第12章_数字式传感器

数字式传感器

第十二章 数字式传感器本章学习几种常用数字式传感器的结构、 原理，如计量光栅、感应同步器、编码器， 并讨论他们在直线位移和角位移中测量、控

制的应用。

2013-7-5

数字式传感器

第一节

计量光栅

一、光栅的类型和结构 计量光栅可分为透射式光栅和反射 式光栅两大类，均由光源、光栅副、光 敏元件三大部分组成。 计量光栅按形状又可分为长光栅和 圆光栅。2013-7-5 2

数字式传感器

光栅的外形及结构尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅

反射式扫描头(与移动部件固定)

扫描头安装孔

可移动电缆3

2013-7-5

数字式传感器

光栅的外形及结构(续)可移动电缆 扫描头(与移动部件固定) 光栅尺

2013-7-5

数字式传感器

图12—0光栅及光栅传感器 1—光源 2—聚光镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件2013-7-5 5

数字式传感器

反射式光栅

2013-7-5

数字式传感器

透射式光栅

2013-7-5

数字式传感器

透射式圆光栅

固定

2013-7-5

数字式传感器

莫尔条纹的光学放大作用在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠 合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹 角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。

L≈W/θ , (θ 为主光栅和 指示光栅刻线的 夹角，弧度)

光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度L2013-7-5 9

数字式传感器

2013-7-5

图12-1 莫尔条纹的形成

数字式传感器

图 光强变化信号

2013-7-5

2 u0 U av U m cos( x) W

数字式传感器

莫尔条纹演示

2013-7-5

数字式传感器

莫尔条纹光学放大作用举例有一直线光栅，每毫米刻线数为50,主光栅与 指示光栅的夹角 =1.8 ,则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m (由于栅距很小，因此无法观察光强的变化) 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/(1.8 *3.14/180 ) = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。2013-7-5 13

数字式传感器

二、细分技术

余弦信号细分点 正弦信号 零位信号 光栅输出信号(电压正弦波)

2013-7-5

数字式传感器

(一)直接细分细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 细分后 脉 冲 的 频 率 提 高 了 4 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 , 较 大 地 提 高 了 测量精度。 15细分前

2013-7-5

数字式传感器

光栅细分举例有一直线光栅，每毫米刻线数为50,细 分数为4细分，则：

分辨力 =W /4 =(1mm/50)/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数 (成本)的情况下，将分辨力提高了3倍。

2013-7-5

数字式传感器

(二)电位器桥细分若：

e1 Um cos , e2 Um sin

则：

ui KiU m cos( i )Ri tan i Ri 1 Ki cos i sin i

图12-6 电位器移相原理2013-7-5 17

数字式传感器

48点电位器桥 细分电路图125图中第i个电 位器电刷两边 电阻比值为：Ri 360 tan(i ) Ri 48

图12-5 48点电位器桥细分电路2013-7-5 18

数字式传感器

2013-7-5