项目7-光电传感器4

1、项目七 光电式传感器,项目七光电式传感器,光电【学习目的】 掌握光电效应种类； 理解各类传感器的作用； 掌握各类传感器的测量电路； 理解光纤传感器的工作原理及应用 了解数字式位置传感器的种类、工作原理及应用,任务一 光电效应及光电器件,任务二 光电传感器的测量电路,任务三 光纤传感,项目七光电式传感器,任务四 数字式位置传感器,任务描述,任务四 数字式位置传感器,从结构、原理、应用等方面介绍几种常用的数字式位置传感器，均能直接给出数字脉冲信号，既具有很高的准确度，又可测量很大的位移量。阐述了角编码器、光栅、磁栅、容栅等数字位置传感器的结构、工作原理及应用。通过工位编码实例，介绍了绝对式角编码器

2、在实际生产中的应用及工作过程。,7.4.1 位置测量方式,位置测量主要是指直线位移和角位移的精密测量,直接测量 若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即直线式位置传感器测直线位移，旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。 间接测量 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，由它再推算出与之关联的移动部件的直线位移。则该测量方式为间接测量。,7.4.1 位置测量方式,增量式测量的特点是只能获得位移增量，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。,绝对式测量的特点是，每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后在

3、重新上电，也能读出当前位置的数据,7.4.2 数字式角编码器,4位二进制接触式码盘 a) 电刷在码盘上的位置 b) 4位自然二进制码盘 c) 4位格雷码码盘 1码盘 2转轴 3导电体 4绝缘体 5 电刷 6激励公共轨道（接电源正极式,码盘是与被测转轴连在一起的，当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置就发生相对变化。若电刷接触到导电区域，则该回路中的取样电阻上有电流流过，产生压降，输出为“1”；反之若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，取样电阻上无电流流过，输出为“0”，由此可根据电刷的位置得到有“1”、“0”组成的4位二进制码。,7.4.2 数字式角编码器,a) 光电码盘的平面结构(8码

4、道) b)光电码盘与光源、光敏元件的对应关系(4码道),绝对式编码器与接触式编码器结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而表示透光区和不透光区。其中黑的区域为不透光区，用“0”表示，白的区域为透光区，用“1”表示。这样，在任意角度都有对应的二进制码，与接触式编码盘不同的是，不必在最里面一圈设置公用码道，同时取代电刷的，是在每一道码道上都有一组光电元件。,7.4.2 数字式角编码器,a）外形 b）内部结构 1转轴 2发光二极管 3光栏板 4零标志位光槽 5光敏元件 6码盘 7电源及信号线连接座,光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向

5、心透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上就等分成n个透光的槽。当光电码盘随工作轴一起转动时，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板狭缝形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路的形成、放大、细分、辨向后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量。,7.4.3 光栅传感器,光栅的种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。在检测中常用的是剂量光栅。 计量光栅可分为透射光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。 透射式光栅一般是用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻划

6、出间距、宽度相等的条纹。形成连续的透光区和不透光区；反射式光栅一般不使用不锈钢作基体，在其上用化学方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区。,7.4.3 光栅传感器,在透射式直线光栅，在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，在两光栅刻线的不透光处，由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成亮暗相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。,7.4.3 光栅传感器的结构,光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,上一页

7、,下一页,返 回,光栅传感器光源：,钨丝灯泡： 输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130） 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。 半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。 。,上一页,下一页,返 回,光栅副：指示光栅主光栅,a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数） 通常情况下，a=b=W/2,上一页,下一页,返 回,2.光栅测量系统（光栅读数头）,光电元件,包括有光电池和光敏三极管等部分

8、。 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,上一页,下一页,返 回,2光栅传感器的工作原理,1.莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时, 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。,1 莫尔条纹形成的原理,横向莫尔条纹的斜率:,莫尔条纹间距:,莫尔条纹的宽度BH由, 光栅常数与光栅夹角决定,上一页,下一页,返 回,莫尔

9、条纹的特征,1) 放大作用,放大倍数为 1/,越小, BH 越大。 例如=0.1时 = 0.1= 0.12/360 = 0.00175432 (rad) 当光栅的栅距 W = 0.02 m m 时， 莫尔条纹间距 BH = 11.4592 m m。,莫尔条纹间距:,2) 光栅输出的原理对应关系,辨向电路,正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中 减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。,上一页,下一页,返 回,7.4.3 光栅传感器,光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分均由计算机来完成，在数控机床中用来显示工作台移动的位移量，可作为数控机床的位置检测元

10、件，并作为位置反馈可用于位置控制； 光栅也用于精密机床和仪器的精密定位、长度检测、速度、震动和爬行的测量；,7.4.4 磁栅、容栅传感器,磁栅传感器的结构 磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。 磁栅分类 磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。 磁栅数显表及其应用 磁头、磁尺与专用磁栅数显示表配合，可用于检测机械位移量，其行程可达数十米，分辨力优于1m。能同时测量x、y、z三个方向的位移，通过计算机软件程序对三个坐标轴的数据进行处理，分别显示三个坐标轴的位移数据，检测速度提高,7.4.4 磁栅、容栅传感器,荣栅分类 根据结构形式，容栅传感器可分

11、为三类，即直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。 结构及工作原理 容栅是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。 容栅传感器在数显尺中的应用 普通测量，如游标卡尺、千分尺等在读数时存在视差。将容栅技术应用在传统测量工具中，数显卡尺、千分尺应运而生，并在生产中逐渐替代了传统的卡尺。,案例分析,编码器与转盘同轴相连，转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，转盘工位编码如右图所示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。,转盘工位编码 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具,项目单元知识小结,光电传感器的理论基

12、础是光电效应。通常把光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应和光生伏特效应（即阻挡层光电效应）。 光敏电阻是用无光照射和有光照射时电阻值的变化来检测光的存在和强弱的。它的参数有暗电阻，亮电阻，光电流；特性有光电特性，光谱特性，伏安特性，频率特性等。光敏二极管、光敏晶体管基本特性有光谱特性，伏安特性，光电特性，频率特性等。 光纤由纤芯和包层组成。光纤有多种分类方法。通过光纤加速度传感器和光纤压力传感器，讲解了功能型和非功能型光纤传感器的应用。 数字式角编码器，是一种旋转式位置传感器。根据内部结构和检测方式有接触式编码器、光电式编码器等形式。光电编码器又有绝对式编码器和增量式编码器。增量式编码器通常为光电码盘，可将角位移转换成脉冲信号输出。 光栅的可分为物理光栅和计量光栅，计量光栅可分为透射光栅和反射式光栅两大类。光栅产生的莫尔条纹的间距是放大了光栅栅距，被光敏元件所识别，产生的电脉冲信号计数，就可检测出实际距离。 磁栅具有结构简单，录磁方便，易于安装及调整，测量范围宽，不需接长，抗干扰能力强，价格比光栅便宜等优点，因而 在大型机床的数字检测及自动化机床的定位控制等方