9 数字式位置传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目九 数字式位置传感器 项目分析 任务9.1　光栅传感器的使用 任务9.2　磁栅传感器的使用 项目九　数字式位置传感器 任务9.3　光电编码器的使用 项目分析 了解光栅、磁栅、编码器的基本原理 熟悉光栅、磁栅、编码器的结构 会安装光栅、磁栅、编码器。 项目分析 所谓数字传感器就是将被测量(一般是位移量)转化为数字信号，并进行精确检测和控制的传感器。数字式传感器分为以编码方式产生数字信号的代码型和将输出的连续信号经过简单的整形、微分电路处理后输出离散脉冲信号的记数型两类。 代码型传感器又称编码器，其工作原理是把一定量的输入量转换为一个二进制的代码输出。 记数型数字式传感器又称脉冲数字型传感器。它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数，可用来检测输送带上通过的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务9.1　光栅传感器的使用 相关知识 2 技能训练 3 任务分析 本任务主要介绍光栅检测装置。通过学习本任务，了解光栅测量装置的基本结构、工作原理，并能根据工程要求正确选择、安装和使用。 1．光栅测量装置概述 光栅可分为物理光栅和计量光栅。而数字式位置传感器中使用的是计量光栅。图9－1为常见的各种光栅传感器。 相关知识 图9-1 光栅传感器 1）计量光栅的组成和种类 计量光栅的结构如图9－2所示，由光源、透镜、光栅副（标尺光栅和指示光栅）、和光电元件和驱动电路组成。光源一般采用白炽灯，白炽灯发出的光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅副上。光电元件输出信号，光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。由于光电元件输出的电压信号比较微弱，因此，必须首先将该电压信号进行放大，以避免在传输过程中被多种干扰信号所淹没、覆盖而造成失真。驱动电路的作用就是实现对光电元件输出的信号进行功率放大和电压放大。 （a）透射式计量光栅的结构 （b）分光计量光栅 （c）反射计量光栅  图9－2计量光栅的结构 光栅副主要由标尺光栅和指示光栅两部分组成。如图9-3所示，两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从光栅图上光栅尺线纹的局部放大部分来看，白的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度，设栅距为W，则W=a+b，W越小，分辨力就越高。一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹宽度是相等的，即a=b。 图9-3 光栅副 计量光栅按其形状和用途可以分成长光栅和圆光栅两类。长光栅用于直线位移测量，又称直线光栅，圆光栅用于角度测量。 从光栅的光线走向来看，计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅一般用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻划了等间距、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做基体，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。 使用时，在长光栅中，标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对运动。在圆光栅中，指示光栅固定不动，而标尺光栅随被测物的转轴转动。 2）光栅传感器的原理 （1）莫尔条纹 光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔原意是水面上产生的波纹。如图9－4所示为两块相同栅距的光栅合在一起时，其栅线之间倾斜一个很小的夹角θ，于是在近乎垂直于栅线的方向上出现了明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。它是由一系列四棱形图案组成的。图9－4中，相邻两条亮带（或暗带）之间的距离称为莫尔条纹的纹距B。 x-光栅移动方向 y－莫尔条纹移动方向 图9－4 等栅距形成的 莫尔条纹（θ≠0） 莫尔条纹有如下几个重要特性： ①莫尔条纹有平均误差的作用，消除光栅刻线的不均匀误差。由于光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收的莫尔条纹所对应的明暗信号是一个区域内许多刻线的综合结果。因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效应，这有利于提高光栅的测量精度。 ②莫尔条纹具有放大作用。莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距W，它随着光栅刻线夹角θ的改变而改变。当θ<<1时，可推导得莫尔条纹的间距B≈W/θ。可知θ越小，则B越大，相当于把微小的栅距扩大了1／θ倍。 ③莫尔条纹的移动特性。莫尔条纹随光栅副的移动而移动，它们之间有严格的对应关系，包括移动方向和位移量。即两光栅相对移动时，莫尔条纹就沿垂直于光 栅运动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就准确地移动一个纹距B。只要测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少栅距。表9－1所示为莫尔条纹移动方向与光栅相对移动方向