传感器与检测技术第2章5大位移磁栅、光栅.ppt

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1、1,第三节 大位移传感器,数字式传感器磁栅式位移传感器光栅式位移传感器感应同步器激光式位移传感器,2,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器磁栅式位移传感器根据用途可分为长磁栅和圆磁栅位移传感器，分别用于测量线位移和角位移。磁栅式位移传感器由磁栅和磁头组成。,3,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器磁栅：在非磁性金属尺的平整表面上，镀一层磁性材料薄膜，用录音磁头沿长度方向按一定波长记录一周期性信号，以剩磁的形式保留在磁尺上。录制后磁尺的磁化图形排成SN、NS状态。,4,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器磁头分动态、静态两种。动态磁头又称速度磁头，只有一个绕组，当磁头沿磁栅作相对运动时才有

2、信号输出。输出为正弦波，在N、N重迭处输出正信号最强，在S、S重迭处负信号最强。,5,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器静态磁头又称磁通响应式磁头，该磁头有两个绕组，一为励磁绕组，另一为输出绕组,6,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器在励磁绕组中输入高频励磁信号电流，其励磁电压为当磁头不动时，输出绕组输出一等幅的正弦或余弦电压信号，其频率仍为励磁电压的频率，其幅值与磁头所处的位置有关。,7,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器在励磁绕组中输入高频励磁信号电流，其励磁电压为当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。由于剩磁形成的磁场强度按正弦波变化，从而获取调制波，输出绕组的感应电动

3、势,8,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器实际上，静态磁头一般用两个，二者之间间距为(n土1/4)，(其中n为正整数)，即两者空间相位差90。,9,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器如果两个磁头的励磁电压,则两个磁头的输出线圈感应电动势为,将两个输出线圈差动连接，则输出电动势为,10,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器输出电动势为将其送入鉴相测量电路，可以获取磁头在磁栅上移动距离s的相应值。,11,第三节 大位移传感器,一、磁栅式传感器磁栅位移传感器有较高精度，目前可以作到系统精度达0.01mm/m分辨力为15m但磁信号的均匀性和稳定性对磁栅式位移测量的精度影响较大。,12,第三节

4、 大位移传感器,例题（2007真题）：磁栅式传感器输出电动势为：其中2mm1.若E=10sin(100t+0.96)，求此时测得的位移l；2.在一个测量周期内，此传感器所能测量的最大位移量lmax。,13,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。,14,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理,长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细线。如果将这两块玻璃板或金属板重叠放置，并使它们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光的干涉效应，在与光栅栅线近似垂直方向上将产生明暗相

5、间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹。,15,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理根据莫尔条纹效应设计光栅传感器。,16,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，则有,17,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理根据莫尔条纹的性质，当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹相对栅外不动点沿着近似垂直的运动方向移动，光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH；光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变；光栅条纹的光强度随条纹移动按正弦规律变

6、化。,18,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理,19,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理因此，可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检测。,20,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器2.长光栅位移传感器在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。,21,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器2.长

7、光栅位移传感器光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100条/mm或更密，栅线长度一般为612mm。,22,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器2.长光栅位移传感器根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属膜的玻璃上。,23,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器3.光学系统常采用的光学系统有：(1)透射式光路(2)反射式光路,24,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器3.光学系统(1)透射式光路,25,第三节 大位移传感器,

8、二、光栅式位移传感器3.光学系统(2)反射式光路,26,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器3.光学系统光栅位移传感器的测长精度可达0.53m(3000mm范围内)，分辨力可达0.1m,27,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器4.圆光栅(1)切向圆光栅(2)径向圆光栅,径向圆光栅 切向圆光栅,28,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器4.圆光栅动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角度量变换成莫尔条纹信号。通过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。测角精度可达0.15”，分辨力可达0.1”，甚至更高。,29,第三节 大位移传感器,二、光栅式位移传感器,

9、30,如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1m，势必要求每毫米刻线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。,如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。,31,四倍频细分法 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图(b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。

10、此种方法被称为四倍频细分法。,32,四倍频细分法 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图(b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。,33,已知光栅式位移传感器的栅距是0.01mm，标尺光栅与指示光栅的夹角为0.3。（1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；（2）测量时，若光电元件接收到莫尔条纹10个周期的光强信号，求测得的位移是多少？（3）若想得到0.0025mm的分辨力，应采用多少倍的细分电路？,