传感器原理及工程应用(第三版)第13章数字式传感器.ppt

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1、第13章数字式传感器13.1光栅传感器13.2编码器13.3感应同步器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；本章讲述常用的数字式传感器光栅传感器旋转式光电编码器内容1光栅传感器的结构2莫尔条纹形成的原理3莫尔条纹技术的特点4光栅的光路5辨向原理1工作原理

2、2码盘和码制3二进制码与循环码的转换4应用同步感应传感器光栅式传感器码盘式传感器13.1光栅传感器13.1.1光栅的结构及工作原理1.光栅结构在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅，图13-1为透射光栅的示意图。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。图13–1透射光栅示意图把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合

3、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θ，如图13-2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13-2可见，在a-a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b-b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。2.光栅测量原理图13-2光栅莫尔条纹的形式莫尔条纹形成的原理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条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度

4、≥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。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定由于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。(1)位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为（13-1）莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。/

5、2BHθ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。（2）莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。13.1.2光栅传感器的组成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）转换成相应的电信号

6、；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。1.光栅读数头光栅读数头主要由标尺光栅、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。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅的光路透射光路反射光路（1）透射式光路此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。图13–3光栅读数头结构示意图光源准直透镜主光栅指示光栅

7、光电元件固定不动安装在运动部件上（2）反射式光路1反射主光栅2-指示光栅3-场镜4-反射镜5-聚光镜6-光源7-物镜8-光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图13-2看出，两条暗带中心线之间的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。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数.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

8、尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于莫尔条纹的亮度，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