檢測與傳感第十三章

檢測與傳感技術第12章輻射式傳感器1.紅外傳感器的研究內(nèi)容上節(jié)內(nèi)容復習2.紅外線的波長范圍及劃分3.紅外輻射本質(zhì)目標的紅外輻射特性等材料問題；紅外元部件及系統(tǒng)等應用問題

紅外線即紅外輻射，它位于可見光中紅色光以外的光線。波長范圍大致在0.76-1000μm工程上紅外線波段分四部分：近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射物體溫度越高，其具有的能量越多，輻射出的電磁波能量越大；物體溫度越低，其具有的能量越少，輻射出的電磁波能量越小4.大氣窗口2-2.6μm；3-5μm；8-14μm5.氣體對紅外線的吸收極性分子的氣體吸收紅外線；對稱的雙原子氣體不吸收紅外線熱探測器；熱釋電型；熱電阻型；熱敏電阻型；氣體型探測器光子探測器：內(nèi)光電和外光電7.應用上節(jié)內(nèi)容復習6.紅外傳感器分類（1）紅外感應系統(tǒng)（2）紅外線氣體分析儀8.核輻射中常用的射線

α射線,帶正電荷的高速粒子流;電離效應顯著

β射線,帶負電荷的高速粒子流；散射效應顯著

γ射線,一種光子流，不帶電透射效應顯著9.核輻射探測器電離室：利用射線對氣體的電離作用而設計的一種輻射探測器閃爍計數(shù)器：先將輻射能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娔埽ㄓ砷W爍體和光電倍增管兩部分組成）半導體探測器：在半導體表面激發(fā)出電子，將放射線變?yōu)殡娦盘?0.應用（1）核輻射厚度計（2）輻射式物位計（3）熒光材料成分分析儀13.1光柵傳感器13.2編碼器第13章數(shù)字式傳感器13.3感應同步器（與計算機等數(shù)字系統(tǒng)匹配時，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號）數(shù)字式傳感器（直接將非電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不需要A/D轉(zhuǎn)換）1.數(shù)字式傳感器的定義模擬式傳感器應變式電感式電容式壓電式…輻射式把被測參量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。它是測量技術、微電子技術和計算技術的綜合產(chǎn)物，是傳感器技術的發(fā)展方向之一。

2.數(shù)字式傳感器與模擬式傳感器的區(qū)別4.數(shù)字式傳感器的分類編碼器脈沖數(shù)字傳感器光電編碼器接觸式碼盤增量式光電脈沖傳感器光柵傳感器5.應用測量位移（線位移、角位移）、計數(shù)3.數(shù)字式傳感器的優(yōu)點抗干擾能力強、便于實現(xiàn)與計算機的接口13.1光柵傳感器物理光柵計量光柵*利用光柵的衍射現(xiàn)象利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象（光譜分析、光波波長檢測）（線位移、角位移的測量）光柵傳感器按應用場合：透射型、反射型按用途：長光柵（測線位移）、圓光柵（測角位移）只研究：計量光柵中的透射型長光柵（1）

光柵結(jié)構1光柵的結(jié)構及工作原理在鍍膜玻璃（或金屬）上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵，下圖為透射光柵的示意圖。

a為柵線的寬度（不透光）

b為柵線間寬（透光）

a+b=W稱為光柵的柵距目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。a=b=W/2把兩塊柵距相等的光柵面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，如圖所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。（2）計量光柵測量原理長光柵所形成的莫爾條紋在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。莫爾條紋的是由兩塊光柵的遮光和透光效應形成的。

圓光柵的柵線是沿徑向刻劃的，整個光柵的柵線形成一個輻射狀的環(huán)帶。當將兩塊刻線數(shù)相同（角節(jié)距相同）的圓光柵偏心放置（其偏心量為e）時，則由于光柵圓周方向各個部分柵線的夾角

不同，于是形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。

圓光柵的莫爾條紋兩組同心圓疊加所形成的莫爾條紋

(1)位移的放大作用莫爾條紋測位移的特點：當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH

，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。

θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。（例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍）光柵具有位移放大作用，能提高測量靈敏度。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關系：（2）莫爾條紋移動方向(3)誤差的平均效應莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。當光柵1向右移動時，莫爾條紋沿光柵2的柵線向上移動當光柵1向左移動時，莫爾條紋沿光柵2的柵線向下移動由莫爾條紋移動方向可對光柵1運動方向進行辨別光柵讀數(shù)頭是利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成相應的電信號；光柵數(shù)顯表是實現(xiàn)細分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。2光柵傳感器的組成

光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構示意圖如圖。

（1）光柵讀數(shù)頭標尺光柵一般固定在被測物體上。隨被測物體一起移動，其有效長度即為測量范圍；指示光柵相對于光電元件固定。比標尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)，如以電壓輸出，即最亮漸亮漸暗最暗漸暗漸亮最亮主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期：光柵位移與光強、輸出電壓的關系式中：uo——光電元件輸出的電壓信號；Uo——輸出信號中的平均直流分量；Um——輸出信號中正弦交流分量的幅值。由上式可見，輸出電壓反映了位移量x

的大小。用電壓函數(shù)表示：光柵讀數(shù)頭的作用：將位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量2.光柵數(shù)顯表確定位移的方向整形放大、實現(xiàn)數(shù)字顯示光柵數(shù)顯表的作用（電量大小反映了位移量的大?。┯捎诠怆娫墓鈻抛x數(shù)頭，無論主光柵作正向還是反向移動，光電元件的電信號總是輸出同一規(guī)律變化的電信號，而后面的計數(shù)電路也總是發(fā)出同樣的計數(shù)脈沖，此信號不能辨別運動方向。（1）辨向原理為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個電信號。辨向邏輯工作原理左圖為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔四分之一莫爾條紋間距（BH/4）的位置上，放置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差π/2的電信號u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個方波信號u1′和u2′。

如右圖（a）為辨向電路，（b）為正向運動波形圖，此時uos

的上升沿與uoc

的高電平相與，與門G1

輸出計數(shù)脈沖，作加法計數(shù)。而uos

經(jīng)G3

反相后正好被uoc

的低電平封鎖，與門G2

無法產(chǎn)生計數(shù)脈沖，始終保持低電平。右移:

如右圖（c）所示，此時G1

關閉，G2

產(chǎn)生計數(shù)脈沖，作減法計算。從而達到辨別光柵正、反方向移動的目的。

左移:細分技術就是用來提高光柵分辨率的一種方法。(2)細分技術之前我們講的光柵位移的測量，是通過測量莫爾條紋的移動數(shù)量來確定的移動位移量的，其分辨率為光柵柵距；采用細分技術可以測量比柵距更小的位移量。細分技術可以在不增加刻線數(shù)的情況下提高光柵的分辨力。在光柵每移動一個柵距，莫爾條紋變化一周時，不只輸出一個脈沖，而是輸出均勻分布的n

個脈沖，從而使分辨力提高到W/n。原理：細分又叫倍頻。常用的細分方法是直接細分，細分數(shù)為4，所以又稱四倍頻細分。在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差π/2的電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差π/2的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細分。細分方法最常用的是四倍頻電子細分法。

在相差BH/4位置上安放四個光電元件來實現(xiàn)四倍頻細分兩種實現(xiàn)方法：

a.安裝部位（1）光柵傳感器的安裝與調(diào)試

主光柵尺和讀數(shù)頭的安裝部件可選，但對讀數(shù)頭引出電纜線的固定要采取保護措施。3光柵傳感器的應用及要求

b.安裝基面

不能直接固定在粗糙不平或涂漆的床身上。安裝基面的直線度誤差≤0.1mm/m，表面粗糙度Ra≤6.3m，與機床相應導軌的平行度誤差在全長范圍內(nèi)≤0.1mm。否則要求制作專門的光柵主尺尺座和一個與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座，兩者之間的要求如圖所示。（2）使用光柵傳感器應注意的幾個問題①

插拔讀數(shù)頭與數(shù)顯表的連接插頭時應注意關閉電源。②

及時清理測量裝置上的灰塵，嚴防異物進入殼體內(nèi)部。

③保持光柵尺的清潔，可每隔一定時間用乙醚清洗尺面。④

為防止工作臺移動超過光柵尺長度而撞壞讀數(shù)頭，可在機床導軌上安裝限位裝置。此外，在購買光柵尺時，其測量長度應大于工作臺的最大行程。13.2編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)

碼盤式編碼器(絕對編碼器)

將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。1.定義（各種位移的測量）2.分類輸出是一系列脈沖，需要計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn))累計計數(shù)，還需要一個零位基準。（角位移測量）碼盤式編碼器不需要基準數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng)，在任意位置都可給出與位置相對應的固定數(shù)字碼輸出，因此又叫做絕對編碼器。（1）原理分類目前我國已有23位光電編碼器，為科學研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對位移量進行精密檢測的手段。光電式電磁式非接觸式編碼器具有非接觸、體積小和壽命長，且分辨率高的特點。非接觸式接觸式（性價比最高）（2）結(jié)構形式分類光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的碼盤、以及光源和透鏡組成?；窘Y(jié)構如圖所示。1.光電式編碼器光電式編碼器示意圖碼盤構造碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分。下圖是一個4位二進制碼盤。當光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。對于6位二進制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應于不同的編碼。在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關。一個n位二進制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2n，α≈5.6°試問：一個6位二進制碼盤，其最小分辨的角度為？？四位二進制碼與循環(huán)碼對照表

編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等。大多數(shù)編碼器都是單盤的，全部碼道在一個圓盤上。但如要求有很高的分辨率時，碼盤制作困難，圓盤直徑增大。由兩個分辨率較低的碼盤組合成為高分辨率的編碼器。注：13.3感應同步器感應同步器有兩種：直線式：感應同步器由定尺和滑尺組成（直線位移）旋轉(zhuǎn)式：感應同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成（角位移）2.分類利用兩個平面型印刷電路繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理，將線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號。1.原理（平面變壓器）長感應同步器示意圖(a)定尺；(b)滑尺圓感應同步器示意圖(a)定子；(b)轉(zhuǎn)子在定尺和轉(zhuǎn)子上的是連續(xù)繞組，在滑尺和定子上的則是分段繞組。分段繞組分為兩組，在空間相差90°相角，又稱為正弦、余弦繞組。工作時可以在其中一種或兩種繞組上通以交流激勵電壓，由于電磁耦合，在連續(xù)繞組線圈中就產(chǎn)生感應電動勢，該電動勢隨相對位置不同而呈正弦、余弦函數(shù)變化，再通過對此信號的檢測處理，便可測量出位移量。感應同步器安裝時，定尺和滑尺相互平行、相對安放，如下圖所示，它們之間保持一定的間隙（0.25mm±0.05mm）。一般情況下，定尺固定、滑尺可動。直線式感應同步器1—安裝座2—定尺3—滑尺4—調(diào)整螺釘長感應同步器的安裝滑尺的正弦、余弦繞組激勵時加上等幅等頻，相位差為90°的交流電壓，即分別以sinωt和cosωt來激勵，根據(jù)感應電勢的相位來鑒別位移量，故叫鑒相型。2.信號處理方式

按信號處理方式來分，可分為鑒相和鑒幅方式兩種。它們的特征是用輸出感應電動勢的相位或幅值來進行處理。(1)鑒相方式

(2)鑒幅方式如在滑尺的正弦、余弦繞組加以同頻、同相但幅值不等的交流激磁電壓，則可根據(jù)感應電勢振幅來鑒別位移量，稱為鑒幅型。3.感應同步器位移測量系統(tǒng)鑒相測量方式數(shù)字位移測量裝置方框圖Step1：脈沖發(fā)生器輸出頻率一定的脈沖序列;Step2：經(jīng)過脈沖—相位變換器進行N分頻后，輸出參考信號方波θ0和指令信號方波θ1