课题10 数字式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

2024-01-05

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课题10 数字式传感器及其应用任务1 认识常用数字式传感器任务2 数字式传感器的应用任务3 数字式传感器项目实训—光栅位移传感器在数控机床中的应用返回任务1 认识常用数字式传感器 10. 1. 1栅式数字传感器根据栅式数字传感器的工作原理，可分为光栅和磁栅两种。光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件，按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物理量。本任务重点介绍计量光栅。光栅式传感器实际上是光电式传感器的一个特殊应用。它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了广泛应声用。下一页返回任务1 认识常用数字式传感器 1.光栅的类型和结构光栅主要由光栅尺(光栅副)和光栅读数头两部分构成。光栅尺包括主光栅(标尺光栅)和指示光栅，主光栅和指示光栅的栅线的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与主光栅重叠在一起，两者之间保持很小的间隙。主光栅和指示光栅中一个固定不动，另一个安装在运动部件上，两者之间可以形成相对运动。光栅读数头包括光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路等。在计量工作中应用的光栅称为计量光栅。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。上一页下一页返回任务1 认识常用数字式传感器透射式光栅一般用光学玻璃作基体，在其上均匀地刻划上等间距、等宽度的条纹，形成连续的透光区和不透光区。反射式光栅用不锈钢作基体，在其上用化学方法制作出黑白相间的条纹，形成强反光区和不反光区。如图10-2所示，光栅上栅线的宽度为a，线间宽度b，一般取a= b，而光栅栅距W=a +b。长光栅的栅线密度一般为10线/mm , 25线/mm, 50线/mm, 100线/mm和200线/mm等几种。计量光栅按其形状和用途可分为长光栅和圆光栅两类。 (1)长光栅。又称为光栅尺，用于长度或直线位移的测量。按栅线形状的不同，长光栅可分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以也称为振幅光栅。上一页下一页返回任务1 认识常用数字式传感器黑白光栅如图10 -3所示。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光栅，按其刻线的断面形状可分为对称和不对称两种，如图10 -4所示。 (2)圆光栅。又称为光栅盘，用来测量角度或角位移。根据刻线的方向可分为径向光栅和切向光栅，如图10 -5所示。径向光栅的延长线全部通过光栅盘的圆心，切向光栅栅线的延长线全部与光栅盘中心的一个小圆(直径为零点几到几毫米)相切。圆光栅的两条相邻栅线的中心线之间的夹角称为角节距，每周的栅线数从较低精度100线到高精度等级的21 600线不等。上一页下一页返回任务1 认识常用数字式传感器 2.光栅的工作原理 (1)莫尔条纹计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。主光栅的刻线一般比指示光栅长，如图10 -6所示。若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。上一页下一页返回任务1 认识常用数字式传感器如果改变θ角，莫尔条纹间距B也随之变化。由图10 -6可知，条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系: 所以上一页下一页返回任务1 认识常用数字式传感器当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。θ越小，B越大。 (2)莫尔条纹的特点 ①放大作用。由式(10-1)可知，θ越小，B越大，这相当于把栅距W放大了1/e倍。例如θ=0. 1°，则1/ θ ≈573 ,即莫尔条纹宽度B是栅距w的573倍，相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。上一页下一页返回任务1 认识常用数字式传感器 ②平均效应。莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。 ③运动方向。当两光栅沿与栅线垂直的方向做相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动(两者运动方向垂直);光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图10 -6中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹则向上移动。 ④对应关系。两

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