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日志

数字传感器的结构特征及工作原理详解

已有 1010 次阅读2018-1-16 15:30 |个人分类:传感器|系统分类:传感与控制| 数字传感器

数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块,使之输出信号为数字量(或数字编码)的传感器,主要包括:放大器、A/D转换器、微处理器(CPU)、存储器、通讯接口、温度测试电路等,在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天,全自动或半自动(通过人工指令进行高层次操作,自动处理低层次操作)系统可以包含更多智能性功能,能从其环境中获得并处理更多不同的参数。

在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天,全自动或半自动(通过人工指令进行高层次操作,自动处理低层次操作)系统可以包含更多智能性功能,能从其环境中获得并处理更多不同的参数。尤其是MEMS(微型机电系统)技术,它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低。以纳米碳管或其它纳米材料制成的纳米传感器同样具有巨大的潜力

数字传感器有以下九个特点:

1、先进的A/D转换技术和智能滤波算法,在满量程的情况下仍可保证输出码的稳定。

2、可行的数据存储技术,保证模块参数不会丢失。

3、良好的电磁兼容性能。

4、传感器的性能采用数字化误差补偿技术和高度集成化电子元件,用软件实现传感器的线性、零点、温漂、蠕变等性能参数的综合补偿,消除了人为因素对补偿的影响,大大提高了传感器综合精度和可靠性。

5、传感器的输出一致性误差可以达到0.02%以内甚至更高,传感器的特性参数可完全相同,因而具有良好的互换性。

6、采用A/D转换电路、数字化信号传输和数字滤波技术,传感器的抗干扰能力增加,信号传输距离远,提高了传感器的稳定性。

7、数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆,具有唯一标记,便于故障诊断。

8、传感器采用标准的数字通讯接口,可直接连入计算机,也可与标准工业控制总线连接,方便灵活。

9、数字传感器是将ADEPROMDIE(传感器芯片),封装在一块用PCB,金属块或陶瓷板上的集成。通过各种温度,压力点的校准,计算出DIE的线性,再利用AD去补偿的方法加工而成的。

数字传感器按结构可分成三种类型:

























1、绝对式角度数字编码器:

 

一种新的编码和解码方法来确定编码器参考线的位置.使用码区编号的概念后,使得编码器的原理变得非常简单:CCD传感器获取至少一个码区的编码后,依据该码区内相邻条码标识符间的关系获得码区编号,即可以得到每个条码的粗测值;CCD传感器每个像素代表的角度值及码区内每个条码至参考线的像素可以获得该条码的精测值,将粗测值和精测值组合成参考线的最后测量结果.这里还研究了条码总数N,码区内条码个数m和条码种类k间的关系,并以单码道绝对式角度编码器为例对编码器的理论精度进行了估计。其角度分辨率决定于数字编码器(码盘)的位数。目前有14位的产品,如再增加码道和细分电路可制成19位和23位的。



2、周期计数式数字传感器:

此种结构的位移分辨率对低精度的周期计数式数字传感器而言,仅由周期信号发生器的性质决定。例如,光栅当长1mm100条刻线时,其分辨率即为0.01mm;对高精度的周期计数式数字传感器而言,还要考虑到电子细分数。如前例,在100倍电子细分数下,此光栅的分辨率就是0.1µm。此种结构属于增量式结构,结构的特点(位移方向的要求)决定它不但备有辨向电路,而且周期计数器还具有可逆性质。



3、频率式数字传感器:

按振荡器的形式,可将此种数字传感器分成带有晶体谐振器的和不带晶体谐振器的两种。前者,按被测量的作甩点,又分作用在石英谐振器上的石英晶体谐振式数字传感器和作用在谐振器中储能元件上的带有晶体谐振器的调频式数字传感器。按采用敏感元件的形式,又可分为简单的a)和差动的b)两种。



从上述三种类型数字传感器的结构图可以看出,它们都具有抗干扰能力强以及数字量输出的特点。如考虑到对电源电压的波动,环境温度波动和非线性等因素的补偿(图中没有画出),则精度还可提高。如果采用单片微型计算机去进行信息处理,诸如补偿、频倍(细分)和数字转换等硬件线路可软件化,不仅使线路简化,还可使分辨率,测量精度和工作可靠性进一步调高。


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