精品中职 《传感器与检测技术 》教学课件项目09 数字式位移传感器的应用

传感器与检测技术 1 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 任务二 光电编码器在角位移测量中的应用 项目九 数字式位移传感器的应用 目 录 　　1.能正确识别长光栅传感器。 　　2.能完成长光栅传感器检测直线位移电路接线。 　　3.正确测量位移并且读数正确。 学习重点 项目九 数字式位移传感器的应用 　　光栅是指按一定要求或规律排列的刻槽或线条的透光或不透光（反射）的光学元件，可以分成物理光栅和计量光栅两大类，物理光栅是基于光的衍射，常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅是基于光的反射和透射现象，在位移检测中使用广泛。计量光栅主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。 计量光栅可以分成透射式光栅和反射式光栅两大类。刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划基面采用金属材料的为反射式光栅。 计量光栅按其栅线形式,光栅可分为黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）。黑白光栅是利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅的横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。 一、光栅的类型和结构 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 计量光栅按照形状可分成长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度或线位移；圆光栅用于测量角度或角位移。长光栅有透射式和反射式，而且均有黑白光栅和闪耀光栅；圆光栅一般只有透射式黑白光栅。 所谓光栅是在刻划基面上等间距（或不等间距）地密集刻划，使刻线处不透光，未刻线处透光，形成透光与不透光相间排列构成的光电器件。光栅结构如图所示。 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 一、光栅的类型和结构 　　光栅结构 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 一、光栅的类型和结构 　　1.莫尔条纹 　　计量光栅一般由指示光栅和标尺光栅（主光栅）构成。以透射式长光栅为例，当指示光栅和主光栅之间平行安装，且两光栅的刻线之间有很小的夹角θ时，在光源照射下，在光栅上会出现明暗相间的条纹，如图所示，称为莫尔条纹。 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　莫尔条纹 1主光栅2指示光栅 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　上图中a-a线处两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，而两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，如上图b-b处。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。 　　当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，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）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。当指示光栅向右移动的时候，莫尔条纹向上运动。反之，莫尔条纹向下运动。莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。莫尔条纹宽度是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　2.长光栅测量位移的工作原理 　　（1）光电转换原理 　　当光栅移动时，莫尔条纹的亮带和暗带依次经过光敏元件，光敏元件检测到莫尔条纹的两个暗带之间（一个栅距）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，如图所示。 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　　　　　光电转换 　　如果将光敏元件接入电路，将光信号转换成电信号，得到的是近似正弦波的波形， 如图所示。 光栅位移和光强、输出电压的关系 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　 　　式中： 　　uo—输出电压的瞬时值； 　　Uo —输出电压直流分量的平均值； 　　Um—输出电压交流分量的幅值。 　　从上式可以看出，通过测量输出电压可以知道光栅位移的大小。 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　（2）长光栅测量位移工作原理 　　当指示光栅与主光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同步移动。栅距被放大许多倍，用光电元件测出莫尔条纹的移动，得到正弦信号，将输出正弦信号整形成变化一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的，如图所示。 长光栅测量位移的工作原理 二、长光栅传感器的工作原理 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　1. 辨向技术 　　在实际应用中，通常位移具有两个方向，即选定一个移动方向作为正方向后，相反方向的位移为负。从式可知，只用一套光电元件测量莫尔条纹信号无法反映位移的方向，因为无论往哪个方向移动，输出始终是相同的正弦波，所以通常需要加入辨向电路。 　　脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。 三、辨向和细分 任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用 　　如图所示，通常在相距1/4W的位置上安放两个光敏元件，得到两个相位差π/2的电信号u1和u2，