Chapt4数字传感器

《Chapt4数字传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第4章数字式传感器数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比的特点是:抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。本章讲述常用的数字式传感器光栅传感器旋转式光电编码器4.1光栅传感器一、光栅的定义与分类1.定义：光栅是由许多等间距的透光缝隙和不透光刻线均匀相间排列成的光学器件，一般由长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线形成，刻线密度为每毫米几百甚至几千线。2、特点：光栅可以形成莫尔条纹，利用莫尔条纹进行测量可以具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。3.光栅的分类光栅按其原理和用途不同，可以分成：物理光栅和计量光栅。物理光栅是利

2、用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波波长测量。计量光栅主要利用光的透射和反射现象，即主要通过莫尔效应，来测量长度、角度、速度、加速度和振动等物理量，有很高的分辨率，可达0.1um，另外计量光栅脉冲读数可达每毫秒几百次，非常适用于动态测量。3.光栅的分类计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种。透射光栅的栅线刻在透明材料如工业白玻璃上，反射光栅的栅线刻在具有强反射能力的金属如不锈钢上过镀金属膜上。计量光栅根据栅线形式不同又可分为黑白光栅（幅射光栅）和闪耀光栅（相位光栅）。计量光栅按其形状和用途可分为长光栅和圆光栅。长光栅主要用于测量长度，圆光栅用于测量角度。长光栅尺3.光栅的

3、分类圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点几或几个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。4.光栅测量系统（光栅读数头）光源发出的光线经准直透镜后成为平行光束，垂直投射到光栅上，由主光栅和指示光栅形成莫尔条纹后由光敏元件和驱动线路接收处理。。光源发出的光经准直透镜变成平行光，并以一定角度射向光栅，经主光栅和指示光栅衍射后，有不同等级的衍射光射出，经透镜聚焦，由光敏元件接收到莫尔条纹信号。光源经聚焦透镜

4、后成为平行光束，以一定角度射向指示光栅，经发射式主光栅反射后形成莫尔条纹，经透镜后被光敏元件接收。二.光栅传感器的工作原理1.莫尔条纹的形成及其特征当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。莫尔条纹的特征1)放大作用放大倍数为1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°时θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动

5、，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。径向光栅进行角度测量两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向（沿栅线夹角θ的平分线方向）移动。两光栅相对移动一栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。利用这种严格的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹数目，就可以计算出小于光栅栅距的微小位移量。2)对应关系2)对应关系3）误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。例W

6、=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。2.辨向原理及辨向电路1）为什么要辨向当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。2）辨向原理与辨向电路辨向电路如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。设计数器记得脉冲数为

7、N，位移x=NW，光栅测量位移属于增量式测量。正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。三.细分技术目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频。细分类型：电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。1.四倍频细分在一个莫尔条纹宽度相差B/4