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. 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。
第13章 数字式传感器
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
第13章 数字式传感器
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
正 最大
Um
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
第13章 数字式传感器
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。
第13章 数字式传感器
第13章 数字式传感器
第13章 数字式传感器
第13章 数字式传感器
第13章 数字式传感器
（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。
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。
第13章 数字式传感器
正 最大 输 出 电 压u o
负 最大
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。
图13 – 5 辨向逻辑工作原理
第13章 数字式传感器
(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。
入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。
第13章 数字式传感器
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
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′。
第13章 数字式传感器
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。
(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。
第13章 数字式传感器
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。
第13章 数字式传感器
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