数字式传感器PPT课件

(10-7)
电桥平衡条件
R2u1+R1u2=0 令 2x/W=，则式（10-6）改写为
u1=Umsin 和u2=Umcos ，代入上式，得
tan= R1/R2
（10-8）
R1/R2
x=W/2=Wtan-1(-R1/R2)/ 2
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图10-6
电阻电桥细分原理
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10.1 光栅传感器
由于R1/R2与位移x有严格的对应关系，用电桥平衡信号 （uo=0）去触发施密特电路，便发出脉冲计数信号。从式 （10-8）可见，只有在二、四象限内才能满足条件。但是， 如果同时用u1、u2的反向信号，便可在四个象限中得到任意 的细分组合。图10-7就是这种电阻电桥10细分电路的例子。
辨向原理：
在相距B/4位置设置两个光电元件1和2，得到两个相位差 /2的Moire条纹正弦电压信号u1和u2，然后送到辨向电路中 去处理。正向移动（A）时，Y1输出脉冲，计数器作加法计 数；反向移动（ ）时，Y2输出脉冲，计数器作减法计 数。由此辨向，进行位移的正确测量。
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10.1 光栅传感器
结构: 照明系统：普通白光源，GaAs固态光源 等；
光栅副：主光栅或标尺光栅，指示光栅； 光电接收元件：光电池或光敏三极管。 光栅：
刻线宽度a，刻线间距b，通常a=b=W/2；或 a:b=1.1:0.9；
光栅栅距（或光栅常数）W=a+b； 光栅规格：10、25、50、100线/mm。
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(10-4)
dx W
W
由上式可见，当2x/W=n，即x=W/2、W、3W/2、…
时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为
Ku =2Um/W
(10-5)
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10.1 光栅传感器
10.1.2.2 辨向原理
计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。
图10-4 光栅辨向原理图
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10.1 光栅传感器
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10.1 光栅传感器
10.1.1.2工作原理
1．莫尔（Moire）条纹的形成 光栅常数相同的两块光栅相互叠合在一起时，若两光栅刻
线之间保持很小的夹角，由于遮光效应，在近于垂直栅线
方向出现若干明暗相间的条纹，即莫尔（Moire）条纹。如 图10-2所示。
Moire条纹的间距B为
B

W2
sin 2
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10.1 光栅传感器
物理光栅：衍射现象；用于光谱分析、波长测量等
光栅
线位移长光栅—长度测量
计量光栅：莫尔条纹现象
（透射式和反射式） 量
角位移圆光栅—角度测
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10.1 光栅传感器
10.1.1光栅传感器的结构和原理
10.1.1.1结构：
图10-1 黑白透射 式光栅示意图
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10.1 光栅传感器
Um
sin(

2

2x )
W
U m (1
cos
2x )
W
(10-2)
式中，Uav—输出信号的平均直流分量；Um—输出信号的 幅值 ，Um=Uav。
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10.1 光栅传感器
光栅输出信号的光电转换电路及其输出信号波形如图10-3 所示。
图10-3 光栅输出信号
（a）光电转换系统示意图（b）输出信号波形
第10章 数字式传感器
10.1 光栅传感器 10.2 磁栅传感器 10.3 感应同步器 10.4 角数字编码器 10.5 频率式数字传感器
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第10章 数字式传感器
模拟式传感器——模拟量 传感器—
数字式传感器——数字量 数字式传感器的优点：
测量精度与分辨率高，无读数误差； 抗干扰能力强，稳定性好，易于远距离传输； 易于与微机接口，便于信号处理和实现自动化测控。 数字式传感器分类： 脉冲数字式：计量光栅；磁栅；感应同步器；角数编 码器； 数字频率式：振荡电路；振筒；振膜；振弦。
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10.1 光栅传感器
10.1.2 光栅传感器的测量电路
10.1.2.1 光栅的输出信号
主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在
固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电
信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关 系。
光电元件输出电压uo可表示为
uo
U av
图10-5 四倍频机械细分法
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10.1 光栅传感器
2.电子细分（正、余弦组合技术）
电子细分只需在一个Moire条纹间距上相距B/4的位置
设置两个光电元件，获得相差/2的两个正弦信号
u1=Umsin(2x/W)； u2=Umcos(2x/W) （1）四倍频细分
（10-6）
由u1、u2及其各自的反相信号u3、u4，可以获得依此相 差/2的四个正弦信号，从而获得四个计数脉冲，实现四
细分。
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10.1 光栅传感器
（2）电阻电桥细分
图10-6为电阻电桥细分电路，u1、u2分别为式（10-6）所 示两光电元件输出的两个Moire条纹电压信号，设电桥负载
电阻无穷大，则电桥输出电压uo为
uo

u1 R1 R2
R2

u2 R1 R2
R1

R2u1 R1u2 R1 R2

Байду номын сангаас
W

2 2

W

（10-1）
图10-2 光栅和横向
莫尔条纹
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10.1 光栅传感器
2. 莫尔（Moire）条纹的基本特性 （1）两光栅作相对位移时，其横向Moire条纹也产生相应 移动，其位移量和移动方向与两光栅的移动状况有严格的对 应关系； （2）光栅副相对移动一个栅距W，Moire条纹移动一个间 距B，由B=W/知，B对光栅副的位移有放大作用，鉴于 此，计量光栅利用Moire条纹可以测微小位移； （3）Moire条纹的光强是一个区域内许多透光刻线的综合 效果，因此，它对光栅尺的栅距误差有平均效果； （4）Moire条纹的光强变化近似正弦变化，便于采用细分 技术，提高测量分辨率。
10.1.2.3 细分技术
细分技术就是当Moire条纹变化一个周期时，输出若干个 计数脉冲，减小脉冲当量以提高分辨率。
1.机械细分(位置细分或直接细分) 在一个Moire条纹间距上相距B/4依此设置四个光电元件。 当Moire条纹变化一个周期时，可以获得依此相差/2的四个 正弦信号，从而依此获得四个计数脉冲（见图10-5），实现 四细分。
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10.1 光栅传感器
光栅传感器测位移x的原理： 当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周 期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉 冲，则位移量x为
x=NW 式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。
输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为
(10-3)
duo 2Um sin 2x