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英才学院传感器与检测技术教案第4章数字式传感器

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1、第4章数字式传感器教学要求1了解各种数字式传感器的分类、结构及特点。2熟悉各种数字式传感器的测量转换电路。3掌握各种数字式传感器的应用。教学课时 7学时教学内容：4.1 光栅数字式传感器 4.1.1光栅的分类按原理和用途分为：1.物理光栅，利用光的衍射现象，用于光谱分析和波长的测量。2.计量光栅，利用莫尔现象，用于长度、角度、速度等的测量，又可分为透射式光栅和反射式光栅。4.1.2 光栅传感器的结构和工作原理1.光栅传感器的结构光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。2.光栅测量原理把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，如图所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图可见，在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。光栅莫尔条纹的形式莫尔条纹有如下特征：（

2、1）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）当指示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（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。（3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。由于很小，所以其关系可用下式表示LW/sinW/（4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。4.1.3 光栅传感器的测量电路光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。1光栅传感器的常用光路（1）垂直透射式光路（2）透射分光式光路（3）反射式光路（4）镜像式光路2光栅传感器的光电转换系统光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，光敏元件可以将光量的变化转换成电阻或电能的变化。3光栅传感器的辨向处理如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨

3、移动方向的。为此，必须设置辨向电路。4光栅传感器的细分原理细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。常用的细分方法有两大类：机械细分和电子细分，电子细分的两种最常用方法为：倍频细分法和电桥细分法。（1）倍频细分法（2）电桥细分法4.1.4 光栅传感器的应用由于光栅具有测量精度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达十几米，而且不需接长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广，但必须注意防尘、防震问题。 1光栅数显表2光栅传感器在位置控制中的应用4.2 磁栅数字式传感器磁栅传感器结构：磁栅、磁头和信号处理电路等。4.2.1 磁栅的结构和种类磁栅分类：长磁栅和圆磁栅两大类。用途：长磁栅主要用于直接位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。4.2.2 磁头的结构和种类1动态磁头2静态磁头4.2.3 磁栅传感器的信号处理1鉴幅方式2鉴相方式4.2.4 磁栅传感器的应用鉴相式磁栅数字位移显示装置4.3 感应同步器4.3.1 感应同步器的类型和结构感应同步器根据用途的不同可分为两类：直线式同步器和旋转式同步器1直线式感应同步器（1）标准型（2）窄型

4、（3）带型2旋转式感应同步器4.3.2 感应同步器的工作原理4.3.3 感应同步器的信号处理由感应同步器组成的检测系统，可采取不同的励磁方式，并对输出信号采取不同的处理方式。根据对输出感应电动势信号的处理方式不同，可把感应同步器的检测系统分成相位式和幅值式。1鉴相处理：就是根据输出感应电动势的相位来鉴别感应同步器定、滑尺间相对位移量的方法。2鉴幅处理：采用同频率、同相位、不同幅值的交流电压，对感应同步器滑尺两相绕组进行激励磁，就可以根据定尺绕组输出感应电动势的幅值来鉴别定、滑尺间相对位移量，叫做感应同步器输出信号的鉴幅处理。4.3.4 感应同步器的应用鉴幅型数显表4.4 编码器将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器）。4.4.1 脉冲盘式编码器脉冲盘式编码器又称为增量编码器，它不能直接产生几位编码输出。1脉冲盘式编码器的结构和工作原理2脉冲盘式编码器的辨向方式3脉冲盘式编码器的应用4.4.2 码盘式编码器码盘式编码器又称为绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统连接。码盘式编码器按结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式。1接触式编码器：由码盘和电刷组成。2光电式编码器：是一种绝对编码器，即几位编码器其码盘上就有几位码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。3电磁式编码器：是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，主要优点是对潮湿气体和污染敏感，体积小，成本低。作业:P95 7、83

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