机电测试技术 教学课件 作者 赵树忠电子教案第08课.doc

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1、第8课■授课内容第4章现代新型传感器4.1激光传感器4.2光栅传感器4.3光纤传感器4.4固态图像传感器4.5角度编码器4.6超声波传感器4.7红外传感器4.8现代传感技术的发展方向■课时数2课时■重点难点重点：1.激光传感器、光栅传感器的工作原理。难点：无。■授课方式新课■所用教具无《机电测试技术》第8课10/10第4章现代新型传感器学习目标了解本章中所介绍的几种新型传感器的工作原理、特点及主要应用场合。通过查阅有关文献并结合实际应用，进一步加深对各种传感器以及由它们所组成的测试系统的认识和理解，了解现代传感技术的发展情况。学

2、习重点激光传感器、光栅传感器的工作原理。4.1激光传感器产生激光的装置称为激光器。严格地说，激光器本身并不是一种传感器，它更多地是与其他传感器、元件（如光栅、各种光电元件等）一起，共同实现某些测试任务。4.1.1激光干涉测长图4-1为迈克尔逊激光干涉仪的结构原理示意图。图4-1激光干涉仪当测量反射镜移动Δl时，干涉条纹数的变化k为（4-1）从而（4-2）式中，n为空气的折射率。激光干涉仪由计数值k根据式4-2就可计算出被测位移Δl。激光干涉测长的分辨率及测量精度都比较高（0.01μm），测量范围大，既可测量长达几十米的大尺寸，也

3、可测量微小尺寸。《机电测试技术》第8课10/104.1.2激光跟踪空间坐标测量图4-2激光跟踪空间坐标测量系统图4-3激光跟踪干涉仪4.2光栅传感器光栅传感器属于数字传感器，它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在高精度机床、数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应用。4.2.1光栅传感器的组成、种类及结构组成：照明系统、光栅副和光电接收元件（图4-4）。图4-4光栅传感器的组成按工作原理分：透射光栅、反射光栅。按形状和用途分：长光栅、圆光栅。4.2.2莫

4、尔条纹的形成原理及特点光栅常数相同的主光栅与指示光栅以很小的夹角叠合在一起，产生如图4-5所示的莫尔条纹。莫尔条纹间距B与栅距W、夹角之间的关系为《机电测试技术》第8课10/10图4-5莫尔条纹的形成原理（4-3）莫尔条纹的特点：■对应关系——一个栅距变化对应一个莫尔条纹变化。■放大作用——。■平均作用——可抵消栅线的刻划误差。4.3光纤传感器光纤传感器分为两类：物性型和结构型。4.3.1物性型光纤传感器物性型光纤传感器（也称为敏感元件型光纤传感器、功能型光纤传感器的工作原理是基于光纤的光调制效应——改变光纤环境（应变、温度、压

5、力、电场、磁场、放射性、化学作用等）可以改变光在传播中的相位和光强。图4-6a——光纤承受均衡压力图4-6b——光纤承受点压力图4-6物性型光纤压力传感器a)承受均衡压力b)承受点压力4.3.2结构型光纤传感器结构型光纤传感器（也称为传光型光纤传感器、非功能型光纤传感器）由光检测元件和光纤传输回路一起组成的测量系统，光纤仅起传播媒质的作用。图4-7——传光型光纤位移传感器《机电测试技术》第8课10/10图4-7传光型光纤位移传感器图4-8——激光-多普勒测振（速度）系统被测物体的振动速度与多普勒频率之间的关系为：（4-4）式中—

6、—入射光（激光源）的频率；——反射光的频率；——发生反射的介质的折射率；——入射光的波长。图4-8激光-多普勒测振系统4.4固态图像传感器固态图像传感器是一种固态集成器件，它的敏感元件可以是电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）、电荷注入器件CID、戽链式器件BBD、金属氧化物半导体器件等，其中以电荷耦合器件CCD应用最为广泛，因此人们也把这类传感器简称为CCD。CCD的分辨率有32×32、100×100、320×244、490×400及28~38万、130万像素等。CCD的主要应用：■零件尺寸、形状、缺陷

7、以及物位等的检测；■作为自动控制、自动检测系统中的敏感器件；■作为光学信息处理装置的传感元件（输入环节）；■作为机器人的视觉，监控机器人的运行。图4-9——CCD零件尺寸检测系统图4-9零件尺寸检测系统图4-10——CCD热轧铝板宽度检测系统《机电测试技术》第8课10/10图4-10热轧铝板宽度检测系统4.5角度编码器角度编码器（码盘）是一种用来测量物体旋转角度的最主要的数字式传感器。角度编码器的分类：按测量方式：绝对式、增量式；按据测量原理，脉冲式、编码式（有光电式、光栅式、磁电式、自整角机/旋转变压器等多种形式）。4.5.1

8、脉冲式编码器脉冲式编码器属于增量式编码器。图4-11脉冲式编码器a)结构原理b)辨向电路编码器的辨向电路（图4-11b）、细分电路。4.5.2光电式编码器光电式编码器有绝对式和增量式两种，图4-12为绝对式光电编码器及其码盘的原理结构示意图。《机电测试技术》第8