4第四章常用传感器3.

天津理工大学机械学院4.7光栅式传感器一、概述1.光栅：是一种在基体上刻制有薄间距均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。基体有玻璃、金属等。玻璃：没有刻线的地方透光，刻线处发黑不透光。金属：没有刻线的地方反光，刻线处发黑不反光。如透射光栅的示意图，图中a为刻线宽度，b为缝隙宽度，形成黑白相间的细小条纹。a+b=W称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常情况下a=b或a:b=1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。例如，50线/mm,即W＝0.02mm，a＝b＝0.01mm第四章、常用传感器天津理工大学机械学院天津理工大学机械学院天津理工大学机械学院光栅传感器又称光栅读数头，主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成图c)。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长，以扩大测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距。使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d(取d=W2／λ，λ——有效光波长)，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院2.光栅式传感器的特点（1）精度高•长度测量：高达0.5～3um，即k％＝1.7x10-7％，行程为1m时分辨率高达0.05um。•角度测量：分辨率可达0.1‘‘，误差为0.15‘‘。•在长度测量方面仅次于激光干涉式传感器，在角度测量方面精度是最高的。（2）可实现动态测量（3）抗干扰能力强。•比激光干涉式强，但低于磁栅，油污、灰尘、铁屑等的污染。光源比磁源稳定。（4）高精度大量程的传感器制作成本高。（5）测量范围大(几乎不受限制)。3.用途多用于数控机床上的直线位移和角位移的测量，还用于工具显微镜、三座标测量机、分度头和一些位移量同步比较的动态测量仪器。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院二、工作原理1.莫尔条纹：当指示光栅和标尺光栅重叠线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应(对线纹密度≤50条／mm的光栅)或光的衍射作用(对线纹密度≥100条／mm的光栅)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(确切地说是两线纹夹角的等分线上)，产生出亮暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院2.莫尔条纹特征：1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。2)在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。3)莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角θ之间的关系为WWBH2sin2式中BH——莫尔条纹的间距；W——光栅栅距；θ——两光栅刻线间的夹角(rad)。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院从式中可以看出，W一定时，θ越小，则BH越大。这相当于把栅距放大了1／θ倍，提高了测量的灵敏度。例如：W＝0.02mm，a＝b＝0.01mm，θ＝0.1o＝0.1xπ/180o=0.001745rad,则BH＝11.4592mm，放大倍数k＝BH/W＝1／θ≈573。虽然栅距为0.02mm，其透光间隙只有0.01mm用眼难于观测到，但其莫尔条文宽达1cm以上，是明晰可见的。θ越小莫尔条文越宽，所以通过调节夹角，就可以改变莫尔条文的宽度B。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院三、测量原理凸透镜的作用是将光源变为平行光，光源为发光二极管，如硅光电二极管、2砷化镓二极管，主光栅为标尺光栅，也称透射长光栅，其长度就等于量程。指示光栅是一个比主光栅短得多的光栅。两块光栅沿刻线垂直的方向（长光栅的长度方向）作相对运动，莫尔条文沿着夹角θ平分线方向运动。主光栅移动，指示光栅不动。当主光栅移动的方向不同时，莫尔条文的移动方向也不同。如表主光栅相对指示光栅的转角方向主光栅移动方向莫尔条文移动方向顺时针向左向上向右向下逆时针向左向下向右向上4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院当标尺光栅（主光栅）沿垂直于刻线的x方向每移动一个栅距W时，莫尔条文移过一个条纹间距BH。若用光电元件（如光电接收二极管）接收莫尔条纹移动时光的强度信号。光线通过缝隙所形成的莫尔条文的光的强度分布近似成正弦，因而，当莫尔条文移动时，光电接收二极管中电流变化也是正弦信号，且当莫尔条文移动一个栅距BH时，电流的变化也正好是一个周期（2π弧度），所以若能识别出正弦电流波的一个周期，就可知道光栅标尺移动了一个栅距W。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院电流或电压与位移x的关系当位移变化一个栅距，即x＝W时正弦信号的相位变化2π弧度，所以当位移为x时，其相位为2π•x/W=2π/W•x。若光电接收管放在a－a线上，即起始位置为莫尔条文的中心线，此时电信号的幅值最大，当x变化一个栅距时，电信号也变化一个2π弧度，所以电信号与直线位移x的关系为式中u——光电元件输出的电压信号；u0——输出信号中的平均直流分量；um——输出正弦信号的幅值；x——两光栅间的瞬时相对位移。相对变化量（电压的变化率）为)cos(222xWWudxdum4.7光栅式传感器)sin(220xWuuum天津理工大学机械学院即当x＝W/4,3W/4,5W/4,……时，即电压或电流相对于位移的变化率最大，也就是在这些点时，光强变化最为明显。这样在这些点位时测量的灵敏度最高，精度和稳定性最好。因为在电路中消除了直流分量后，对于测量电路测量绝对值是很难达到精度要求的，但变化率却较容易测量。所以，在实际中都是以这些点位工作点（测量点），这样电压灵敏度k为将此电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示元件上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。1)22cos(xWWukm2天津理工大学机械学院四、辨向原理在实际中，被测物体的移动方向是不固定的，注意到无论可动光栅片是向前或向后移动，在一固定点上观察时，莫尔条纹同样都是作明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法判别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。光电元件A前置放大放大整形倍频鉴相电路倍频可根据需要选择x1x2x4可逆计数器前置放大放大整形光电元件B电流电压正弦波电压正弦波B方波A方波-向脉冲+向脉冲传感器内部后接测量电路4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院前置放大电路：光电二极管输出的电流经前置放大器后，输出为正弦电压波形信号。放大整形电路：先进行两次放大使正弦波变为方波，可用施密特触发器实现。这两部分在传感器内部，即传感器输出的是方波。假定主光栅的移动方向为正向（如设定为向右移动）时，A相波形超前B相90o，则主光栅的移动方向为负向时，B相波形超前A相90o。鉴相电路就是判断A相和B相谁超前，即光栅是向哪个方向移动，则就使哪相有输出脉冲，另一相无输出，实现辨向的作用。倍频的作用：脉冲都是产生在各个工作点上，脉冲之间的间隔与x成某种固定的关系。如选择x1时其工作过程为：先判断出A相超前，只利用A相方波前沿或后沿来触发电路而产生脉冲，即x1时A相只输出1、5、9、……脉冲，一个脉冲表示光栅移动了W距离。x2时，也只利用只利用A相方波产生脉冲，但是用前后沿同时触发，这样A相输出1，3，5，7，9，……一个脉冲表示光栅移动了W/2距离。x4时，则同时利用A和B两个方波来产生脉冲，且是前后沿都要触发，这样一个脉冲表示光栅移动了W/4距离。总结：倍频、鉴相电路是用于光栅测量的专用电路，主要由触发电路组成。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院五、细分技术前面所讨论的是以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术。它是指在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。细分方法有机械细分和电子细分两类。四倍频细分法•在相差BH／4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π／2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π／2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH／4位置上安放四只光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。但它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院六、圆光栅•圆光栅是光电编码器的一种，测量原理与直线位移光栅完全相同，只是将光栅做成了圆形。•光电编码器的分辨率：一般有200P/周、1000P/周、5000P/周、10000P/周，最高可达217即13万个脉冲。4.7光栅式传感器天津理工大学机械学院第四章、常用传感器4.8半导体敏感元件传感器1磁电转换元件传感器金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。sinIBKVHH1)霍尔元件天津理工大学机械学院霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。4.8半导体敏感元件传感器天津理工大学机械学院应用案例：电流传感器案例：管道裂纹检测4.8半导体敏感元件传感器原理磁场强度变化检测天津理工大学机械学院2)磁电阻元件4.8半导体敏感元件传感器•磁阻效应)1()1(cos/2202020BRRRR--++lwx•特点•电阻的增量与磁场的平方成正比；•与磁场的正负无关；•温度系数影响大；•磁感应的范围比霍尔元件大。R-5-4-3-2-1012345•应用•磁头；接近开关和无触点开关。天津理工大学机械学院3)磁感应半导体元件分类4.8半导体敏感元件传感器磁感应半导体元件体元件霍尔IC结型元件霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关其它开关线性天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器动手做：观察你计算机上使用的鼠标结构，了解鼠标如何实现运动测量。天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器3热敏电阻传感器半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器应用温控器热敏电阻天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器4气敏电阻传感器气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器5CCD固态图象传感器MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器01111100光敏管阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD天津理工大学机械学院4.8半导体敏感元件传感器•特点:•(1)非接触检测;•(2)响应快;•(3)可靠性高,为修简便;•(4)测量精度高;•(5)体积小,重量轻;容