傳感器與檢測技術(shù)第六章課件

1、1傳感器與檢測技術(shù) 同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系主講教師：蘇永清數(shù)字式傳感器碼盤式傳感器光柵式傳感器 1 工作原理 2 碼盤和碼制 3 二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換 4 應 用1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)2 莫爾條紋形成的原理3 莫爾條紋技術(shù)的特點4 光柵的光路5 辨向原理工作原理用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。1光源 2柱面鏡 3碼盤 4狹縫 5元件 碼盤和碼制6位二進制碼盤根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。 二進制碼盤主要特點： （1）n位(n個碼道)的二進制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n， 其最小分辨力136002n，它

2、的最外圈角節(jié)距為21；（2）二進制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1，C1對應于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：（3）碼盤轉(zhuǎn)動中，CK變化時，所有Cj(jK)應同時變化。二進制碼盤的粗大誤差及消除 要求各個碼道刻劃精確，彼此對準，這給碼盤制作造成很大困難。由于微小的制作誤差，只要有個碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。消除粗大誤差方法：雙讀數(shù)頭法，循環(huán)碼代替二進制碼雙讀數(shù)頭的缺點是讀數(shù)頭的個數(shù)增加了一倍。當編碼器位數(shù)很多時，光電元件安裝位置也有困難。 (a) 四位二進制碼盤展開圖 (b) 采用雙讀數(shù)頭消除粗大誤差的示意圖 (1)n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼；(2)循環(huán)碼碼盤具有軸對稱性，其最高位

3、相反，其余各位相同；(3)循環(huán)碼為無權(quán)碼；(4)循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化， 不會產(chǎn)生粗誤差。 六位的循環(huán)碼碼盤二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4位二進制碼與循環(huán)碼的對照表不同為1相同為0二進制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路 (a) 并行變換電路 (b)串行變換電路 循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制碼的電路 (a) 并行變換電路 (b)串行變換電路 循環(huán)碼是無權(quán)碼，直接譯碼有困難，一般先轉(zhuǎn)換為二進制碼后再譯碼。 應用 光學碼盤測角儀的原理圖1光源 2大孔徑非球面聚光鏡 3碼盤 4狹縫 5光電元件光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。 光柵傳感器光源：鎢絲燈泡

4、：輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。半導體發(fā)光器件:轉(zhuǎn)換效率高，響應特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。 光柵副：指示光柵主光柵 a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2 光電元件 包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號

5、輸出以防干擾的影響。莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 莫爾條紋技術(shù)的特點（1）調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信 號作進一步細分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提 高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？?線的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。 因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。 這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。 徑向光柵進行角度測量 當標尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時，條紋即沿徑向移動，

6、測出條紋移動數(shù)目，即可得到標尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。 （1）透射式光路1-光源2-準直透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件 此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應用廣泛。（2）反射式光路1反射主光柵2-指示光柵3-場鏡4-反射鏡5-聚光鏡6-光源7-物鏡8-光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。辨向原理單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移。如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。辨向光路設(shè)置在相距的位