现代检测技术课件.ppt

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1、现代检测技术数字式传感器精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事数字式传感器是能够把被测模拟量直接转换为数字量输出的装置，可直接与计算机系统相连。数字式传感器具有以下优点：测量精度和分辨率高；抗干扰能力强，稳定性好；易于和计算机连接，便于信号处理和实现自动化测量；适宜于远距离传输。数字式传感器Xi’anJiaotongUniversity分类：脉冲输出式：栅式数字传感器、感应同步器、增量编码器；编码输出式：绝对编码器；频率输出式；本节介绍精密位移测量中广泛应用的光栅数字传感器、感应同步器、编码器及容栅传感器的工作原理和测量电路。数字式传感器在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为10～12m

2、m）的密集刻划，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是光栅。用于位移测量的光栅称为计量光栅。光栅上的刻线称为栅线（不透光），栅线宽度为a，缝隙（透光）宽度为b，一般取a=b，W（W=a+b）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅常数）。光栅的结构Xi’anJiaotongUniversity光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者用于精密位移测量和精密机械自动控制等。计量光栅又分为长光栅和圆光栅。幅值光栅相位光栅光栅的分类根据栅线形式不同，分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，亦称幅值光栅；

3、闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，亦称相位光栅。根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，如光学玻璃和制版玻璃；反射光栅则将栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。光栅的分类长光栅的结构长光栅主要用于测量长度，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。Xi’anJiaotongUniversity径向光栅切向光栅圆光栅也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向分为径向光栅和切向光栅。圆光栅的结构光栅传感器由光源、透镜

4、、主光栅（标尺光栅）、指示光栅和光电元件构成。光源和透镜组成照明系统，光线经过透镜后成平行光投向光栅。主光栅与指示光栅在平行光照射下，形成莫尔条纹。光电元件主要有光电池和光敏晶体管，它把莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出。光栅传感器的组成主光栅的有效长度即为测量范围。必要时，主光栅可以接长。主光栅与指示光栅之间的距离d可以根据光栅的栅距进行选择，一般取d=W2/λ，W为栅距，λ为有效光波长。测量系统的精度主要由主光栅的精度决定。光栅传感器的组成Xi’anJiaotongUniversity莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角θ时，由于挡光效应(当线纹密度≤50

5、条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。莫尔条纹当光栅之间的夹角θ很小，且两光栅的栅距都为W时，莫尔条纹间距B（a-a间距）为K为放大倍数。由于θ值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为横向莫尔条纹。莫尔条纹（2）位移放大：由于θ值很小，光栅具有位移放大作用，放大系数为：（3）减小误差：莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的。对光栅的刻线误差有平均作用。个别栅线的栅距误差或断线等疵病对莫尔条纹的影响很小，从而提高了光栅传感器的可靠性和测量精度。（1）运动

6、对应关系：任意一个光栅沿垂直于栅线的方向每移动一个栅距W，莫尔条纹近似沿栅线方向移动一个条纹间距；光栅反方向移动时，莫尔条纹也作反方向移动。因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判断主光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向。莫尔条纹特征通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期2π，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加。式中W——栅距；x——主光栅与指示光栅间瞬时位移；U0——直流电压分量；Um——交流电压分量幅值；U——输出电压。光栅信号输出将该电压信号

7、放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积：光栅信号输出由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。为了能够辨别方向，需要在间距为B/4的位置设置两个光电元件，以得到两个相位差为90°的正弦信号，然后将信号送到辨向电路中去处理。辨向电路（a）（b）当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件1和2分别输出如前图（a）所示的电压信号u1、u2，经过放大整形后得