数字量位移传感器与位移的测试

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1、机电工程学院工程测试技术教研组机电工程测试技术8/4/20215数字量位移传感器与位移的测试1.了解常用数字式位移传感器的性能、特点及适用范围2.掌握光栅数字传感器工作原理、测量电路3.了解数字式传感器的应用8/4/2021数字位移传感器与位移的测试传感器的特点：具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。易于实现高速动态测量、处理和自动化。采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。8/4/20215.1光栅

2、数字传感器1、光栅的类型光栅是在基体（玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。计量光栅分为透射式及反射式两种。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。测量直线位移的光栅为直光栅（长光栅），测量角位移的光栅为圆光栅。5.1.1光栅传感器的构成及原理8/4/2021在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则W＝a+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常a＝b，或a：b＝1.1：0.9。2.栅距8/4/20213.莫尔条纹的形成及特点当两块

3、光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹——称为“莫尔条纹”。8/4/2021莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角θ之间的关系为：K为放大倍数8/4/2021莫尔条纹的重要特征:1)莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应光栅栅距W——莫尔条纹间距B。2）莫尔条纹具有位移放大作用K=1/θ3)莫尔条纹具有误差平均效应（消除短周期误差）4）莫尔

4、条纹的间距B随光栅刻线夹角θ变化8/4/20214、光栅数字传感器的结构光栅数字传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。对于线位移测量，两块光栅长短不等，指示固定，标尺光栅随着被测物体移动，即可实现位移测量。而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。8/4/2021光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件8/4/20215.1.2光栅位移数字转换的基本原理1.光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一

5、个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：8/4/2021输出表达式：U＝U0＋UmCOS[(2π/w)X]式中，2π/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：①辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向

6、；②精度低；分辨力只为一个栅距W。怎么解决这两个问题呢？数字量传感器8/4/20212、辨向与细分电路辨向电路在相隔1/4B莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90º的两个信号——辨向。当条纹上移时，V2落后于V190°。当条纹下移时，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之间的相位关系可以判别运动方向。8/4/2021xAxBxDxExF2xF1x/A8/4/2021将该电压信号放大、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

7、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。8/4/20218/4/20213.细分电路若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。细分方法有机械细分和电子细分两类。机械细分：增加刻线密度，制造、安装及调试困难；电子细分：在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，可得到多个不同相位的信号，提高计数脉冲数。8/4/2021四倍频细分法?在

8、辨向原理中已知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。8/4/20218/4/20215.1.3光栅数字传感器的应用8/4/20215.2光电盘式角位移传感器5.2.1光电盘光电盘是一种最简单的光电式转角测量元件。它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整形放大电路和数字显示装置组成。8/4/20218/4/20218/4/2021光电盘和光栏板