传感器原理及应用定尺感应电动势与两相绕组.PPT

第3章 数字式传感器 3.1 概 述 3.2 光栅式传感器 3.3 磁栅式传感器 3.4 感应同步器 3.5 码盘式传感器 机械与电子工程学院 第3章 数字式传感器 《传感器原理及应用》 数字式传感器就是一种能把被测模拟量（位移、温度、压力、应力等）直接转换成数字量或准数字量的输出装置。它具有以下特点： 3.1 概 述 （1）测量精度和分辨率更高； （2）抗干扰能力更强； （3）稳定性更好； （4）易与计算机和其他数字设备相联； （5）便于信号处理和实现自动化测量。 3.2 光栅式传感器 3.2.1 光栅 在玻璃（或金属）尺或玻璃（或金属）盘上类似于刻线标尺或刻度盘上，进行长刻线（一般为10-12mm）的密集刻化，得到黑白相间、间隔细小的条纹，没有刻化的地方透光，刻化的发黑处不透光，这种具有周期性的刻化分布的光学器件称为光栅。 光栅条纹放大图 光栅式传感器具有如下特点： （1）精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，一般认为光栅式传感器有很高的精度。 （2）大量程测量兼有高分辨力。感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器。 （3）可实现动态测量，易于实验测量及数据处理的自动化。 （4) 具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。 光栅种类很多，按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线形式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射光栅和反射光栅；按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。 1）长光栅 长光栅用于长度或直线位移的测量，它的刻线相互平行，长光栅有时也称光栅尺。长光栅栅线的疏密常用每毫米长度内的栅线数来表示（也称栅线密度），例如栅线间距W＝0.02mm时，栅线密度为50线／mm。 长光栅 振幅光栅 （黑白光栅 ） 相位光栅 （闪耀光栅 ） 透射光栅 反射光栅 透射光栅 反射光栅 2）圆光栅 刻化在玻璃圆盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角度或角位移。圆光栅的参数多使用整圆上刻线数或栅距角（也称节距角）来表示，它是指圆光栅上相邻两条栅线之间的夹角。 根据栅线刻化的方向，圆光栅可分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心。另一种是切向光栅，其全部光栅与一个和光栅盘同心的直径只有零点几到几个毫米的小圆相切。切向光栅适用于精度要求较高的场合。 3.2.2 光栅传感器的工作原理 光栅传感器一般由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。 1. 光栅传感器的组成 主光栅比指示光栅长的多，主光栅与指示光栅之间的距离为d，d可根据光栅的栅距来选择，对于每毫米25线~100线的黑白光栅，指示光栅应置于主光栅的“费涅耳第一焦面上”，即： 黑白透射光栅光路 2. 莫尔条纹 光栅传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的线纹相交一个微小的夹角，由于挡光效应或光的衍射，这时在与光栅线纹大致垂直的方向上，即两刻线交角的二等分线处，产生明暗相间的条纹。在刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带，两块光栅的纹线彼此错开处，由于挡光作用而形成黑带。 这时亮带、黑带之间就形成了明 暗相间的条纹，即为莫尔条纹。 莫尔条纹的方向与刻线的方向相 垂直，故又称横向条纹。 光栅和横向莫尔条纹 莫尔条纹具有以下特征： 莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系。莫尔条纹通过光栅固定点（光电元件）的数量刚好与光栅所移动的刻线数量相等。光栅作反向移动时，莫尔条纹移动方向亦相反，从固定点观察到的莫尔条纹光强的变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距，光强变化一个周期。 （1）运动对应关系 光栅输出原理图 （2）减小误差 莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的。对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差和短周期误差的影响。个别栅线的栅距或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小。 （3）位移放大 莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下： 从式中可知，θ越小，条纹间距B将变得越大，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为 ： 3. 光栅的信号输出 由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。为了能够辨别方向，还要在间隔个莫尔条纹间距B的地方设置两个光电元件。辨向环节的方框图如图所示： 光栅的输出信号为： 3.3 磁栅式传感器 磁栅式传感器由磁栅、磁头和测量电路组成。 3.3.1 磁栅的结构和类型 1. 磁栅的结构 磁栅结构 磁栅基体1是用非