频率输出式数字传感器

频率输出式数字传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一系列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过电子电路累计这些脉冲数，从而测得被测量；或者用测量与被测量有关的脉冲周期的方法来测得被测量。频率输出式数字传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一。

频率输出式数字传感器一般有三种类型：

①利用振荡器的原理，使被测量的变化改变振荡器的振荡频率。常用振荡器有RC振荡电路和石英晶体振荡电路两种。

②利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。

③将被测非电量先转换为电压量，然后再用此电压去控制振荡器的振荡频率，称压控振荡器。

下面以RC振荡器式频率传感器为例说明频率输出式数字传感器的工作原理。

1.RC振荡器式频率传感器

温度－频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一例。这里利用热敏电阻RT测量温度，且RT作为RC振荡器的一部分，完整的电路如图11－18所示。该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时，RT阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而变化。经推导，RC振荡器的振荡频率可由下式决定，即

其中RT与温度T的关系为

RT＝R0e B（T－T0）

式中 B——热敏电阻的温度系数。

RT，R0分别为温度T（K）和T0（K）时的阻值。电阻R2，R3的作用是改善其线性特性。流过RT的电流应尽可能小，这样可以减小RT自身发热对测量温度的影响。

图11－18 RC振荡式频率传感器

2.频率输出式数字传感器的基本测量电路

频率输出式数字传感器将被测非电量转换成为频率信号，因此，可采用两种方式测量：一种是测量其输出信号的频率；另一种是测量其周期。前者适用于振荡频率较高的情况，后者适用于振荡频率较低的情况。两者均可分别采用电子计数的测频和测周期 （或测时间）功能测量，如图11－19所示。或者根据具体情况，自行设计测频和测时专用电路。

根据图11－19所示的测量频率和周期的原理，则

fx或 fx＝

式中 Nx——在闸门时间TG内的被测信号频率的个数；

τ——机内时钟脉冲（时基）f0的周期。

必须注意：当被测振荡频率低于所选用的通用计数器的内部石英晶体振荡器的频率（时钟频率）时，必须采用周期或时间间隔测量功能，或者采用等精度计数器，否则将会由于数字仪器固有±1误差而造成极大的测量误差。例如，传感器输出信号频率为1Hz，若仍然采用测频方法测量，取测量闸门时间为1s，测量结果可能会产生100％的误差。在这种情况下，为了提高测量精度，可以利用周期测量法或多周期测量方法。

图11－19 测量方法及波形图

（a）测量原理框图；（b）测频波形图；（c）测周期波形图

知识拓展

磁栅式传感器

磁栅式传感器是近年来发展起来的新型检测元件。与其他类型的检测元件相比，磁栅式传感器具有制作简单、复制方便、易于安装和调整、测量范围宽 （从几十毫米到数十米）、不需要接长、抗干扰能力强等一系列优点，因而在大型机床的数字检测、自动化机床的自动控制及轧压机的定位控制等方面得到了广泛应用，但要注意防止退磁和定期更换磁头。

磁栅可分为长磁栅和圆磁栅两大类。长磁栅主要用于直线位移的测量，圆磁栅主要用于角位移的测量。图11－20所示为长磁栅外观示意图。

图11－20 长磁栅外观示意图

1—尺身；2—接插口；3—电缆；4—滑尺 （读数头）；5—密封唇

磁栅式传感器有两个方面的应用：

（1）可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器用。由于可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高精度，目前可以做到系统精度为±0.01mm／m，分辨率可达1～5μm。

（2）可以用于自动化控制系统中的检测元件 （线位移）。例如，在三坐标测量仪、程控数控机床及高精度重、中型机床控制系统中的测量装置，均得到了应用。

先导案例解决

详见本教材14章相关内容 （14.2传感器在CNC机床与加工中心中的应用）。