传感器技术及应用教学课件作者陈文涛第九章节数字式传感器课件

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1、2021/7/191第九章数字式传感器2引言数字式传感器可以直接给出抗干扰能力强的数字脉冲或编码信号，主要类型有：光电编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器和感应同步器等。它们都有线位移测量和角位移测量两种构造形式。39.1编码器将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式3种，后两种为非接触式编码。410.2.1接触式码盘编码器接触式码盘编码器

2、由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制（如8421码、循环码等）图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的数字编码输出1．结构与工作原理5接触式四位二进制码盘610.2.2光电式编码器接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。7光电编码器示意图1—光源2—透镜3—码盘4—窄缝5—光电元件组89.2光栅传感器光栅是由

3、很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物现量。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光栅。光栅传感器是把光栅作为测量元件，利用光栅的莫尔条纹现象制成的传感器。可以测量高精度机床、精密仪器的长度、位置、速度、加速度、振动等物理量。光栅传感器的光路组成：按光栅形状长光栅圆光栅按光线走向透射光栅反射光栅光源透镜主光栅

4、指示光栅光电接收元件光栅副光学玻璃工业白玻璃透射长光栅（测量长度或位置）透射圆光栅（直接测量角度，间接测量长度）栅距缝隙宽度栅线宽度圆光栅上的刻线：径向刻线切向刻线反射光栅表面上的线纹：13光栅的工作原理计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的

5、方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。1．长光栅的莫尔条纹14莫尔条纹演示15光栅与莫尔条纹示意图当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。θ越小，则B越大。162.横向莫尔条纹的特点（1）放大作用光栅具有位移放大作用，提高了测量的灵敏度。（2）平均效应莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。（3）运动方向17光栅位移与光强关系4

6、）对应关系两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。光敏元件接受到的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。18（5）莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数例如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（即移过了100x条光栅栅线），则从光电元件前掠过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。193.辨向原理光栅是正向移动还是反向移动，莫尔条纹都做明暗交替变化，光

7、电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号只能计数，不能辨向。为此，必须设置辨向电路。辨向电路214.细分技术为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。另一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫做倍频。22细分的方法直接细分，细分数为4，所以又称四倍频细分。实现的方法有两种：23四倍频细分原理24安装有

8、直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部9.3磁栅传感器磁栅传感器是由磁栅和磁头构成的传感器。具有制作工艺简单、使用方便、易于安装调整、测量范围广的优点。用于大型机床检测、机床自