第13章 常见物理量的测量（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

传感器与检测技术 1.掌握感应同步器的工作原理及应用　　　 2.掌握光栅传感器的工作原理及应用 3.掌握流量的测量方法 第十四章 典型参量的测量 传感器与检测技术 第十四章 典型参量的测量 13.1 感应同步器 感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移或转角位移的一种器件。测量直线位移的称为直线感应同步器，测量转角位移的称为圆感应同步器。 广泛用于雷达天线定位、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。 可作大范围的位移测量； 制造成本低，安装使用方便； 对工作环境条件要求不高，抗干扰能力强； 测量精度受到测量方法的限制（传统测量方法的测量精度约为2～5μm）。 由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同——定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90相角，又称为正、余弦绕组。 直线型感应同步器 1、感应同步器的基本结构 14.1 感应同步器 外形及结构 定尺 滑尺 去信号处理电路 固定孔 13.1 感应同步器 2、感应同步器的工作原理 13.1 感应同步器 定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。通过对此信号的处理，可测量出直线位移量。 感应电势与两绕组相对位置关系 13.1 感应同步器 直线型感应同步器 14.1 感应同步器 感应同步器的励磁方式可分为两大类： 一类是以滑尺（或定子）励磁，由定尺（或转子）取出感应电动势信号； 另一类以定尺（或转子）励磁，由滑尺（或定子）取出感应电动势信号。 目前在实用中多数用前一类励磁方式。 其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种——分别用输出感应电动势的幅值或相位来进行处理。 3.感应同步器的信号处理 13.1 感应同步器 鉴幅法——根据感应电势的幅值来鉴别位移量。 在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但幅值不同（注意：幅值是随电压细分角θ变化的）的正弦激励电压，即 感应同步器相当于调幅器，可由幅值变化测量位移量。 则正、余弦绕组在定尺上产生的感应电势分别为： 定尺上产生的总感应电势为： 结论：感应电动势的幅值随机械位移角φ变化，即与位移x有关。 13.1 感应同步器 13.1 感应同步器 鉴相法——根据感应电势的相位来鉴别位移量。 在滑尺的正弦、余弦绕组上供给频率相同、相位差为90的交流电压励磁即 定尺输出的总感应电势为 通过鉴别感应电动势的相位，例如同励磁电压us比相，即可得知φ的大小，通过关系式确定出定尺和滑尺之间的相对位移x。 结论：感应电动势与激励电压的相位差随机械位移角φ变化，即与位移x有关。 13.1 感应同步器 4.感应同步器的应用：数显表 13.1 感应同步器 在磨床测长系统中的应用 13.1 感应同步器 第十三章 典型参量的测量 13.2 光栅传感器 1、光栅的类型和结构 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。 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。 透射光栅 13.2 光栅数字传感器 构成：主光栅 --- 标尺光栅，动光栅（长）； 指示光栅 --- 定光栅（短） 主光栅长度---测量范围； 刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm ) 两者栅距W相同 13.2 光栅数字传感器 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 扫描头安装孔 电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长光栅 13.2 光栅数字传感器 反射式光栅 13.2 光栅数字传感器 透射式光栅 13.2 光栅数字传感器 2、光栅数字传感器的工作原理 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。 两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d(取d＝W 2/λ，W为栅距，λ为有效光波长)，指示光栅固定，标尺光栅随着被测物体移动，即可实现位移测量。 13.2 光栅数字传感器 莫尔条纹的形成及特点 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时，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