检测与传感第十三章

1、检测与传感技术第12章 辐射式传感器 1. 红外传感器的研究内容红外传感器的研究内容上节内容复习上节内容复习2. 红外线的波长范围及划分红外线的波长范围及划分3. 红外辐射本质红外辐射本质目标的红外辐射特性等材料问题；红外元部件及系统等应用问题红外线即红外辐射，它位于可见光中红色光以外的光线。波长范围大致在0.76-1000m工程上红外线波段分四部分：近红外、中红外、远红外和极远红外近红外、中红外、远红外和极远红外 红外辐射的物理本质是热辐射 物体温度越高，其具有的能量越多，辐射出的电磁波能量越大； 物体温度越低，其具有的能量越少，辐射出的电磁波能量越小4. 大气窗口大气窗口2-2.6m ；3

2、-5m； 8-14m5. 气体对红外线的吸收气体对红外线的吸收极性分子的气体吸收红外线；对称的双原子气体不吸收红外线热探测器；热释电型；热电阻型；热敏电阻型；气体型探测器光子探测器：内光电和外光电7. 应用应用上节内容复习上节内容复习6. 红外传感器分类红外传感器分类（1）红外感应系统（2）红外线气体分析仪8. 核辐射中常用的射线核辐射中常用的射线 射线,带正电荷的高速粒子流; 电离效应显著 射线,带负电荷的高速粒子流；散射效应显著 射线,一种光子流，不带电 透射效应显著9. 核辐射探测器核辐射探测器电离室电离室：利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器闪烁计数器闪烁计数器：先将辐射能变

3、为光能，然后再将光能变为电能（由闪烁体和光电倍增管两部分组成）半导体探测器半导体探测器：在半导体表面激发出电子，将放射线变为电信号10. 应用应用（1）核辐射厚度计（2）辐射式物位计（3）荧光材料成分分析仪13.1 光栅传感器光栅传感器13.2 编码器编码器第13章 数字式传感器 13.3 感应同步器感应同步器（与计算机等数字系统匹配时，必须经过A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号）数字式传感器数字式传感器（直接将非电量转换为数字量，不需要A/D转换）1. 数字式传感器的定义数字式传感器的定义模拟式传感器模拟式传感器应变式电感式电容式压电式辐射式 把被测参量转换成数字量输出的传感器。它是测量

4、技术、微电子技术和计算技术的综合产物，是传感器技术的发展方向之一。 2. 数字式传感器与模拟式传感器的区别数字式传感器与模拟式传感器的区别4. 数字式传感器的分类数字式传感器的分类编码器脉冲数字传感器光电编码器接触式码盘增量式光电脉冲传感器光栅传感器5. 应用应用测量位移（线位移、角位移）、计数3. 数字式传感器的优点数字式传感器的优点抗干扰能力强、便于实现与计算机的接口13.1 光光 栅栅 传传 感感 器器 物理光栅物理光栅计量光栅计量光栅*利用光栅的衍射现象利用光栅的衍射现象利用光栅的莫尔条纹现象利用光栅的莫尔条纹现象（光谱分析、光波波长检测）（线位移、角位移的测量）光栅传感器光栅传感器按

5、应用场合按应用场合：透射型、反射型按用途按用途：长光栅（测线位移）、圆光栅（测角位移）只研究：只研究：计量光栅中的透射型长光栅计量光栅中的透射型长光栅（1） 光栅结构光栅结构1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理 在镀膜玻璃（或金属）上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅，下图为透射光栅的示意图。 a为栅线的宽度（不透光） b为栅线间宽（透光） a+b=W称为光栅的栅距目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。a=b=W/2 把两块栅距相等的光栅面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，如图所示，这

6、样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹莫尔条纹。（2）计量光栅测量原理）计量光栅测量原理长光栅所形成的莫尔条纹 在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的； 在f - f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。 莫尔条纹的是由两块光栅的莫尔条纹的是由两块光栅的遮光和透光遮光和透光效应形成的。效应形成的。圆光栅的栅线是沿径向刻划的，整个光栅的栅线形成一个辐射状的环带。当将两块刻线数相同（角节距相同）的圆光栅偏心放置（其偏心量为 e）时，则由于光栅圆周方向各个部分栅线的夹角 不同

7、，于是形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。圆光栅的莫尔条纹圆光栅的莫尔条纹两组同心圆叠加所形成的莫尔条纹 (1) 位移的放大作用莫尔条纹测位移的特点： 当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH ，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。2sin2HWWB 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。（例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍）光栅具有位移放大作用，能提高测量灵敏度。光栅具有位移放大作用，能提高测量灵敏度。 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系：（2）莫尔条纹移动方向(3) 误差的平均效应

8、莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，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。 当光栅1向右移动时，莫尔条纹沿光栅2的栅线向上移动 当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿光栅2的栅线向下移动由莫尔条纹移动方向可对光栅由莫尔条纹移动方向可对光栅1运动方向进行辨别运动方向进行辨别 光栅读数头光栅读数头是利用光栅原理把输入量（位移量）转换成相应的电信号； 光栅数显表光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数光栅读数头头、光栅数显表光栅数显表两大部分。 光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光

9、电元件等组成。光栅读数头的结构示意图如图。 （1） 光栅读数头光栅读数头标尺光栅标尺光栅一般固定在被测物体上。随被测物体一起移动，其有效长度即为测量范围；指示光栅指示光栅相对于光电元件固定。比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数，如以电压输出，即最亮 渐亮 渐暗 最暗 渐暗 渐亮 最亮主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期：光栅位移与光强、输出电压的关系WxUUumoo22sin式中： uo光电元件输出的电压信号；Uo输出信号中的平均直流分量； Um输出信号中

10、正弦交流分量的幅值。 由上式可见，输出电压反映了位移量位移量 x 的大小。 用电压函数表示：光栅读数头的作用光栅读数头的作用：将位移量由非电量转换为电量2. 光栅数显表光栅数显表确定位移的方向整形放大、实现数字显示光栅数显表的作用光栅数显表的作用（电量大小反映了位移量的大小） 由于光电元件的光栅读数头，无论主光栅作正向还是反向移动，光电元件的电信号总是输出同一规律变化的电信号，而后面的计数电路也总是发出同样的计数脉冲，此信号不能辨别运动方向。（1） 辨向原理辨向原理 为了能够辨向，需要有相位差为相位差为/2的两个电信号的两个电信号。辨向逻辑工作原理 左图为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔四

11、分之一莫尔条纹间距（BH/4）的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。 如右图（a）为辨向电路，（b）为正向运动波形图，此时 uos 的上升沿与 uoc 的高电平相与，与门 G1 输出计数脉冲，作加法计数。而 uos 经 G3 反相后正好被 uoc 的低电平封锁，与门 G2 无法产生计数脉冲，始终保持低电平。右移右移:如右图（c）所示，此时 G1 关闭， G2 产生计数脉冲，作减法计算。从而达到辨别光栅正、反方向移动的目的。 左移左移: 细分技术就是用来提高光栅分辨率的一种方法。(2) 细

12、分技术细分技术 之前我们讲的光栅位移的测量，是通过测量莫尔条纹测量莫尔条纹的移动数量的移动数量来确定的移动位移量的，其分辨率为光栅栅距光栅栅距；采用细分技术可以测量比栅距更小的位移量。细分技术可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力。细分技术可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力。 在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的 n 个脉冲，从而使分辨力提高到 W / n。原理：原理： 细分又叫倍频。常用的细分方法是直接细分，细分数为细分又叫倍频。常用的细分方法是直接细分，细分数为 4，所以又称所以又称四倍频细分四倍频细分。 在上述辨向原理中可知，在相差B

13、H/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/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/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。细分方法最常用的是四倍频电子细分法四倍频电子细分法。 在相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分两种实现方法：两种实现方法：a. 安装部位（1）光栅传感器的安装与调试主光栅尺和读数头的安装部件可选，但对读数头引出电缆线的固定要采取保护措施。3 光栅传感器的应用及要求光栅传感器的应用及要求b. 安装基面安装基面不能直接固定在粗糙不平或涂漆的床身上。安装基面的直线度误差 0.1 mm / m，表面粗糙度 Ra 6

14、.3 m，与机床相应导轨的平行度误差在全长范围内 0.1 mm。否则要求制作专门的光栅主尺尺座和一个与尺身基座等高的读数头基座，两者之间的要求如图所示。（2）使用光栅传感器应注意的几个问题使用光栅传感器应注意的几个问题 插拔读数头与数显表的连接插头时应注意关闭电源。 及时清理测量装置上的灰尘，严防异物进入壳体内部。 保持光栅尺的清洁，可每隔一定时间用乙醚清洗尺面。 为防止工作台移动超过光栅尺长度而撞坏读数头，可在机床导轨上安装限位装置。此外，在购买光栅尺时，其测量长度应大于工作台的最大行程。13.2 编编 码码 器器 脉冲盘式编码器脉冲盘式编码器(增量编码器增量编码器) 码盘式编码器码盘式编码

15、器(绝对编码器绝对编码器) 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器编码器。1. 定义定义（各种位移的测量）2. 分类分类输出是一系列脉冲，需要计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转)累计计数，还需要一个零位基准。（角位移测量）码盘式编码器不需要基准数据及计数系统，在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，因此又叫做绝对编码器。（1）原理分类）原理分类 目前我国已有23位光电编码器，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。光电式电磁式 非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。非接触式接触式（性价比最高）

16、（2）结构形式分类）结构形式分类 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的码盘、以及光源和透镜组成。基本结构如图所示。1. 光电式编码器光电式编码器光电式编码器示意图码盘构造 码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。下图是一个4位二进制码盘。 当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。 对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，

17、一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。 在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。 一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，5.6试问：一个试问：一个6 6位二进制码盘，位二进制码盘， 其最小分辨的角度为？其最小分辨的角度为？ 四位二进制码与循环码对照表四位二进制码与循环码对照表 编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循环码等。 大多数编码器都是单盘的，全部码道在一个圆盘上。 但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大。由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器

18、。注：注：13.3 感应同步器感应同步器 感应同步器有两种： 直线式直线式：感应同步器由定尺和滑尺定尺和滑尺组成（直线位移） 旋转式旋转式：感应同步器由定子和转子定子和转子组成（角位移）2. 分类分类 利用两个平面型印刷电路绕组的互感互感随相对位置不同而变化的原理，将线位移或角位移转换成电信号。1. 原理原理（平面变压器）（平面变压器）长感应同步器示意图(a) 定尺； (b) 滑尺 圆感应同步器示意图(a) 定子； (b) 转子 在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。分段绕组分为两组，在空间相差90相角，又称为正弦、余弦绕组。 工作时可以在其中一种或两种绕组上通以交流激励电

19、压，由于电磁耦合，在连续绕组线圈中就产生感应电动势，该电动势随相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出位移量。 感应同步器安装时，定尺和滑尺相互平行、相对安放，如下图所示，它们之间保持一定的间隙（0.25 mm 0.05 mm）。一般情况下，定尺固定、滑尺可动。直线式感应同步器1安装座 2定尺 3滑尺 4调整螺钉长感应同步器的安装长感应同步器的安装 滑尺的正弦、余弦绕组激励时加上等幅等频，相位差为90的交流电压，即分别以sint和cost来激励，根据感应电势的相位来鉴别位移量， 故叫鉴相型。 2. 信号处理方式信号处理方式 按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。(1) 鉴相方式鉴相方式 (2) 鉴幅方式鉴幅方式 如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。3. 感应同步器位移测量系统感应同步器位移测量系统鉴相测量方式数字位移测量装置方框图 Step1：脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列;Step2：经过脉冲相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波0和指令信号方波1。 Step3：参考信号方波0经过激