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1、第六章 其他传感器 控制科学与工程学院 陈振学 博士 后 TEL：18660166650 Email:chenzhenxue 目 录 6.1 光栅传感器 6.2 感应同步器 6.3 光电码盘 6.4 光纤传感器 6.5 超声波传感器 6.6 红外传感器 6.7 电荷耦合器件 6.1 光栅传感器 v光栅传感器又称计量光栅。 v工作原理：莫尔条纹。 v直接测量的物理量是机械位移。 v它也可以测量能够转换为位移的其他物理量，如速度 、加速度、振动、质量、表面轮廓等的测量。 光栅产品简介 b.敞开式光栅尺 a.封闭式光栅尺 c.长度计 第四节 光栅 尺身尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫
2、描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长磁栅 扫描头（与移动部件固定）光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构（续） 6.1.1 光栅传感器的结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副和光电接 收元件组成。 图6-1 光栅传感器的结构 分类： v根据用途不同，光栅制作成：长光栅 圆光栅 v光栅根据刻划的形式不同分：黑白光栅 相位光栅 v按光栅的光线走向又可分为：透射光栅 反射光栅 透射式光栅 反射式光栅 透射式圆光栅 固定 （只画出其中一小部分） v透射长光栅 a表示线纹宽，b表示刻线的间距，W为光栅 节距(栅距)或称光栅常数，W=a+b。 图6-2 透射长光栅 6.1.2 莫尔条
3、纹及其特点 把光栅常数W相等的主光栅、指示光栅相对叠放在 一起，二者不接触，中间留有很小的缝隙，并使栅 线之间保持很小的夹角，用光照射光栅，则在与 栅线近乎垂直的方向上得到明暗相间的条纹。 1、莫尔条纹的形成 主光栅与指示光栅的栅线之间保持很小的夹角 ，在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条 纹莫尔条纹。莫尔条纹之间距远大于光栅栅距W 。 莫尔条纹的形成 莫尔条纹演示 莫尔条纹具有下述特点： 只要调整夹角可得到很大的莫尔条纹的宽度BH ，起到了放大的作用。 当主光栅、指示光栅之间发生横向相对位移时， 莫尔条纹将发生垂直方向的移动。-变向 光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是 在一定长度
4、范围内所有刻线产生的条纹。 -平均 可将电信号做进一步细分，将位移测量的分辨率 变成比光栅常数W更小的单位，这样可以提高测量 精度或可以采用较粗的光栅。 光强变化信号 图6-4 径向光栅 6.1.3 光栅的光路 如前所述，光栅式传感器的光路通常有两种形式： 透射光路和反射光路。 1 透射式光路 v 在透明的玻璃上均匀地刻划间距、宽度相等的条 纹而形成的光栅叫做透射光栅。 图6-5 垂直透射式光路 2 反射式光路 在具有强反射能力的基体上，均匀地刻划间距 、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做反射光栅。 图6-6 反射式光路 6.1.4 辨向原理 v如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累 加，而物
5、体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去 反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果 。完成这种辨向任务的电路就是辨向电路。 图6-8 辨向电路原理图 6.1.5 电子细分技术 细分： 在莫尔条纹变化一周期时，不是输出1个脉冲 ，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分 辨率。 脉冲细分 细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 脉冲的频率提高了4 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4，较大地提高了 测量精度。 细分前 细分后 为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡 ） 内部
6、包含以下电路：放大、整形、细分 、辨向、报警、阻抗变换等。 为光栅设计的专用信 号 处理单元（光栅插补 器） 功能同上页 v光栅插补器是用于对光栅传感器输出的两 路相差90正弦波信号进行数字化细分处理 。该光栅插补器对输入的正弦波信号进行4细 分或8细分后输出两路正交方波信号，送计算 机系统进行运算和处理操作。 光栅在机床上的安装位置（2个自由度） 光栅在机床上的安装位置（3个自由度） 数显表 2自由度光栅数显表 X位移显示 Z或Y位移显示 3自由度光栅数显表 安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅 光栅扫描头 被加工工件 切削刀具 角编码器 安装在夹 具的端部 目录 6.1 光
7、栅传感器 6.2 感应同步器 6.3 光电码盘 6.4 光纤传感器 6.5 超声波传感器 6.6 红外传感器 6.7 电荷耦合器件 6.2 感应同步器 v感应同步器的测量原理： 两个平面印刷电路绕组的互感随其位置变化。 v按其用途可分为： 直线感应同步器和圆感应同步器。前者用于测 量直线位移，后者用于测量角位移。 6.2.1 感应同步器的结构 1 直线感应同步器 感应同步器由定尺和滑尺组成，圆感应同步 器由定子和转子组成。在定尺上是连续绕组在 滑尺上是分段绕组(又称为正、余弦绕组)。 图6-9 直线感应同步器的外形 图6-9 直线式感应同步器外形(续) 图6-10 绕组结构 (a)定尺绕组；(
8、b)W型滑尺绕组；(c)U型滑尺绕组 2 圆感应同步器 圆感应同步器又称旋转式感应同步器。其转 子相当于直线感应同步器的定尺，定子则相当于 滑尺。 图 6-11 园感应同步器的结构示意图 （a）定子（b）转子 6.2.2 感应同步器的工作原理 v当激磁绕组(滑尺或定 尺)用正弦电压激励时， 将产生同频率的交变磁通 。这个交变磁通与感应绕 组耦合，在感应绕组上产 生同频率的交变电势。 v该电势的幅值，除了与 激磁频率、感应绕组耦合 的导体组、耦合长度、激 磁电流、两绕组间隙有关 外，还与两绕组的相对位 置有关。 同步感应器构造图 图6-13 感应电势与两绕组相对位置关系 感应同步器的工作原理 m
9、 V 感应同步器的工作原理 是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压： 定尺绕组上的感应电动势为： 当滑尺移动的距离为X时，则对应于感应电势以余弦函数将变化角： S V tVV ms wsin= tKVKVV mSB wqqsincoscos= K q 电磁耦合系数 的幅值 反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x。 S V p t p t q xx =2 2 设 目录 6.1 光栅传感器 6.2 感应同步器 6.3 编码器 6.4 光纤传感器 6.5 超声波传感器 6.6 红外传感器 6.7 电荷耦合器件 6.3 编码器 v数字式传感器： 输出电信号都是数字脉冲。 光栅、感应同步器以及本节将要介绍的编
10、 码器，都是数字式传感器。 v数字式传感器优点： 测量精度和分辨率高 抗干扰能力强 能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差 便于用计算机处理。 6.3.1 直接编码器 直接将角位移或线位移转换为二元码(即0和 1)的数字式传感器 。 1 工作原理 图6-14 光电绝对编码器结构示意图 码盘是一块圆形光学玻 璃，上面刻有许多同心 码道，每圈码道上都有 按一定规律排列着的若 干透光和不透光部分， 即亮区和暗区。 绝对式光电编码器 a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道） 高位 低位 绝对式码盘与增量 式码盘有何区别？ 10码道光电绝对式码盘 透光区 不透光
11、区 零位标志 绝对式测量角编码器 每一个微小的 角位移都有一个对 应的编码，常以二 进制数据形式来表 示。在绝对式测量 中，即使中途断电 ，重新上电之后， 也能读出当前位置 的数据。 10 绝对式角 编码器 自然二进制码 或格雷码0 1 2 码制与码盘 码盘按其所用码制可分为：二进码、循环码(格雷 码)、十进制码、六十进制(度、分、秒进制)码等 。 图6-15 二元码盘 黑色、白色区域分别 表示透光、不透光区 域。 n位二元码盘的最小分 辨力为： 绝对式编码器（接触式）演示 4个电刷 4位二进制 码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 二进码盘的缺点： 每个码道的黑白分界线
12、总有一半与相邻内圈码 道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线 刻画不精确造成粗误差。 循环码盘： 十进进制 N 二进进制 码码 C1C2C3C4 循环码环码 R1R2R3R4 十进进制 N 二进进制 码码 C1C2C3C4 循环码环码 R1R2R3R4 000000000810001100 100010001910011101 2001000111010101111 3001100101110111110 4010001101211001010 5010101111311011011 6011001011411101001 7011101001511111000 二进码盘的粗误差二进码盘
13、的粗误差 循环码转换为二进码 R1R2R3R4Rn C1C2C3Cn-1 C1C2C3C4Cn 表示不进位相加 循环码转换为二进制码的电路 注：循环码为二进制码，采用循环码盘获得循环码后，要 转换为对应的二进制码，才能确定与之对应的角度。 二进码转换为循环码 C1C2C3C4Cn C1C2C3Cn-1 R1R2R3R4Rn 表示不进位相加 二进制码转化为循环码的电路 6.3.2 增量编码器 1 结构与工作原理 v码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它 作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系 统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码 道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。 扇形区的
14、多少决定了增量编码器的分辨率 图6-17 增量码道与辩向码道 2 旋转方向的判别 图6-19 波形图 图6-18辨向和计数环节的电路框图 其他角编码器外形 （参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司） 其他角编码器外形（续） 其他角编码器外形（续） 拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。 目录 6.1 光栅传感器 6.2 感应同步器 6.3 光电码盘 6.4 光纤传感器 6.5 超声波传感器 6.6 红外传感器 6.7 电荷耦合器件 前情回顾 本次课的主要学习目标 v掌握光纤传感器的原理和应用。 v了解超声波传感器的检测原理和应用。 v重点掌握电荷耦合器件（CCD）的工作原理
15、。 6.4 光纤传感器 v优点： 灵敏度高、精度高、固有的安全性、良好的 抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐高温、耐 腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等。 v在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化 工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、 轻纺、食品等国民经济各领域以及军事等方面有 着广泛的应用。 6.4.1 光纤的结构 v由导光的芯体玻璃(简称纤芯)和包层组成，纤 芯位于光纤的中心部位，由高强度石英玻璃、常 规玻璃和塑料制成。 v包层外面常有塑料或橡胶外套，可保护纤芯和 包层并使光纤具有一定的机械强度。 光纤的基本结构光纤的基本结构 6.4.2 光纤的传光原理 图6-21 光线入射角小于、等于和
16、大于临界角时界面上发生的反射 6.4.3 光纤传感器的分类 v光纤传感器系统分为两种类型：功能型(或称传 感型)和非功能型(或称传光型)。 n功能型：光纤不仅起传光作用，又是敏感元件 n非功能型：光纤只是传输元件，不是敏感元件。 单模和多模光纤结构 阶跃型光纤和缓变型光纤阶跃型光纤和缓变型光纤 6.4.4 光纤传感器的原理 n 光纤中光波参数(如光强、频率、波长、相位 以及偏振态等)随外界被测参数的变化而变化，可 通过检测光纤中光波参数的变化以达到检测外界 被测物理量的目的。 6.4.5 光纤传感器的特点 v1）抗电磁干扰能力强 v2）耐高温 v3）绝缘性能好 v4）光纤细而柔软 v5）防爆、耐腐蚀、耐水性好 v6）适于遥控 v7）灵敏度高 6.4.6 光纤传感器应用举例 光纤流量传感器 图6-24 光纤流量传感器原理图 目录 6.1 光栅传感器 6.2 感应同步器
