数字式传感器.ppt

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1、第4章数字式传感器4.1光栅传感器4.2磁栅传感器4.3容栅传感器第4章数字式传感器随着科学技术的进步和生产的发展，对测量提出了大尺寸、数字化、高精度、高效益和高可靠性等一系列要求，因而近年来出现了新的测量元件：数字传感器，以适应当前生产和利学技术不断发展的需要。数字式传感器就是将被测量转化为数字信号，并进行精确检测和控制的传感器。按其定义可分为直接数字传感器和间接数字传感器。目前，它们在机床业的数控技术、自动化技术以及计量技术中已被日益广泛地采用。本章主要介绍常用的光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器及数字式角编码器。返回4.1光栅传感器光栅传感器主要

2、用于长度和角度的精密测量以及数控系统的位置检测等，在坐标测量仪表和数控机床的伺服系统中有广泛的应用。4.1.1光栅的结构和分类光栅的结构如图4-l所示为光栅的结构。光栅是由很多等节距的透光和不透光的刻线相互排列构成的栅形光器件，主要由主光栅和指示光栅组成，主光栅又称标尺光栅。图中，W为光栅的栅距，a为光栅栅线的宽度，b为光栅栅线之间的间隙宽度，三者之间的关系是W=a+b，通常a=b。光栅的精度越高，栅距W就小下一页返回4.1光栅传感器光栅的分类光栅按照光的传播方式不同可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定。

3、计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，非常适用于动态测量。计量光栅按照光线的走向可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。上一页下一页返回4.1光栅传感器4.1.2光栅传感器的组成与工作原理光栅传感器的组成光栅传感器由光源、透镜、光栅副（标尺光栅和指示光栅）和光电接收元件组成常用的光源有两种：一种是钨丝灯泡，其输出功率较大，另一种是半导体发光器件，这种器件转换效率高，响应快速。光电接收元件主要有光电池和光敏三极管等。光栅传感器的工作原理光栅传感器测量位移的原理主要是利用光栅的莫尔条纹效应来工作的。上一页下一页返回4.1光栅传感

4、器所谓莫尔条纹效应就是将光栅常数相等的标尺光栅G1和指示光栅G2刻线面对面叠合在一起，如图4-3所示，中间留有很好的间隙，并使两者之间保持一很小的夹角θ，于是在近似垂直栅线方向出现明暗相间的条纹，这种现象称莫尔条纹效应。形成的明暗相间的条纹称为莫尔条纹。测量时，当指示光栅沿x轴自左向右移动，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上（图中）方向不断地掠过光敏元件。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化，如图4-3所示。上一页下一页返回4.1光栅传感器莫尔条纹有如下重要特性1)平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作

5、用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2)方向性。当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。3)放大作用。莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线之间的夹角而改变。4)对应关系。莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。上一页下一页返回4.1光栅传感器4.1.3光栅传感器常用的光路垂直透射式光路如图4-4所示，光源1发出的光线经准直透镜2后成为平行光束，垂直投射到光栅卡，由主光栅3和指示光栅4形成的莫尔条纹信号直接由光电元件5接收。这种光路适用于粗栅距的黑自透射光栅。

6、这种光路的特点是结构简单、位置紧凑、调整使用方便，是目前应用比较广泛的一种。上一页下一页返回4.1光栅传感器透射分光式光路透射分光式光路只适用于细栅距透射光栅，如图4-5所示。从光源1发出的光，经准直透镜2变为平行光，并以一定角度射向光栅，经过主光栅3和指示光栅4衍射后，有不同等级的衍射光射出，经透镜5聚焦，由光电元件7接收到一定衍射光的莫尔条纹信号。光阑6的作用是选取一定宽度的衍射光带，使光电元件有较大的输出信号。反射式光路反射式光路适用于黑自反射光栅，如图4-6所示。光源6经聚焦透镜5和场镜3后成为平行光束以一定角度射向指示光栅2，经反射式主光栅l

7、反射后形成莫尔条纹，经反光镜4和物镜7成像在光电元件8上。上一页下一页返回4.1光栅传感器镜像式光路镜像式光路如图4-7所示。它不设指示光栅，光源1发出的光线，经半透半反镜2和聚光镜3后成为平行光束，照射到主光栅4上，光栅上的栅线经物镜5和反射镜6又成像在主光栅仁形成莫尔条纹，然后经半透半反镜2反射由光电元件7接收。这种光路不存在光栅间隙问题。同时，光学系统保证了光栅和光栅像按相反方向移动。因此，光栅移过半个栅距，莫尔条纹就变化一个周期，即灵敏度提高了一倍。上一页下一页返回4.1光栅传感器4.1.4辨向与细分技术辨向技术如果传感器只安装一套光电元件，则

8、在实际应用中，无论光栅是正向移动还是反向移动，光电元件都产生相同的正弦信号，无法分辨移动方向。