《机械电子学——机电一体化系统中的数字化检测与控制 罗华机工社机械电子学-第3章 数字式测量与传感器 激光和容栅等》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械电子学——机电一体化系统中的数字化检测与控制 罗华机工社机械电子学-第3章 数字式测量与传感器 激光和容栅等（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械电子学,罗华，傅波，刁燕，等 著 机械工业出版社,机电一体化系统中的数字化检测与控制,3.1 数字式测量系统的结构与特性 3.2 机械装置中的常用数字传感器 3.3 微机电系统传感器 3.4 图像传感器 3.5 MIT两轮自平衡机器人中应用的传感器,第3章 数字式测量与传感器,一. 激光的特性及其在计量技术中的意义,激光,单色性好: L相干=（2-2/4）/=2/ 方向性好(能量集中,亮度高): 激光实现了光轴方向的定向发射，他的很强的方向性已使它比普通的光源在亮度上提高了亿倍以上，此外激光发射的几乎是完整的平面波，它是发散角很小的 平行光，因此又能方便的利用聚光镜将光束集中于一小点使它的
2、能量更集中。所以其方向性好. 相干性好: 激光是受激辐射发光，各发光中心相互联系，他们的频率、相位、传播方向、以致偏振方向都完全一致，所以激光的相干性很好.,二. 常用激光传感器 激光干涉传感器：,激光：激光干涉传感器,激光干涉测长仪是以激光波长为基准用对干涉条纹进行计数的方法，高精度地测量工件长度或工作台位移的仪器。,主要特点；利用了激光干涉性好的特点。它精度很高，但对环境要求高且安装复杂。,单频激光干涉传感器光路：,激光：激光干涉传感器,注意：1、3的作用是减少杂光干扰；9可改变光路和光路的光程差；6处形成相干光；,激光干涉传感器：,激光：激光干涉传感器,激光干涉传感器 工作原理：,激光：
3、激光干涉传感器,两个光电元件10和11分别得到的是频率相同但相位差90的正弦信号，经放大后分别送到两个整形器，把它们整形为两个相位差90的方波。再经过4细分辨向电路，一方面使激光测长机的脉冲当量细分到/8=0.791，另一方面使可辨别工作台的位移方向并控制可逆计数器作加记数或减记器，从而避免了测量时由于工作台的前后振动造成的记数误差。 L位移 N */8,工作台每移动/2，则一个周期内光程差为，所以， L位移 N */2 （N为条纹数）,激光干涉传感器电路：,激光：激光干涉传感器,2). 双频激光干涉仪,双频激光器是一种应用塞曼效应HeNe气体激光器所谓塞曼效应,即用一轴向磁场把单模的氦氖激光
4、器发出的主谱线分裂为两束强度相等、旋向相反的园偏振光。经过推理，被测位移为：s=N/2,激光：激光干涉传感器,双频激光与单频激光干涉传感器相比，最大的特点是, 光电元件接受的是拍频信号，不需要直流放大器，解决了影响干涉传感器可靠的直流漂移问题； 其参考信号和测量信号直接相减就能辨别移动方向免去了为获90度相位差的移相装置得到； 还加上其他因素使它对环境的要求不高，且适应范围广，精度也可以达到0.24/M。,2). 双频激光干涉仪,激光：激光干涉传感器,图3-14 双频激光测量原理,2). 双频激光干涉仪,激光：激光干涉传感器,激光衍射传感器,当用平行光束照射细丝时，在其后面的屏幕上便能获得夫琅
5、和费衍射象，如图所示。光斑直径增大，能取得更好的衍射效果。,激光：激光衍射传感器,被细丝的直径d与各参数具有的关系为： d = F/s 式中d细丝直径； 激光波长； F透镜4的焦距； s夫琅和费衍射象相邻两光点之间的距离。 在衍射象中，光轴和第一级衍射光点的光强约为衍射光总光强的75%，次级衍射亮点的光强逐渐降小。当被测细丝直径变化时，将引起各光斑位置发生变化，亮点间距离也随之作相应变化。因此，可根据光斑(亮点 或暗点)间距离来测定细丝的直径。,激光：激光衍射传感器,激光衍射传感器的特点：,1). 精度高,一般可达到0.1 2). 只能用于测量范围：一般为0.010.1mm的细丝， 最大可到0
6、.5mm，但精度会有所降低； 3). 可对运动中的细丝进行非接触自动测量，细丝的抖动范围不超出激光束直径的 25%时,不影响测量结果。,激光：激光衍射传感器,激光：激光扫描传感器,利用激光方向性好的特点,激光：激光衍射传感器,激光扫描传感器的特点,精度由选用的系统调整 结构简单 采用非接触式测量,光束要细，平行性要好 扫描信号和计数信号要同步 工件抖动和四周空气流动影响精度 被测工件位置上下抖动将影响测量精度,激光传感器其它应用,1. A laser sensor mounted on the rear-view mirror constantly measures that relative
7、 speed with the vehicle ahead, ordering the brakes to apply pressure in the eventt hat driver fails to do so. 汽车的后视镜上安装了一个激光传感器，它始终测量着汽车与前车的相对速度，如果在驾驶员在必要时未进行刹车操作，系统就会自动制动。 2. At the same time CCD pickup camera and laser sensor are combined to meet the high efficiency and high accurateness requireme
8、nts of this non-contact measure. 采用CCD摄像头和激光传感器相配合，实现了高效、高精度的非接触式测量方案。,发明者：瑞士Trimz公司，以电容传感器为基础。,优点： 1、测量速度快：容栅节距大，比光栅和感应同步器的数显装置都高出数倍；分辨率为0.001mm时，测量速度可达0 5m/s；分辨率为0.01mm时,测量速度可达 1.5m/s。而分辨率为0.001mm的光栅和感应同步器数显测量装置，测量速度一般应在0.2m/s左右； 2、结构小巧简单，价格低廉； 3、对使用环境要求不高； 4、功耗小。,容 栅,容栅测量技术,大行程长度测量，角度测量：数显卡尺、电子数显
9、千分尺、电子数显千分表,实现了分辨率0.001mm的高精度测量系统，瑞士Trimos公司的电子数显高度仪测量范围在500mm时，其精度可达到0.005mm以内；而测量范围在1000mm时，其精度可控制在0.01mm以内。,国外著名的量仪厂商，如瑞士的Trimos，德国的CarlMarl公司，还发展了诸多曲轴测量、数控刀具测量以及箱体类零件测量等各种坐标测量仪器。,容 栅,容栅测量技术,容 栅, 容栅测量技术,二、容栅的传感器测量原理与特点,容 栅,容栅的传感器测量原理与特点,容栅传感器的特点： 容栅测量系统是一种无差调节的闭环控制系统，它的基本测量部分是一个差动电容器，它的作用是利用电容的电荷
10、耦合方式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子电路后，再经过一系列变换和运算后显示出机械位移量的大小。 容栅是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、提高了抗干扰能力、提高了测量精度(可达5m)、极大地扩展了量程(可达1m)，是一种很有发展前途的传感器。,容 栅,容栅传感器的结构：,容 栅,容栅传感器的结构：,容 栅,测量原理：,动栅板正面装有专用大规模集成电路、液晶显示板等元件，其背面1.5-2所示，由薄膜技术制作的四十八个发射电极和一个接收电极组
11、成。发射电极分为六组，每组八个发射电极分别为V1V8，每组宽度等于容栅的一个节距W，发射电极总宽为6W。接收极在发射电极的下方，为2mm25.4mm的一金属条，其长度正好为节距的五倍。接收极与反射电极正对，前后由四个发射电极空出，为的是减小边缘效应引起的非线性误差。,容 栅,测量原理：,定栅尺由环氧敷铜板腐蚀而成，它由许多相互隔离的传送电极和相互连成一体的屏蔽电极组成，其表面贴有绝缘层，防止工作时动栅电极与定栅尺短路。定栅尺的结构如图1.5-3所示。传送极在传感器中起反极作用，只有通过它才能把与传送极相对应的发射极的激励电压耦合到接收极去。传送极的间距决定了容栅的节距W，分辨率0.01mm的容
12、栅节距W=5.08mm。通常屏蔽极与尺体相联接，从而屏蔽了外界干扰对于测量结果的影响。,容 栅,测量原理：,动栅板正对定栅尺安装，间隙约为0.12mm，这样动栅板上的发射电极和接收电极便分别与定栅尺的传送极构成了两组平板电容 ：,容 栅,电路原理：,容栅传感器工作时，在每个发射电极上分别加上幅值和频率固定、相邻电极之间相位差45度的方波激励电压。由于定栅尺上屏蔽极与传送电极宽度相等，因此在每组八个发射电极中有四个发射电极被屏蔽，另外四个使它们的激励电压通过传送极耦合到接受极去。所以输出电压是上述四个发射电极上激励电压的向量和。,容栅传感器是一种调相型位移传感器,容 栅,电路原理：,容栅传感器工
13、作时，动栅板上实际有四十八个发射电极与定栅尺相对应，但接收极的长度只有五个节距，因此接收电极总是同时接收五组信号，利用它们产生的平均效应，可以减小容栅制造误差对测量结果的影响。,容 栅,容 栅,绝对测量用数字传感器,累积计数 相对测量 可逆计数器 相对零位 累积计数 绝对测量 可逆计数器 绝对零位,绝对测量用数字传感器：,跟踪雷达 射电望远镜 航海 航空及机器人,编码盘 零位光栅 三重感应同步器,码盘是利用对角度进行编码的方法来进行绝对测量的检测元件。它把每一个不同的角度用不同的编码表示，因此可以直接测到被测位移或被测角度。,码盘,码盘测量直线位移：,码盘,码盘的编码方式：,码盘,1). 二进
14、制编码:它通常以触点的通电和断电、光码盘的透光和不透光、磁极方向的正和反来表示0和1。,缺点：只要码尺的形状或电刷的位置稍有偏差，就可以使其输出读数产生很大误差。特别是在电刷处于(0111)和(1000)两代码边界上时！,码盘的编码方式：,码盘,2).循环码:又叫格雷码，其码盘的编码图形以宝塔状。特点是：代码从任何数转边到相邻的数时，在它的各位数中只有一位发生变化。因此用循环码来编制码盘，即使码盘制作及安装上有误差，也不会使读数误差超过最低位的一个单位。,码盘的编码方式：,码盘,图3-28六位二进制码盘 图3-29 六位格雷码码盘,码盘的编码方式：,码盘,循环码与二进制码的转换： A.已知循环
15、码求二进制码的各位数: B. 已知二进制码求循环码,光电编码盘的电路原理：,码盘,增量式光电编码器输出被称为通道A和B。当轴旋转时，根据循环码道上产生的莫尔条纹经光敏电池输出相位差为90的两路正弦信号的相位关系，可确定码盘的转动方向，而A、B通道则按轴的转速以一定的频率发出脉冲信号，通过统计脉冲的个数并确定码盘的分辨率，即可测量出轴的转角。,MEMS： Micro Electro-Mechanical System,3 MEMS,美国的定义：它是由电子和机械元件组成的集成微器件、微系统，采用与集成电路兼容的工艺制造，可批量生产，并将计算、传感与执行融合为一体，尺度在微米到毫米之间。 中国专家则
16、定义为：是指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械、光学或其他的功能相结合的综合集成系统，它采用了微型结构（包括集成微电子、微传感器和微执行器；这里“微”是相对于宏观而言），使之能在极小的空间内达到智能化的功效。,MEMS： Micro Electro-Mechanical System,3 MEMS,为与大规模集成电路的硅元件相配合，MEMS传感器是主要利用了硅微基底材料的微机械加工技术，并结合微电子技术来制作的传感器。,MEMS： Micro Electro-Mechanical System,3 MEMS,（1） 微型化和集成化 硅微机电传感器采用微机械加工技术，可以制造出微米尺寸的传感和敏感元件，而且可在同一芯片上集成敏感元件和信号处理线路 （2） 低能耗和低成本 硅微机电传感器采用一体化集成技术，体积微小，典型器件的能耗为wmw量级。由于采
