最新传感器原理及应用教学大纲第13章PPT课件

第13章 数字式传感器
（1） 辨向原理 采用图13-3中一个光电元件的光栅读数头， 无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化， 光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运 动方向。为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。 图 13 - 5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位 置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信号u1 和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得 两个方波信号u1′和u2′。
传感器原理及应用教学大纲第13 章
第13章 数字式传感器
13.1 光 栅 传 感 器
13.1.1
1. 光栅结构
在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细 小条纹（又称为刻线），这就是光栅，图13-1为透射光栅的示意 图。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可 刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、250条线条。
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1. 光栅读数头
光栅读数头主要由标尺光栅、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。指示光栅比 标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅 互相重叠，两者之间有微小的空隙。 标尺光栅一般固定在被 测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围， 指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头的结构示意图见图 13- 3。
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3
2
4
1
5
1—光源；2—透镜；3—标尺光栅；4—指
5—光电元件
x
图13 – 3 光栅读数头结构示意图
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前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图13-2看出， 两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一 直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主 光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫 尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于 正弦周期函数(如图13 -4所示)， 如以电压输出，即
(3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对 线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期 误差的影响。
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13.1.2 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光
栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移 量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显 示功能的电子系统。
图13 – 5 辨向逻辑工作原理
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(2) 细分技术
在前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的 数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和 测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是 在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉 冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n 倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频 率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机械细分和 电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法， 这种细分法也是许多其它细分法的基础。
正 最大
UmHale Waihona Puke Baidu
Uo
ab
c
d
e f g 位 移x
图13-4 光栅位移与光强、输出电压的关系
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2. 光栅数显表
光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向 量， 因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。 为了辨别位移的方向， 进一步提高测量的精度，以及实现数字 显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一 步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路 及数字显示电路等组成。
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（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移 动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1 向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据 莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。
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在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元 件，得到两个相位相差π/2的电信号。 若将这两个信号反相就可 以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周 期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH/4位 置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到 高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光 电元件。它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严 格要求。
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从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1′经微 分电路后产生的脉冲, 正好发生在u2′的“1”电平时，从而经Y1输 出一个计数脉冲；而u1′经反相并微分后产生的脉冲，则与u2′的 “0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移 动时，u1′的微分脉冲发生在u2′为“0”电平时，与门Y1无脉冲输 出；而u1′的反相微分脉冲则发生在u2′ 的“1”电平时， 与门Y2输 出一个计数脉冲,则说明u2′的电平状态作为与门的控制信号，来 控制在不同的移动方向时，u1′所产生的脉冲输出。 这样就可以 根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲， 再将其输
uoUoUmsin22W x （13 - 2
第13章 数字式传感器 式中： uo——光电元件输出的电压信号；
Uo——输出信号中的平均直流分量； Um——输出信号中正弦交流分量的幅值。
由式（13 - 2）可见，输出电压反映了位移量的大小。
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正 最大 输 出 电 压u o
负 最大
入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。
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3
1
24
BH
4
u
u1
u2
BB
3W
4
0 WW
W
x
42
A
u 1
A
u 2
u 1
Y1
A
u 2 A
Y2
1、 2— 光 电 元 件 ； 3、 4— 光 栅 ； A ( A ) — 光 栅 移 动 B方( 向) —； 与AB( )对 应 的 A莫 尔 条 纹 移 动 方 向