第4章数字式传感器汇编.ppt

传感器与检测技术（第2版） 电子工业出版社 第4章 数字式传感器 内容提要及学习要求： 随着微型计算机的迅速发展及其在工业上的应用，对信号的检测、控制和处理必然进入数字化阶段。原来利用模拟式传感器和A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，然后由微机和其他数字设备处理，虽然是一种简便和可行的方法，但由于A/D转换器的转换精度受到参考电压精度的限制而不可能很高，系统的总精度也将受到限制。如果有一种传感器能直接输出数字量，那么，上述的精度问题就可望得到解决，这种传感器就是数字式传感器。数字式传感器是一种能把被测模拟量直接转换成数字量的输出装置，它具有检测精度高，寿命长，抗干扰能力强，使用方便等优点。 目前，常用的数字式传感器有栅式数字式传感器、编码器和感应同步器式数字传感器等，栅式数字传感器根据工作原理的不同又分为光栅和磁栅两种。 4.1 光栅数字式传感器 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成的光电器件。20世纪50年代，人们利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。由于光栅具有结构原理简单，计量精度高等优点，在国内外受到重视和推广。近年来我国设计、制造了很多形状的光栅传感器，成功地将其作为数控机床的位置检测元件，并用于高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动等方面的测量。 4.1.1 光栅的分类 光栅按其原理和用途不同，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波波长等的测量。计量光栅主要利用光的透射和反射现象，测量长度、角度、速度、加速度和振动等物理量，在很高的分辨率，可达0.1?m，另外，计量光栅脉冲读数可高达每毫秒几百次，非常适用于动态测量。 计量光栅按其形状和用途可分为长光栅和圆光栅两类，如图4.1和图4.2所示，前者用于测量长度，后者可测量角度（也可测量长度）。圆光栅又有两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过圆心，如图4.3（a）所示；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个同心圆相切，如图4.3（b）所示，此小圆的直径很小，只有零点几毫米或几个毫米。 根据光线的走向，光栅又可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，主光栅常用工业白玻璃，指示光栅最好用光学玻璃。反射光栅其栅线刻制在具有强反射能力的金属（如不锈钢）上或玻璃所镀金属膜（如铝膜）上。 根据栅线的形式不同，光栅又可分为黑白光栅（也称幅值光栅）和闪耀光栅（也称相位光栅）。长光栅中有黑白光栅，也有闪耀光栅，而且两者都有透射和反射的。而圆光栅一般只有黑白光栅，主要是透射光栅。黑白光栅是利用照相机复制工艺加工成栅线与缝隙为黑白相间结构，如图4.1（b）中的栅线放大图所示。图中a为栅线宽度，b为栅线缝隙宽度，相邻两栅线间的距离为 ，称光栅常数（或称为光栅栅距）。栅线密度 一般为25～250线/mm。 闪耀光栅的横断面呈锯齿状，常用刻划工艺加工，其栅线形状如图4.4所示，图中W为光栅常数，栅线形状有对称型和非对称型。闪耀透射光栅直接在玻璃上刻划而成，而闪耀反射光栅则刻划在玻璃的金属膜上或者进行复制。其栅线密度一般为150～2400线/mm。 4.1.2 光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件所组成，如图4.5所示。图中光源1和透镜2构成了照明系统；主光栅3（又叫标尺光栅）和指示光栅4构成光栅副；5为光电接收元件；其中光栅副是光栅传感器中的主要元件。光栅传感器常用的光栅副主要有长光栅副和圆盘光栅副。 1．长光栅副 长光栅副是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、刻度相等的刻线，如图4.1（b）所示。把光栅常数相等的主光栅和指示光栅（一般主光栅的刻线比指示光栅长）叠合在一起，如图4.1（a）所示，中间留有很小的间隙，并使两者栅线之间保持很小夹角? ，于是在近似于垂直栅线方向出现明暗相间的条纹，即在a-a线上形成亮带；在b-b线上形成暗带，这种明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹，如图4.6（a）所示。 如果改变? 角，两条莫尔条纹间的距离B也随之变化。由图4.6（b）可知，条纹间距B的大小为： （4-1） 莫尔条纹的方向与光栅的移动方向只相差? /2，即近似于与栅线方向垂直，故此莫尔条纹又称横向莫尔条纹。从式（4-1）可以明显地看出莫尔条纹有如下重要特性： （1）平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅栅线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除刻线周期误差对测量精度的影响。 （2）放大作用。由于? 角很小，从式（4-1）可明显看出光栅有放大作用，