传感器与检测技术精品中职凤凰02 教案项目09 数字式位移传感器的应用.docx

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1、项目九数字式位移传感器的应用一、教学目标1.了解光栅传感器的类型。2.了解长光栅传感器的结构。3.掌握长光栅传感器的工作原理和特性。二、课时分配本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。三、教学重点通过本项目的学习，让学生理解能正确识别能正确识别长光栅传感器，能完成长光栅传感器检测直线位移电路接线，正确测量位移并且读数正确了解数字式位移传感器的应用的相关知识，通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对传感器的认识更完整，更清晰。四、教学难点1.能正确识别长光栅传感器。2.能完成长光栅传感器检测直线位移电路接线。3.正确测量位移并

2、且读数正确。五、教学内容任务一长光栅传感器在位移检测中的应用知识链接一、光栅的类型和结构11光栅是指按一定要求或规律排列的刻槽或线条的透光或不透光（反射）的光学元件，可以分成物理光栅和计量光栅两大类，物理光栅是基于光的衍射，常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅是基于光的反射和透射现象，在位移检测中使用广泛。计量光栅主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。计量光栅可以分成透射式光栅和反射式光栅两大类。刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划基面采用金属材料的为反射式光栅。计量光栅按其栅线形式,光栅可分为黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相

3、位光栅）。黑白光栅是利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅的横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。计量光栅按照形状可分成长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度或线位移；圆光栅用于测量角度或角位移。长光栅有透射式和反射式,而且均有黑白光栅和闪耀光栅；圆光栅一般只有透射式黑白光栅。所谓光栅是在刻划基面上等间距（或不等间距）地密集刻划,使刻线处不透光,未刻线处透光，形成透光与不透光相间排列构成的光电器件。光栅结构如图所示。光栅结构二、长光栅传感器的工作原理1.莫尔条纹11计量光栅一般由指示光栅和标尺光栅（主光栅）构成。以透射式长光栅为例，当指示光栅和

4、主光栅之间平行安装，且两光栅的刻线之间有很小的夹角θ时，在光源照射下，在光栅上会出现明暗相间的条纹，如图所示，称为莫尔条纹。莫尔条纹1主光栅；2指示光栅上图中a-a线处两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，而两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，如上图b-b处。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。如图所示的光栅，当指示光栅向右移动的时候，莫尔条纹向上运动。反之，莫尔条纹向下运动。莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线

5、数相等。莫尔条纹宽度是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。2.长光栅测量位移的工作原理（1）光电转换原理11当光栅移动时，莫尔条纹的亮带和暗带依次经过光敏元件，光敏元件检测到莫尔条纹的两个暗带之间（一个栅距）光强变化是从最暗到渐暗、到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程，如图所示。光电转换如果将光敏元件接入电路，将光信号转换成电信号，得到的是近似正弦波的波形，如图所示。光栅位移和光强、输出电压的关系式中：uo—输出电压的瞬时值；Uo—输出电压直流分量的平均值；11Um—输出电压交流分量的幅值。从上式可以看出，通过测量输出电压可以知道光

6、栅位移的大小。（2）长光栅测量位移工作原理当指示光栅与主光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同步移动。栅距被放大许多倍，用光电元件测出莫尔条纹的移动，得到正弦信号，将输出正弦信号整形成变化一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的，如图所示。长光栅测量位移的工作原理三、辨向和细分1.辨向技术如图所示，通常在相距1/4W的位置上安放两个光敏元件，得到两个相位差π/2的电信号u1和u2，经过放大、整形后得到两个方波信号u1′和u2′。光栅正向移动时u1超前u290°，反向移动时u2超前u190°。当光栅移动一个栅距时，电路输出电压一个周期，对输出正弦信号整形成

7、一个变化周期输出一个脉冲，则输出脉冲数与移过的栅距数是一一对应的。正向移动时对应的脉冲数累加，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。11辨向电路框图2.细分技术通常用的有直接细分和电路细分两种。以四倍频为例，直接细分可以是通过在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光敏元件，可得到两个相位差90°的电信号，用反相器分别反相后就得到四个依次相差90°的交流信号。或者在两个莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光敏元件，也可获得四个相位差90°的交流信号。直接细分对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，但是要安放的光敏元

8、件较多且安