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L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6T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250nmi均匀分布的连续绕组，节距Wz=2a2+b2o滑尺上布有断续绕组，分正弦/—/和余弦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么=〃/2+1/4W2,其中〃为正整数两相绕组节距相同，均为W2=2@+〃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H；az，口曲图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/=来选择，其中V为谐波次数，刀为正整数，显然VW2/2滑尺的节距Wi通常与相等，绕组的导片宽度同样可按式@=〃•W/p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

0.1mm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3nl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302mnb178mm,76mm,50nlm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定尺占小占小占滑尺的占位置占心1一由C激磁的感应电势曲线2一由S激磁而感应电势曲线图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4=“sin3z双7〃c=sin3Z,则定尺上的感应电势es和仇可用下式表达4=,cos co/cos或e=-K,JJ,cos co/cos06-1A BA CM DE-K Uf.cos co/sin0或e=-Kt U/cos corsin0V IUC6-2v c其中Ka——耦合系数；e——与位移X等值的电角度，=2x/W2对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其输出信号的处理方式有鉴相法、鉴幅法和脉冲调宽法三种数字传感器信号远传时的两个技术问题传输线路引起的数字信号畸变与抑制在数字传感器信号远传时，因数字信号对外界干扰不敏感，故传输线路引起的信号畸变成为影响传感器信号传输距离的主耍因素如用普通信号电缆传输数字温度传感器DS18B20的信号，长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误，原因在于总线电缆分布电容引起信号波形畸变可见，研究传输线路引起的数字信号畸变与抑制技术，对实现数字传感器信号远传是必要的

1.传输线上电容引起上升沿和下降沿畸变传输线上的电容主耍包括线间分布电容和信号线对地分布电容一般后者比前者小得多不同传输线上的电容可能相差很大数字信号通过传输线时，其传输线上的电容会出现充放电过程，引起矩形脉冲的上升沿和下降沿变坏，造成波形畸变，图6-41v为畸变波形的示意图电容越大或脉冲信号的频率越高，畸变越严重所以，在实践中应注意以下几点

①合理估算畸变的允许程度和电容的允许值，注意将信号接收端的输入电容一并考虑；

②不同传输线的电容相差很大，如同轴电缆抗干扰能力最强，但电容较大；

③传输线越短，电容越小；

④合理布线，可减小电容图6-41传输线上电容引起的畸变.图6-42长线传输引起的振荡

2.长线传输引起的振荡设传输线的特性阻抗为加、信号源的输出阻抗为〃S、负载阻抗为他，则始端电压反射系数Ps和终端电压反射系数pL分别为ps=Rs-Zo/Rs+Zo6-284=勺一乙/+乙6-29可见，阻抗不匹配时，反射系数不等于零，即存在反射现象研究表明存在反射时，原始波在阻抗不连续点发生繁殖，原来的一个入射波到后来变成许多杂乱的纹波由于出现多次反射与透射，若每次反射都滞后一个时间，反射波与原始波叠加起来，就使信号发生严重畸变对于数字信号，最常见的畸变是在脉冲的上升沿和下降沿出现过冲或振荡振铃现象,图6-42为振荡现象示意图振荡幅度足够大时，就会在负载电路接收端的输入端产生非法的电平过渡，使传送的信息出错在有些情况下，振荡幅度可能超过电压的极限值，造成器件损坏畸变的程度主要取决于传输线的传输延迟时间打和脉冲信号上升时间tr.当传输延迟达到〃二5/2的程度，即信号的跳变过程在信号传到终端又被反射回始端之前就已结束,则必须在始端及终端进行阻抗匹配对选定的传输线，可估算出相应的最大匹配长度Imax.长度超过/侬筋即作长线处理，应进行阻抗匹配传输线的//〃wx可由下式估算3y/Km6-30式6-30中，上为脉冲信号的上升时间ns；卜为电磁波速度，”

1.4〜2X108m/s；A为经验常数，左二4〜5应当指出，当负载变重、延迟时间变长时，为ax需相应缩短常用的阻抗匹配方法有三种发送端阻抗匹配、终端特性阻抗匹配和终端二极管匹配每种方法各有特点，可根据具体情况选用传输数字信号时，通常按传输电缆的长度来选择终端匹配方法

3.传输线造成的幅度衰减导线的阻抗可视为电阻与电感的串联，低频时二者都很小，但二者都随频率的升高而增大，对信号幅度的衰减也随之增大例如，截面积为

5.5mmz的铜圆导线直流电阻是

3.3mQ/m,1MH z时增力口至lj30mQ/m,10M Hz时增力口至90m Q/m；直径2mm、长度1m的铜圆直导线的电感约为1u H,1MH z时的感抗2兀f L为

6.3Q,10MHz时的感抗为63Q；数控装置和计算机用的双绞线每米有50〜60个绞结时，分布电感为

0.73〜

0.80uH/mo可见，当传输的数字信号频率较高时，传输线造成的信号幅度的衰减不可忽视止匕外，信号串扰引起的附加噪声、过渡引起的毛刺等也会引起数字信号的畸变传输线的合理铺设对抑制数字信号畸变也很重要，具体操作可参考文献［7］理论与实践表明，恰当的传输线设计可使传输距离大大增加如用双绞线带屏蔽电缆取代普通信号电缆，来传输数字温度传感器DS18B20的信号，传输距离由50m增加到150m。