[农学]检测与传感技术简答题.doc

第二节 线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精确度高（可达±1μm）、响应速度快、量程范围大、可进行非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。 （一）光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。以透光的玻璃为载体的称为透射光栅，不透光的金属为载体的称为反射光栅；根据光栅的外形可分为直线光栅和圆光栅。 光栅位移传感器的结构如图2—2所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。 图2—2 光栅位移传感器的结构原理 1—标尺光栅 2—指示光栅 3—光电器件 4—光源 （二）工作原理 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图2—3所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的d—d线区所示。f— f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。 莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动 图2—3 莫尔条纹 过一个条纹间距B，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。 2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为 (2—6) 式中的单位为rad，B、W的单位为mm。所以莫尔条纹的放大倍数为 (2—7) 可见越小，放大倍数越大。实际应用中，角的取值范围都很小。例如当=10′时，K=1/θ=1/0.029rad≈345。也就是说指示光栅与标尺光栅相对移动一个很小的W距离时，可以得到一个很大的莫尔条纹移动量B，可以用测量条纹的移动来检测光栅微小的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成，它反映了形成条纹的光栅刻线的平均位置，对各栅距误差起了平均作用，减弱了光栅制造中的局部误差和短周期误差对检测精度的影响。 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图2—4所示。其电压： (2—8) 式中 U0——输出信号的直流分量； Um——输出信号的幅值； x——两光栅的相对位移。 图2—4 光栅输出波形 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。 提高测量分辨率的常用方法是细分，且电子细分应用较广。这样可在光栅相对移动一个栅距的位移（即电压波形在一个周期内）时，得到4个计数脉冲，将分辨率提高4倍，这就是通常说的电子4倍频细分。 二、感应同步器 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线位移和角位移。由于它成本低，受环境温度影响小，测量精度高，且为非接触测量，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。 （一）感应同步器的结构 直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图2—5所示。图2—6为直线型感应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘粘合材料，将铜箔粘牢，用制造印刷线路板的腐蚀方法制成节距T一般为2mm的方齿形线圈。定尺绕组是连续的。滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。 （二）感应同步器的工作原理 在滑尺的正弦绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动1/4节距后，两绕组反向时，感应电势负向最大。依次类推，每移动一节距，周期性的重复变化