传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第8章(1)
21页1、第8章 数字式位移传感器,【内容提示】 数字式位移传感器是将被测物理量直接转换成数字量或准数字量输出的装置。它具有精度高、抗扰能力强、信号处理和传输方便、尤其适合计算机使用等优点。这类数字式位移传感器在测距、测角和测转速等方面具有明显的优势,因而很受电气工程及其自动化、机电一体化等专业人士的重视。本章主要讲述光栅传感器、旋转编码器、感应同步器等内容。,8.1 光栅传感器,8.1.1 光栅传感器的类型与结构,光栅 (raster displayrastergrating) 分为物理光栅和计量光栅,其中物理光栅多用于光谱仪器,作色散元件,而计量光栅主要用于精密位移测量,包括线位移和角位移。 光栅传感器 (grating sensor):利用光栅的莫尔条纹 (Moire fringe) 现象进行位移测量的器件。,1光栅传感器的分类, 按光线路径不同,可分为透射(或称直射)光栅和反射光栅。透射光栅是在透明玻璃上均匀刻划间距、宽度相等的栅线形成的,反射光栅是在具有强反射能力的基体上,均匀刻划间距、宽度相等的栅线而成,如图8-1所示;,图8-1 光栅传感器的基本结构,(b)反射光栅,(a)直射光栅
2、,1光源 2透镜 3主光栅 4指示光栅 5光电元件 6聚光镜, 按光栅的形状和用途不同,可分为长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度,它分为黑白光栅和闪耀光栅两种;圆光栅用于测量角度,它又进一步分为径向光栅和切向光栅,径向光栅是通过沿圆形基体周边在直径方向刻栅线形成,而切向光栅沿周边刻划的全部栅线均与光栅中央一个半径为r的圆相切。,还有按物理原理,将光栅分为黑白光栅和相位光栅。 2光栅传感器的结构 光栅传感器的基本结构如图8-1 所示,主要由光源、透镜、主光栅 (又称标尺光栅)、指示光栅、光电接收元件组成。,光源:过去多采用钨丝灯,功率较小,工作温度在40130,转换效率低,使用寿命短。半导体发光二极管,如砷化镓发光二极管,可以工作在60100,发射光的峰值波长为91009400 ,有较高转换效率和较快响应速度。,光栅副:由主光栅和指示光栅构成,主光栅一般固定在被测物上,且随被测物移动,指示光栅固定,主光栅与指示光栅的相对位移量是被测物的位移量。整个测量装置的精度主要由主光栅的精度决定。 光电接收元件:其作用是检测莫尔条纹的移动。一般采用光敏三极管,或者光电池。选择时应考虑元件的光谱特性与
3、光源相匹配。硅电池无需外加电压,受光面积大,性能稳定,但灵敏度低、响应慢;光敏三极管灵敏度高、响应快、但稳定性差。,8.1.2 光栅传感器工作原理,1光栅及其莫尔条纹 光栅(副)是光栅传感器的主要元件,由主光栅和指示光栅组成。在两块光栅板上,刻有透明和不透明(黑色)相间的直线条纹,设 a 为栅线宽度(不透明),b为间距宽度(透明),则称 为光栅栅距(也称光栅常数或光栅节距),如图8-2。制作时,一般让 ,从而有,将两个栅距均为W的光栅重叠放置,中间保持一段间隔,两光栅的栅线错开一个小角度 ,由于光的干涉作用,光线在 p-p 线上的重叠处形成亮带,在 q-q 线上两光栅栅线的错开处形成暗带,这种亮暗相间的条纹即为莫尔条纹,如图8-3所示。,如果光栅片作向左向右的相对运动,则莫尔条纹作向下向上移动,莫尔条纹间距B与栅距W、光栅夹角 之间的关系示意图见图 8-4,具体表达式为,图8-4 条纹相关量关系示意图,图8-3 等栅距形成的莫尔条纹,图8-2 光栅栅距,于是可获得,(8-1),其中, 。由式(8-1)可知,调节两光栅的交角,可以改变莫尔条纹的宽度(间距)。 越小,则 B 越大。但是如果
4、交角 过小,条纹宽度过大,会使莫尔条纹清晰度下降,进而导致分辨力降低。,莫尔条纹的几条特性:,1)移动特性:主光栅的左右移动方向和距离与莫尔条纹的上下移动方向和长短相对应,,具体为:移动一个栅距W,莫尔条纹移动一个条纹间距 B,主光栅相对指示光栅转角为逆时针或顺时针时,其主光栅移动方向与莫尔条纹移动方向见表 8-1 所示。,表8-1 光栅移动与莫尔条纹移动方向关系表,2)放大作用:由 知,当 下降时,k上升,尽管 W 很小,但由式(8-1)可知,B 可以大到清晰。 3)误差平均效应:莫尔条纹是由大量栅线共同形成的,因而对刻度误差具有平均抵消作用,可在很大程度上消除由于刻线误差引起的局部和短周期误差影响,达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。,2测量原理 主光栅与指示光栅的相对位置不变,主光栅仅作向左或向右的运动。当主光栅向左或向右一个栅距 W 时,莫尔条纹向下或向上移动一个条纹间距 B,受光电元件的电压变化一个周期。假如移动距离为,(8-2),则莫尔条纹向下或向上移动N个条纹间距B,受光电元件的电压变化N个周期。具体表达式为,当 时,x 从 ,莫尔条纹的光强变化及其对应的光电元件电压波
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