数字式传感器及应用学习教案.pptx

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1、会计学1数字式传感器及应用数字式传感器及应用(yngyng)第一页，共63页。2023/2/7210.1栅式数字栅式数字(shz)传感器传感器n n根据工作原理，可分为光栅和磁栅两种。根据工作原理，可分为光栅和磁栅两种。n n光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。n n按其原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要按其原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速用于光谱分析和光波

2、长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度度(sd)(sd)、加速度、加速度(sd)(sd)、振动等物现量。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之、振动等物现量。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光栅。分，具体制作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光栅。n n本节主要介绍透射式的长度计量光栅。它是利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为本节主要介绍透射式的长度计量光栅。它是利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密定位

3、或长度、速度位或长度、速度(sd)(sd)、加速度、加速度(sd)(sd)、振动测量等方面得到了广泛应用。、振动测量等方面得到了广泛应用。第2页/共63页第二页，共63页。2023/2/7310.1.1 光栅光栅(gungshn)的类型和的类型和结构结构 n n在计量工作中应用的光栅称为计量光栅。从光栅的光线走向来看，可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅一般用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻划上等间距、等宽度的条纹，形成(xngchng)连续的透光区和不透光区。反射式光栅用不锈钢做基体，在其上用化学方法制作出黑白相间的条纹，形成(xngchng)强反光区和不反光区。第3页/共63页第三

4、页，共63页。2023/2/74尺身尺身尺身安装尺身安装(nzhung)孔孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动（与移动(ydng)部件部件固定）固定）扫描扫描(somio)头安装孔头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅第4页/共63页第四页，共63页。2023/2/75扫描头（与移动扫描头（与移动(ydng)部部件固定）件固定）光栅尺光栅尺可移动可移动(ydng)电缆电缆光栅的外形光栅的外形(wi xn)(wi xn)及结构（续）及结构（续）第5页/共63页第五页，共63页。2023/2/76 光栅光栅(gungshn)刻

5、线刻线 第6页/共63页第六页，共63页。2023/2/77计量计量(jling)光栅按其形状和光栅按其形状和用途分类用途分类n n长光栅n n又称为光栅尺，用于长度或直线位移(wiy)的测量。n n圆光栅n n又称为光栅盘，用来测量角度或角位移(wiy)。第7页/共63页第七页，共63页。2023/2/78长光栅长光栅(gungshn)黑白黑白(hibi)光栅光栅闪耀光栅刻线断面闪耀光栅刻线断面闪耀光栅是对入射光波的闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称为相位进行调制，也称为(chnwi)相位光栅，相位光栅，按其刻线的断面形状可分按其刻线的断面形状可分为对称和不对称两种。为对称和不对称两种

6、。第8页/共63页第八页，共63页。2023/2/79圆光栅圆光栅(gungshn)圆光栅的两条相邻圆光栅的两条相邻(xinln)栅线的中心线之间的夹角称为角节栅线的中心线之间的夹角称为角节距，每周的栅线数从较低精度距，每周的栅线数从较低精度100线到高精度等级的线到高精度等级的21600线不线不等等第9页/共63页第九页，共63页。2023/2/71010.1.2 光栅的工作光栅的工作(gngzu)原理原理 n n计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相

7、等相间、宽度相等(xingdng)(xingdng)的刻线。主光栅的刻的刻线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。线一般比指示光栅长。n n若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度并且使它们的刻线之间成一个很小的角度，由于，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。相间的

8、条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。1长光栅长光栅(gungshn)的莫尔条纹的莫尔条纹第10页/共63页第十页，共63页。2023/2/711莫尔条纹莫尔条纹(tio wn)(tio wn)演示演示第11页/共63页第十一页，共63页。2023/2/712光栅光栅(gungshn)与莫尔条纹示与莫尔条纹示意图意图 当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行(pngxng)方向方向移动，光栅每移动一个移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距，莫尔条纹也移动一

9、个间距B。越小，则越小，则B越大。越大。第12页/共63页第十二页，共63页。2023/2/7132.横向莫尔条纹横向莫尔条纹(tio wn)的特点的特点 n n（1）放大作用 光栅具有位移放大作用，提高了测量的灵敏度。n n（2）平均效应 莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成(xngchng)，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。n n（3）运动方向 第13页/共63页第十三页，共63页。2023/2/714光栅光栅(gungshn)位移与光强关位移与光强关系系 n n4 4）对应关系）对应关系 两块光两块光栅沿栅线垂直方向作栅沿栅线垂

10、直方向作相对移动时，莫尔条相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过序自上而下不断掠过光敏元件光敏元件(yunjin)(yunjin)。光敏元件光敏元件(yunjin)(yunjin)接接受到的光强变化近似受到的光强变化近似于正弦波变化。光栅于正弦波变化。光栅移动一个栅距移动一个栅距WW，光，光强变化一个周期。强变化一个周期。第14页/共63页第十四页，共63页。2023/2/715n n（5）莫尔条纹移过的条纹数等于(dngy)光栅移过的栅线数 例如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（即移过了100 x条光栅栅线），则从光电元件前掠过的莫尔条纹数也为1

11、00 x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。第15页/共63页第十五页，共63页。2023/2/71610.1.3 光栅式传感器的测量光栅式传感器的测量(cling)电路电路 n n计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数(dsh)头、光栅数显表两大部分。光栅读数(dsh)头把输入量（位移量）转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。第16页/共63页第十六页，共63页。2023/2/7171.光电转换光电转换(zhunhun)n n光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路

12、系统(xtng)和光电元件等组成。1光源光源2透镜透镜(tujng)3主光栅主光栅4指示光栅指示光栅5光电元件光电元件第17页/共63页第十七页，共63页。2023/2/718输出电压反映了位移输出电压反映了位移(wiy)量量的大小的大小 n n莫尔条纹是一个明暗相间的光带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗、渐亮、最亮、渐暗直到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件(yunjin)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，如以电压输出，即n n 第18页/共63页第十八页，共63页。2023/2/719光电元件输出光电元件输出(

13、shch)波形波形 第19页/共63页第十九页，共63页。2023/2/7202.辨向原理辨向原理(yunl)n n光栅(gungshn)是正向移动还是反向移动，莫尔条纹都做明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号只能计数，不能辨向。为此，必须设置辨向电路。第20页/共63页第二十页，共63页。辨辨向向电电路路(dinl)第21页/共63页第二十一页，共63页。2023/2/7223.细分技术细分技术(jsh)n n为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。另一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在

14、光栅每移动(ydng)一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫做倍频。第22页/共63页第二十二页，共63页。2023/2/723细分的方法细分的方法(fngf)n n直接细分，细分数为4，所以又称四倍频细分。n n实现(shxin)的方法有两种：第23页/共63页第二十三页，共63页。2023/2/724四倍频四倍频(bi pn)细分原理细分原理 第24页/共63页第二十四页，共63页。2023/2/725光栅在机床光栅在机床(jchung)(jchung)上的安装上的安装位置（位置（2

15、 2个自由度）个自由度）第25页/共63页第二十五页，共63页。2023/2/726安装有直线光栅安装有直线光栅(gungshn)(gungshn)的数控机床加工实的数控机床加工实况况 防护罩内为直线防护罩内为直线(zhxin)光栅光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工被加工(ji gng)工件工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部第26页/共63页第二十六页，共63页。2023/2/72710.2编码器编码器n n将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其

16、高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量位移的测量(cling)(cling)。n n编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类。n n码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式码盘式编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式3 3种，后两种为非接触种，后两种为非接触式编码。式编码。第27页/共63页第二十七页，共63页。2023/2/72810.2.1 接触式码盘编码器接触式码盘编码器 n n接触式码盘编码器由码盘和电刷组成，适用于角位移测量。码盘利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔

17、板上制作某种码制（如8421码、循环码等）图形的盘式印刷电路板。电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下，旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生(chnshng)某种码制的数字编码输出 1结构结构(jigu)与工作原理与工作原理第28页/共63页第二十八页，共63页。2023/2/729接触式四位接触式四位(s wi)二进制码盘二进制码盘 第29页/共63页第二十九页，共63页。2023/2/7302消除非单值误差消除非单值误差(wch)的办的办法法 n n（1）采用循环码（格雷码）n n循环码盘结构，采用循环码制可以消除非单值误差(wch)。n n（2）扫描法n n扫描法有V扫描、U扫描以及M扫

18、描3种。第30页/共63页第三十页，共63页。2023/2/73110.2.2 光电式编码器光电式编码器 n n接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于(yuy)使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。第31页/共63页第三十一页，共63页。2023/2/732光电编码器示意图光电编码器示意图 1光源光源2透镜透镜(tujng)3码盘码盘4窄缝窄缝5光电元件组光电元件组第32页/共63页第三十二页，共63页。2023/2/73310.2.3 电磁式编码器电磁式编码器 n n主要由磁鼓与磁阻探头组成。多极磁鼓常用的有两种：一种是

19、塑磁磁鼓，在磁性材料中混入适当的粘合剂，注塑成型；另一种是在铝鼓外面覆盖一层黏结磁性材料而制成。多极磁鼓产生的空间(kngjin)磁场由磁鼓的大小和磁层厚度决定，磁阻探头由磁阻元件通过微细加工技术而制成，磁阻元件电阻值仅和电流方向成直角的磁场有关，而与电流平行的磁场无关。第33页/共63页第三十三页，共63页。2023/2/734电磁电磁(dinc)编码器的基本结构编码器的基本结构 1磁鼓磁鼓2气隙气隙3磁敏传感部件磁敏传感部件(bjin)4磁敏电阻磁敏电阻电磁式编码器由电磁式编码器由于精度高，寿命于精度高，寿命长，工作可靠，长，工作可靠，对环境对环境(hunjng)条条件要求较低，但件要求较

20、低，但成本较高。成本较高。第34页/共63页第三十四页，共63页。2023/2/73510.2.4 脉冲脉冲(michng)盘式数字盘式数字传感器传感器 n n脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有3个码道，它不能直接(zhji)产生编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器与绝对编码器的不同之处。第35页/共63页第三十五页，共63页。2023/2/7361.增量编码器的结构和工作增量编码器的结构和工作(gngzu)原理原理 n n增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈（A、B）的相邻两缝错开半条缝宽，另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外）开有一狭缝，表示

21、码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件 n n增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样(yyng)，主要取决于码盘本身的精度。第36页/共63页第三十六页，共63页。2023/2/737脉冲脉冲(michng)盘式编码器示意盘式编码器示意图图 第37页/共63页第三十七页，共63页。2023/2/7382.旋转旋转(xunzhun)方向的判别方向的判别 n n码盘无论正转还是反转(fn zhun)，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。第38页/共63页第三十八页，共63页。2023/2/739辨向原理辨向原理(yunl)第39页/共63页第三十九页

22、，共63页。2023/2/74010.3感应同步器感应同步器n n按其用途可分为两大类：（1）测量直线位移的线位移感应同步器；（2）测量角位移的圆盘感应同步器。直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位、数控和数显。旋转式感应同步器常用于精密(jngm)机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。第40页/共63页第四十页，共63页。2023/2/741感应同步器类型感应同步器类型(lixng)和特和特性性 类 型特 性直线式同步器标准型精度高、可扩展，用途最广窄型精度较高，用于安装位置不宽敞的地方，可扩展带型精度较低，定尺长度达3m以上，对安装面要求精度不高旋转式同

23、步器精度高，极数多，易于误差补偿，精度与极数成正比第41页/共63页第四十一页，共63页。2023/2/74210.3.1 直线式感应同步器的结构和工作直线式感应同步器的结构和工作(gngzu)原理原理 n n感应同步器是应用电磁感应定律(dngl)把位移量转换成电量的传感器。它的基本结构由两个平面矩形线圈组成，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过这两个绕组间的互感值随位置变化来检测位移量。第42页/共63页第四十二页，共63页。2023/2/7431.载流线圈所产生载流线圈所产生(chnshng)的的磁场磁场 矩形载流线圈中通过矩形载流线圈中通过(tnggu)直流电流直流电流I时的磁场分布示

24、意图时的磁场分布示意图第43页/共63页第四十三页，共63页。2023/2/744探测线圈探测线圈(xinqun)内的感应电内的感应电动势动势 第44页/共63页第四十四页，共63页。2023/2/7452.直线式感应同步器的基本直线式感应同步器的基本(jbn)结构结构 n n由定尺和滑尺两部分组成，定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，一个是正弦绕组11，另一个是余弦绕组22，彼此相距/2或3/4。当定尺栅距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离(jl)L1应满足如下关系：L1=（n/2+1/4）W2。n=0时相差/2，n=1时相差3/4，n=2时相差5/4。第4

25、5页/共63页第四十五页，共63页。感感应应同同步步器器的的绕绕组组(roz)结结构构 第46页/共63页第四十六页，共63页。2023/2/7473.直线式感应同步器的工作直线式感应同步器的工作(gngzu)原理原理 n n滑尺上的正弦绕组和余弦绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4节距，工作时，当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确(jngqu)地测量出位移量。第47页/共63页第四十七页，共63页。2023/2/748感应同步器工作感应同步器工作(gngzu)原理原理图图 第48页/共63页第四十八页，

26、共63页。2023/2/7494.直线直线(zhxin)感应同步器输出信号的检测感应同步器输出信号的检测 n n由感应同步器组成的检测系统，可以采取不同的励磁方式，对输出信号(xnho)采用不同的处理方法。从励磁方式来说，可分类两大类：一类是以滑尺（或定子）为励磁，由定尺（或转子）取出感应电势信号(xnho)；另一类以定尺为励磁，由滑尺取出感应电势信号(xnho)。目前使用最多的是第1类励磁方式。对输出感应电势信号(xnho)可采取不同的处理方法来达到测量目的，一般分为鉴幅型和鉴相型两种检测系统。第49页/共63页第四十九页，共63页。2023/2/750（1 1）鉴相型）鉴相型）鉴相型）鉴相

27、型根据感应电动势的相位来鉴别根据感应电动势的相位来鉴别根据感应电动势的相位来鉴别根据感应电动势的相位来鉴别(jinbi)(jinbi)位移量位移量位移量位移量 n n相对(xingdu)位移量x与相位角呈线性关系，只要能测出相位角，就可求得位移量x。第50页/共63页第五十页，共63页。2023/2/751（2）鉴幅型）鉴幅型根据感应根据感应(gnyng)电动势的幅值来电动势的幅值来鉴别位移量鉴别位移量n n滑尺上正弦、余弦绕组供以同频、同相，但幅值不等的交流励磁电压，则可根据感应电动势的幅值来鉴别位移(wiy)量，称为鉴幅型。第51页/共63页第五十一页，共63页。2023/2/75210.

28、3.2 旋转式感应同步器（圆感应同步器）旋转式感应同步器（圆感应同步器）n n旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状(xngzhun)，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组。n n定子、转子分别相当于直线式感应同步器的定尺和滑尺。第52页/共63页第五十二页，共63页。2023/2/753n n旋转式感应同步器的直径一般有50mm、76mm、178mm和302mm等几种。径向导体数（极数）有360、720和1080几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级(chj)感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，

29、同步器的直径越大，其精度越高。第53页/共63页第五十三页，共63页。2023/2/754 定子、转子定子、转子(zhun z)绕组绕组 1有效有效(yuxio)导体导体2内端面内端面3外端面外端面第54页/共63页第五十四页，共63页。2023/2/75510.3.3 10.3.3 感应同步器位移感应同步器位移感应同步器位移感应同步器位移(wiy)(wiy)测量系统测量系统测量系统测量系统 n n鉴相测量方式数字(shz)位移测量装置方框图 第55页/共63页第五十五页，共63页。2023/2/75610.4频率频率(pnl)式数字传感器式数字传感器n n频率式传感器是将被测非电量转换为频率

30、量，即转换为一系列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过电子电路累计(li j)这些脉冲数，从而测得被测量；或者用测量与被测量有关的脉冲周期的方法来测得被测量。n n体积小、重量轻、分辨率高，有数字化技术的许多优点，第56页/共63页第五十六页，共63页。2023/2/7573种类型种类型(lixng)n n（1）利用力学系统固有频率(pnl)的变化反映被测参数的值。n n（2）利用电子振荡器的原理，使被测量的变化转化为振荡器振荡频率(pnl)的改变。n n（3）将被测非电量先转换为电压量，然后再用此电压去控制振荡器的振荡频率(pnl)，称为压控振荡器。第57页/共63页第五十七页，

31、共63页。2023/2/75810.4.1 改变力学系统固有频率改变力学系统固有频率(yu pn l)的频的频率传感器率传感器 n n若激励力的频率与弹性体的固有频率相同，大小刚好可以补充阻尼(zn)损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。n n弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，第58页/共63页第五十八页，共63页。2023/2/759振弦张力振弦张力振弦张力振弦张力(zhngl)(zhngl)传感器基本结构及激励电路传感器基本结构及激励电路传感器基本结构及激

32、励电路传感器基本结构及激励电路 第59页/共63页第五十九页，共63页。2023/2/76010.4.2 RC振荡器式频率振荡器式频率(pnl)传感器传感器 n n温度频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种类型。n n利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成(guchng)一种RC文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时，RT的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。RC振荡器的振荡频率由下式决定。第60页/共63页第六十页，共63页。2023/2/761RC振荡振荡(zhndng)式频率传感器式频率传感器 第61页/共63页第六十一页，共63页。2023/2/76210.4.3 压控振荡器式频率压控振荡器式频率(pnl)传感器传感器 热电偶压控振荡器热电偶压控振荡器将被测非电将被测非电量转换量转换(zhunhun)为电压量，为电压量，然后去控制然后去控制振荡器的频振荡器的频率。率。第62页/共63页第六十二页，共63页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第63页/共63页第六十三页，共63页。