Frequency),与它的,固有振动频率,(Natural Vibration Frequency),相同时，就会产生谐振。,如果石英晶体谐振器作为,振荡器,(Oscillator),或,滤波器,(Filter),时，往往要求它有较高的温度稳定性；而当石英晶体用作温度测量时，则要求它有大的频率温度系数,因此,它的切割方向（切型,cut,）不同于用作振荡器或滤波器的石英晶体。,66,第,10,章 数字式传感器,当温度在80250范围时，,石英晶体的温度与频率的关系可表示,为,（1018）,式中,f,0,t0,时的固有频率；,a，b，c,频率温度系数。,67,第,10,章 数字式传感器,可以选择一特定切型的石英晶体，使得式（10,-18,）中的系数,b,和,c,趋于零。这样切型的晶体具有良好的线性频温系数，其非线性仅相当于10,3,数量级的温度变化。晶体的固有谐振频率取决于晶体切片的面积和厚度。在石英晶体频率式温度传感器中，根据温度每变化1度振荡频率变化若干赫兹的要求，以及晶体的频温系数，可确定振荡电路的基频。,68,第,10,章 数字式传感器,69,第,10,章 数字式传感器,三、弹性振体,(Elastic vibrator),频率式传感器,管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理而可奏乐，这早已为人们所熟知。而把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用于传感器技术，这却是近几十年的事。弹性振体频率式传感器就是应用振,弦,String,、振,筒,Canister,、振,梁,Beam,和振,膜,Film,等弹性振体的,固有振动频率,(Natural Vibration Frequency),（自振谐振频率）来测量有关参数的。,只要被测量与其中某一物理参数有相应的变化关系，我们就可通过测量振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体固有振动频率来达到测量被测参数的目的。这种传感器的最大优点是性能十分稳定。,70,第,10,章 数字式传感器,1振弦式,(Vibrating String),频率传感器,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上且平行于受力部件。当堂力部件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,f,0,取决于它的长度,l,、,材料密度,和内应力,，,可用下式表示：,71,第,10,章 数字式传感器,72,第,10,章 数字式传感器,图 1033所示为某一振弦式传感器的输出输人特性。,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,在,1,至,2,之间变化时，钢弦的振动频率为10002000,Hz,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,0,。,73,第,10,章 数字式传感器,74,第,10,章 数字式传感器,图1035所示为差动振弦式力传感器。它在圆形弹性膜片7的上下两侧安装了两根长度相等的振弦1、5，它们被固定在支座2上，并在安装时加上一定的预紧力。,在没有外力作用时，上、下两根振弦所受的张力相同，振动频率亦相同，两频率信号经混频器12混频后的差频信号为零。当有外力垂直作用于柱体4时，弹性膜片向下弯曲。上侧振弦5的张力减小，振动频率减低；下侧振弦1的张力增大，振动频率增高。混频器输出两振弦振动频率之差频信号，其频率随着作用力的增大而增高。,75,第,10,章 数字式传感器,图中两根振弦应相互垂直，这样可以使作用力不垂直时所产生的测量误差减小。因为侧向作用力在压力膜片四周所产生的应力近似是均匀的，上、下两根振弦所受的张力是相同的，根据差动工作原理，它们所产生的频率变化被互相抵消。因此，传感器对于侧向作用是不敏感的。,在图10,-35,的基础上，还可利用高强度厚壁空心钢管作受力元件，把3根、6根或更多根振弦均等分布置于管壁的钻孔中，用特殊的夹紧机构把振弦张紧固定，构成多弦式力传感器。,76,