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1、第十一章 数字式传感器 第十二章 新型传感器 第十三章 传感器的标定与校准,第十一章 数字式传感器,第一节 光栅传感器 第二节 旋转角编码器 第三节 感应同步器 第四节 磁 栅,第一节 光栅传感器,一、光栅传感器的结构和分类 二、莫尔条纹的形成和特点 三、莫尔条纹测量位移的原理 四、辨向原理 五、细分技术,一、光栅传感器的结构和分类,(一)光栅传感器的结构 (二)光栅传感器的分类,(一)光栅传感器的结构,(1) 光源 可采用钨丝灯泡和发光二极管，后者与前者相比，具有体积小，转换效率高，响应速度快和使用寿命长的特点。 (2) 光栅副 由主光栅和指示光栅组成。 (3) 光电元件 一般采用光电池和光
2、敏三极管。,(一)光栅传感器的结构,图11-1 光栅的结构原理 a)反射光栅 b)透射光栅 1光源 2透镜 3主光栅 4指示光栅 5光电元件 6聚光镜,(1) 光源,可采用钨丝灯泡和发光二极管，后者与前者相比，具有体积小，转换效率高，响应速度快和使用寿命长的特点。目前光栅传感器中一般用发光二极管作为光源。,(2) 光栅副,由主光栅和指示光栅组成。指示光栅比主光栅要短得多。主光栅一般固定在被测体上，且随被测体移动，其长度取决于测量范围，而指示光栅固定，主光栅与指示光栅的相对位移量是被测体的移动位移。,(3) 光电元件,一般采用光电池和光敏三极管。选择光电元件时应考虑光电元件的光谱特性，使其与光源
3、相匹配，以获得最佳转换效率。,(二)光栅传感器的分类,(1) 按光栅的形状和用途分 分为长光栅和圆光栅，前者用于测量长度，后者用于测量角度；其中圆光栅又分为径向光栅和切向光栅。 (2) 按光线的路径分 分为透射光栅和反射光栅。,(1) 按光栅的形状和用途分,分为长光栅和圆光栅，前者用于测量长度，后者用于测量角度；其中圆光栅又分为径向光栅和切向光栅。径向光栅是通过沿圆形基体的周边在直径方向上刻划栅线而形成的，而切向光栅沿周边刻划的全部栅线都与光栅中央的一个半径为r的小圆相切。,(2) 按光线的路径分,分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明玻璃上均匀地刻划间距、宽度相等的栅线形成的，反射光栅则是
4、在具有强反射能力的基体(一般用不锈钢或镀金属膜的玻璃做基体)上，均匀地刻划间距、宽度相等的栅线而成的。,二、莫尔条纹的形成和特点,(一)长光栅的莫尔条纹 (二)圆光栅的莫尔条纹,(一)长光栅的莫尔条纹,(1)误差平均效应 莫尔条纹是由大量的栅线共同形成的，因而对刻划误差具有平均抵消作用，从而在很大程度上能消除这种由于刻线不均匀而产生的短周期误差。 (2)放大作用 式(11-4)表明莫尔条纹的间距与光栅栅距之间成线性放大关系，放大倍数K=1/，如果很小，则可获得高放大倍数。 (3)与位移的对应关系 在图11-2a中，如果其中一块光栅向右移动一个栅距W时，莫尔条纹上移一个条纹间距BH，则当该光栅向
5、左移动一个W时，条纹就下移一个BH，这种对应关系是光栅测量位移的理论基础。,(一)长光栅的莫尔条纹,图11-2 莫尔条纹的形成原理 a)莫尔条纹 b)栅线放大图,(1)误差平均效应,莫尔条纹是由大量的栅线共同形成的，因而对刻划误差具有平均抵消作用，从而在很大程度上能消除这种由于刻线不均匀而产生的短周期误差。,(2)放大作用,图11-3 环形莫尔条纹的形成,(3)与位移的对应关系,在图11-2a中，如果其中一块光栅向右移动一个栅距W时，莫尔条纹上移一个条纹间距BH，则当该光栅向左移动一个W时，条纹就下移一个BH，这种对应关系是光栅测量位移的理论基础。,(二)圆光栅的莫尔条纹,1.环形莫尔条纹 2
6、.圆弧形莫尔条纹,1.环形莫尔条纹,图11-3 环形莫尔条纹的形成,2.圆弧形莫尔条纹,图11-4 圆弧形莫尔条纹的形成 1横向 2纵向 3斜向,三、莫尔条纹测量位移的原理,图11-5 光强(成输出电压)与位移的关系,四、辨向原理,图11-6 辨向原理 1、2光电元件 3指示光栅 4莫尔条纹 A()光栅移动方向 B()对应A()的莫尔条纹移动方向,五、细分技术,(一)直接细分 (二)电阻桥细分 (三)幅值分割细分,(一)直接细分,图11-7 四倍频细分和辨向电路 a)电路原理图 b)波形图,(二)电阻桥细分,图11-8 电阻桥细分原理 a)细分电桥 b)矢量图,(二)电阻桥细分,11Z9.ti
7、f,(三)幅值分割细分,图11-10 幅值分割法原理,第二节 旋转角编码器,一、二进制码盘的结构及工作原理 二、码盘误差的分析和处理,一、二进制码盘的结构及工作原理,图11-11 6位二进制码盘,一、二进制码盘的结构及工作原理,表11-1 六位二进制编码表,二、码盘误差的分析和处理,图11-12 4位二进制码盘展开图,二、码盘误差的分析和处理,表11-2 四位循环码与二进制、十进制数之间的关系,二、码盘误差的分析和处理,图11-13 6位循环码码盘,第三节 感应同步器,一、感应同步器种类及其结构 二、感应同步器的工作原理 三、输出信号处理,一、感应同步器种类及其结构,(一)直线感应同步器 (二
8、)圆感应同步器,(一)直线感应同步器,(1) 标准式 定尺长为250mm，滑尺长为100mm，全尺总宽为88mm。 (2) 窄式 定尺长为250mm，滑尺长为75mm，全尺总宽为45mm，绕组结构与标准式相同。 (3) 带式 除了定尺较长之外，其他与标准式相同。 (4) 三重式 如图11-16所示，定尺和滑尺绕组上均有粗、中、细三组平面绕组。,(一)直线感应同步器,图11-14 标准式直线感应同步器的外形,(1) 标准式,定尺长为250mm，滑尺长为100mm，全尺总宽为88mm。,(2) 窄式,图11-15 标准式直线感应同步器绕组结构 a)定尺绕组 b)W形滑尺绕组 c)U形滑尺绕组,(3
9、) 带式,除了定尺较长之外，其他与标准式相同。,(4) 三重式,图11-16 三重式直线感应同步器绕组结构 a)滑尺绕组 b)定尺绕组,(二)圆感应同步器,图11-17 圆感应同步器绕组结构 a)定子 b)转子,二、感应同步器的工作原理,图11-18 通电矩形线圈中的磁场 a)矩形线圈 b)磁场波形,二、感应同步器的工作原理,图11-19 感应电动势与两线圈 距离的关系,三、输出信号处理,(一)鉴相处理 (二)鉴幅处理,(一)鉴相处理,图11-20 鉴相型感应同步器测量系统框图,(二)鉴幅处理,(二)鉴幅处理,图11-21 鉴幅型感应同步器测量系统框图,第四节 磁 栅,一、磁体 二、磁头 三、
10、信号处理,一、磁体,磁体材料可采用不导磁的金属(如铜、钢材镀铜、塑料薄膜、玻璃等)，也可采用表面镀有抗磁材料的普通钢材。在磁体的表面上均匀地涂一层厚度为0.100.20mm的磁性薄膜(如Ni-Co-P合金、Ni-Co合金、或Ni-Fe合金等)。在磁体上录有等节距的磁信号。如图11-22所示，W称磁节距，常用的磁节距有0.05mm和0.02mm两种。磁场强度在磁体上作正弦分布，图中的N-N和S-S位置上的磁感应强度最强，但极性相反。 磁体分为尺型、带型和同轴型等。尺型磁栅主要用于精度要求较高的场合；当测量范围较大，不好安装时，可采用带型磁栅；同轴型磁栅常用于小型的测量装置中。,二、磁头,1.动态
11、磁头 2.静态磁头,1.动态磁头,图11-22 动态磁头结构及工作原理 1磁头 2磁栅 3基体 4正弦信号,2.静态磁头,图11-23 静态磁头结构,2.静态磁头,图11-24 静态磁头读取信号原理,三、信号处理,1.鉴幅方式 2.鉴相方式,三、信号处理,图11-25 磁栅传感器结构 1磁尺基体 2抗磁度层 3磁性涂层 4磁头 5控制电路,1.鉴幅方式,2.鉴相方式,第十二章 新型传感器,第一节 光纤传感器 第二节 其他新型传感器,第一节 光纤传感器,一、光纤结构 二、传光原理 三、光纤传感器的应用,一、光纤结构,光纤一般为圆柱形结构，由纤芯、包层和保护层组成。纤芯由石英玻璃或塑料拉成，位于光
12、纤中心，直径为575m；纤芯外是包层，有一层或多层结构，总直径在100200m左右，包层材料一般为纯SiO2中掺微量杂质，其折射率略低于纤芯折射率；包层外面涂有涂料(即保护层)，其作用是保护光纤不受损害，增强机械强度，保护层折射率远远大于包层材料折射率。这种结构能将光波限制在纤芯中传输。,二、传光原理,二、传光原理,图12-1 光纤导光原理示意图,三、光纤传感器的应用,三、光纤传感器的应用,图12-2 光纤型智能结构系统举例 a) 传感器布局 b)组合式SMA致动器布局,第二节 其他新型传感器,一、非晶态合金传感器 二、智能传感器简介 三、新型传感器研发的重点领域,一、非晶态合金传感器,1.磁
13、机变换功能与传感器 2. 磁电变换功能与传感器,1.磁机变换功能与传感器,磁致伸缩效应是用磁化使试件产生机械应变。铁基非晶态合金薄带具有高磁致伸缩特性，与光纤结合构成光纤Mach-Zehnder干涉型弱磁场传感器。除磁场检测外，可用非晶态合金磁致伸缩效应检测温度、距离和物位等物理量。 逆磁致伸缩效应是试件受机械应力后其磁化状态会发生变化。利用此效应可检测应力、应变、扭矩、冲击、声音、压力和振动等。,2. 磁电变换功能与传感器,非晶态合金的磁电变换功能，主要指利用非晶态合金的物理效应将磁场参数变化转换成电量的功能。主要物理效应有电磁感应、霍尔效应和磁阻效应等。,二、智能传感器简介,1.智能传感器
14、的基本组成 2.智能传感器实例,1.智能传感器的基本组成,图12-3 智能传感器 a)组成框图 b)集成一体化的智能传感器,2.智能传感器实例,图12-4 DSTJ-3000型智能压力传感器硬件结构图,三、新型传感器研发的重点领域,1. 基于MEMS技术的新型传感器 2. 生物、医学研究急需的新型传感器 3. 新型环保化学传感器 4. 工业过程控制和汽车传感器,1. 基于MEMS技术的新型传感器,微传感器 (尺寸从几微米到几毫米的传感器总称)特别是以MEMS(微电子机械系统)技术为基础的传感器已逐步实用化，这是今后发展的重点之一。,2. 生物、医学研究急需的新型传感器,21世纪是生命科学世纪，
15、特别是人类基因组计划的研究大大促进了对生物学、医学、卫生、食物等学科研究以及现代科学仪器制造所急需的各种新型传感器的研究开发。不仅要求多种生物量传感器如：酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份等传感器，也需要诸如：血压、血流量、脉搏等生理量传感器的出现和实用化；还要进一步实现这些功能的集成化、微型化、研制出“Lab-onChip”微分析芯片，使许多不连续的分析过程连续化、自动化，完成实时、在位分析，实现高效率、快速度、少耗样、低成本、无污染、大批量生产的目标。,3. 新型环保化学传感器,保护环境和生态平衡是目前我国的重点任务之一，实现这一目标必须对江河湖海进行水质
16、检测，这就需要测量污水的流量、自动比例采样、pH、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷以及金属离子浓度特别是重金属离子浓度等，而这些参量检测的多数传感器我们尚不能实用化，甚至尚未研制。 大气监测是环保重要方面，主要监测内容有：风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等，这些传感器中大多数亟待开发。,4. 工业过程控制和汽车传感器,我国工业过程控制技术水平还很低，汽车工业也正在迅速发展，为适应这一形势，重点开发新型压力、温度、流量、位移等传感器，尽快为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器都是十分迫切的任务。 我国的汽车工业发展加快，估计2010年将达600万辆的生产能力，若每辆车用10只传感器，将需6000万套传感器及其配套变送器和仪表。,第十三章 传感器的标定与校准,第一节 静 态 标 定 第二节 动 态 标 定 第三节 传感器的校准,第一节 静 态 标 定,1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点。 2)根据传感器
