傳感器與檢測技術(shù)第十一章數(shù)字式傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù)第十一章數(shù)字式傳感器第一節(jié) 光柵傳感器一、光柵的根本概念計量光柵由光源、光柵副、光敏元件三大局部組成，又稱為光柵測量裝置 1光柵的分類 1長光柵和圓光柵 2透射光柵和反射光柵3黑白光柵和閃耀光柵2光柵傳感器的組成 1光源:通常采用鎢絲燈泡和半導(dǎo)體發(fā)光器件 2光柵副:光柵副由標(biāo)尺光柵主光柵和指示光柵組成 3光電元件:光電元件一般包括有光電池和光敏三極管等種類 二、莫爾條紋及其測量原理 1長光柵的莫爾條紋1莫爾條紋的產(chǎn)生2莫爾條紋的參數(shù)3莫爾條紋的作用在光柵的適當(dāng)位置安裝光敏元件，能讓光敏元件“看清隨光柵刻線移動所帶來的光強變化。 2莫爾條紋的測量原理1幅值光柵測量當(dāng)指示光柵相對于

2、光標(biāo)尺移動時，莫爾條紋沿其垂直方向上、下移動。移過的莫爾條紋數(shù)等于移過的光柵的刻線數(shù)。沿著莫爾條紋的移動方向放置四枚光電池，其間距為莫爾條紋的1/4，這樣就可產(chǎn)生相位差為90的四個信號。 2相位光柵測量2莫爾條紋的測量原理3莫爾條紋技術(shù)的特點 1誤差平均效應(yīng) 2移動放大作用3方向?qū)?yīng)關(guān)系4倍頻提高精度5直接數(shù)字測量三、光柵測量系統(tǒng) 光柵測量系統(tǒng)由機械局部的光柵光學(xué)系統(tǒng)和電子局部的細(xì)分、辯向、顯示系統(tǒng)組成。1垂直透射式光路1-光源；2-準(zhǔn)直透鏡；3-主光柵；4-指示光柵；5-光電元件三、光柵測量系統(tǒng)2透射分光式光路1-光源；2-準(zhǔn)直透鏡；3-主光柵；4-指示光柵；5-透鏡；6-光闌；7-光電元件

3、3反射式光路 1-反射主光柵；2-指示光柵；3-場鏡；4-反射鏡；5-聚光鏡；6-光源；7-物鏡；8-光電電池4鏡象式光路1-光源；2-半透半反鏡；3-聚光鏡；4-主光柵；5-物鏡；6-反射鏡；7-光電元件2電子電路系統(tǒng)電子系統(tǒng)是完成光電接收系統(tǒng)接收來的電信號的處理的局部，是由細(xì)分電路、辯向電路和顯示系統(tǒng)組成的。1細(xì)分原理與電路細(xì)分方法可分為兩大類：機械細(xì)分和電子細(xì)分，我們這里只討論電子細(xì)分的幾種方法。 2辨向原理與電路2電子電路系統(tǒng)四、光柵測量系統(tǒng)的應(yīng)用 高精度：m/m，僅次于激光；高分辨率：m；大量程：可大于1米；抗干擾能力強，可實現(xiàn)動態(tài)測量。光柵測量可以廣泛的用于長度與角度的精細(xì)測量如數(shù)

4、控機床，測量機等，以及能變?yōu)槲灰频奈锢砹咳缯饎?、?yīng)力、應(yīng)變等。 第二節(jié) 磁柵傳感器一、磁柵及其分類1磁柵的構(gòu)造長磁柵常用的磁信號節(jié)距一般為和兩種，圓磁柵的角節(jié)距一般為幾分至幾十分。 一、磁柵及其分類2磁柵的類型磁柵可分為長磁柵和圓磁柵兩大類。前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。長磁柵又可分為尺型、帶型和同軸型三種。 一、磁柵及其分類3對磁柵的要求對磁尺外表要求長磁柵平直度，圓磁柵的不圓度，外表粗糙度要小。所錄磁信號要求幅度均勻，幅度變化小于10%，節(jié)距均勻，滿足一定精度要求。二、磁頭及其構(gòu)造磁柵上的磁信號先由錄磁頭錄好，然后由讀磁頭將磁信號讀出。按讀取信號的方式，讀磁頭可分為動態(tài)磁頭與靜

5、態(tài)磁頭兩種 二、磁頭及其構(gòu)造1動態(tài)磁頭1動態(tài)磁頭構(gòu)造2動態(tài)磁頭的信號讀取2靜態(tài)磁頭1靜態(tài)磁頭構(gòu)造2靜態(tài)磁頭的信號讀取二、磁頭及其構(gòu)造二、磁頭及其構(gòu)造3多間隙靜態(tài)磁頭構(gòu)造三、信號處理方式與電路1動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭利用磁柵與磁頭之間以一定的速度相對移動而讀出磁柵上的信號，將此信號進(jìn)展處理后使用。例如某些動態(tài)絲杠檢查儀，就是利用動態(tài)磁頭讀取磁尺上的磁信號，作為長度基準(zhǔn)，去同圓光柵盤或磁盤上讀取的圓基準(zhǔn)信號進(jìn)展相位比較，以檢測絲杠的情度。2靜態(tài)磁頭磁柵位移傳感器的構(gòu)造示意圖 三、信號處理方式與電路1鑒幅方式經(jīng)檢波器去掉高頻載波后可得：兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正弦和余弦信號，此兩個電壓相位

6、差90的信號送有關(guān)電路進(jìn)展細(xì)分和辨向后輸出計數(shù)。 三、信號處理方式與電路2鑒相方式將第一個磁頭的勵磁電流移相45或?qū)⑵渥x出信號輸出移相90，那么其輸出變?yōu)椋?輸出電壓u的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置變化而變。即，相位與位移量x有關(guān)。 三、信號處理方式與電路四、磁柵傳感器的應(yīng)用 磁柵傳感器特點 ：錄制方便，本錢低廉。當(dāng)發(fā)現(xiàn)所錄磁柵不適宜時可抹去重錄，使用方便，可在儀器或機床上安裝后再錄制磁柵，因而可防止安裝誤差；可方便地錄制任意節(jié)距的磁柵。例如檢查蝸桿時希望基準(zhǔn)量中含有因子，可在節(jié)距中考慮。圖中400kHz晶體振蕩器是磁頭勵磁及系統(tǒng)邏輯判別的信號源。鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖 第三節(jié)

7、數(shù)字編碼器 第三節(jié) 數(shù)字編碼器數(shù)字傳感器有計數(shù)型和代碼型兩大類。計數(shù)型又稱脈沖計數(shù)型，它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計數(shù)器就可以對輸入量進(jìn)展計數(shù)。 代碼型傳感器即絕對值式編碼器，它輸出的信號是二進(jìn)制數(shù)字代碼，每一代碼相當(dāng)于一個一定的輸入量之值。 一、接觸式碼盤編碼器1接觸式碼盤編碼器構(gòu)造與工作原理接觸式四位二進(jìn)制碼盤 1誤差的產(chǎn)生8-4-2-1碼制的碼盤，由于電刷安裝不可能絕對準(zhǔn)確必然存在機械偏差，這種機械偏差會產(chǎn)生非單值誤差。 2采用循環(huán)碼格雷碼采用循環(huán)碼制可以消除非單值誤差。特點是任意一個半徑徑線上只可能一個碼道上會有數(shù)碼的改變，這一特點就可以防止制造或安裝

8、不準(zhǔn)確而帶來的非單值誤差。 2誤差的產(chǎn)生與消除方法3采用掃描法掃描法有V掃描、U掃描以及M掃描三種。它是在最低值碼道上安裝一電刷，其他位碼道上均安裝兩個電刷：一個電刷位于被測位置的前邊，稱為超前電刷；另一個放在被測位置的后邊，稱為滯后電刷。2誤差的產(chǎn)生與消除方法掃描法碼盤和電刷 2誤差的產(chǎn)生與消除方法掃描法讀出電路 2誤差的產(chǎn)生與消除方法二、光電式編碼器光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。按編碼器的不同讀數(shù)方法、刻度方法及信號輸出形式，可分為絕對編碼器、增量編碼器以及混合式編碼器三

9、種。光電編碼器的最大特點是非接觸式的。因此，它的使用壽命長，可靠性高。二、光電式編碼器光電編碼器原理示意圖1光電式碼盤編碼器1構(gòu)造和工作原理2用插值法提高分辨率a四位二進(jìn)制的碼盤； b帶判位光電裝置的四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤1光電式碼盤編碼器 用插值法提高分辨率的光電編碼器2光電式脈沖盤編碼器1構(gòu)造和工作原理基于脈沖盤式編碼器的數(shù)字傳感器 2旋轉(zhuǎn)方向的判別碼盤辨向原理圖 三、光電編碼傳感器應(yīng)用 1構(gòu)造與工作原理2細(xì)分技術(shù)原理編碼鋼帶 三、光電編碼傳感器應(yīng)用 插值細(xì)分示意圖 三、光電編碼傳感器應(yīng)用 第四節(jié) 感應(yīng)同步器 第四節(jié) 感應(yīng)同步器按其用途可分為兩大類：測量直線位移的線位移感應(yīng)同步器；測量角位移的

10、圓盤感應(yīng)同步器。一、感應(yīng)同步器的類型與構(gòu)造1直線形感應(yīng)同步器直線形感應(yīng)同步器按其使用的精度、測量尺寸的范圍和安裝的條件不同，又可以設(shè)計制造成不同形狀和種類的感應(yīng)同步器。標(biāo)準(zhǔn)形感應(yīng)同步器又叫直線形標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器，由定尺與滑尺組成，兩尺基板上都印有繞組。定尺繞組是由尺上配置連續(xù)型繞組；滑尺繞組是由兩組繞組正弦和余弦繞組構(gòu)成。窄型直線形感應(yīng)同步器構(gòu)造與標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器的構(gòu)造根本一樣，其不同點是狹一點。其精度較低。二、直線式感應(yīng)同步器的工作原理 1載流線圈所產(chǎn)生的磁場載流線圈所產(chǎn)生的磁場 二、直線式感應(yīng)同步器的工作原理2直線式感應(yīng)同步器的根本構(gòu)造直線式感應(yīng)同步器的構(gòu)造 直線式感應(yīng)同步器的繞組構(gòu)造 二

11、、直線式感應(yīng)同步器的工作原理3直線式感應(yīng)同步器的工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)滑尺繞組勵磁繞組被正弦電壓勵磁，將產(chǎn)生同頻率的交邊磁通，這個交變磁通與定尺繞組感應(yīng)繞組耦合，在感應(yīng)繞組上產(chǎn)生同頻率的交變電動勢。這個電動勢的的幅值除了與勵磁頻率、感應(yīng)繞組耦合的導(dǎo)體組、耦合長度、勵磁電流、兩繞組間隙有關(guān)之外，還與兩繞組的相對位置有關(guān)。三、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的工作原理a定子繞組；b轉(zhuǎn)子繞組 1-有效導(dǎo)體；2-內(nèi)端部；3-外端部四、感應(yīng)同步器信號處理與應(yīng)用 從勵磁方式來說，可分為：滑尺勵磁，由定尺輸出感應(yīng)電動勢信號；定尺勵磁，由滑尺輸出感應(yīng)電動勢信號。 對輸出感應(yīng)電動勢信號的處理方式不同，可把感應(yīng)同步器的檢測系統(tǒng)分成相位工作狀態(tài)和幅值工作狀態(tài)，它們的特征是有輸出感應(yīng)電動勢的相位和幅值來進(jìn)展處理。 鑒幅處理：根據(jù)感應(yīng)電動勢的幅值來鑒別位移。采用同頻率、同相位、不同幅值的交流電壓，對感應(yīng)同步器滑尺兩相繞組進(jìn)展勵磁，就可以根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動勢的幅值來鑒別定滑尺間的相對位移值，這就叫做感應(yīng)同步器輸出信號的鑒幅處理。作業(yè)與思考題 1莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的？它具有哪些特性？2在精細(xì)車床上使用刻線為5400條/周圍光柵作長度檢測時，其檢測精度為，問該車床絲桿的螺距為多少？3試分析四倍頻電路，當(dāng)傳感器做反向移動時，其輸出脈沖的狀況畫圖表示之，該電路的作用是什么？4動態(tài)讀磁頭與