传感器及RFID技术应用（第二版）位移检测.ppt

另外，采用电平切割法也可实现细分，精度较电桥细分法高。上述几种非调制细分法主要用于细分数小于100的场合。若需要更高细分数可用调制信号细分法和锁相细分法。细分数可达1000。此外，也可用微处理器构成细分电路，其优点是可根据需要灵活地改变细分数。图5-25电桥细分原理图③光栅使用方法使用中，为了克服断电时计数值无法保留，重新供电后，测量系统不能正常工作的弊病，可以用机械等方法设置绝对零位点，但精度较低，安装使用均不方便。目前通常采用在光栅的测量范围内设置一个固定的绝对零位参考标志的方法——零位光栅，它使光栅成为一个准绝对测量系统。最简单的零位光栅刻线是一条宽度与主光栅栅距相等的透光狭缝c，即在主光栅和指示光栅某一侧另行刻制一对互相平行的零位光栅刻线，与主光栅用同一光源照明，经光电元件转换后形成绝对零位的输出信号。它近似为一个三角波单脉冲。为使此零位信号与光栅的计数脉冲同步，应使零信号的峰值与主光栅信号的任意一最大值同时出现。当光栅栅距本身很小而又要求很高的绝对零位精度时，如果仍采用一条宽度为主光栅栅距的矩形透光缝隙作零位光栅，则信号的信噪比会很低，以致无法与后继电路相匹配。为解决这一问题，可采用多刻线的零位光栅。四、光栅位移传感器四、光栅位移传感器多刻线的零位光栅通常是由一组非等间隔、非等宽度的黑白条纹按一定的规律排列组成。当一对零位光栅重叠并相对移动时，由于线缝的透光与遮光作用，得到的光通量F随位移变化而变化，输出曲线如图5-26所示。要求零位信号为一尖脉冲，且峰值Sm越大越好，最大残余信号幅值Scm越小越好，而且要以零位为原点左右对称。制作这种零位光栅的工艺较复杂。一种可以单独使用的零位光栅，其刻线为29条透光和28条不透光的条纹组成，定位精度为0.1μm。可用作各种长度测量的绝对零位测量装置。图5-26零位光栅典型输出曲线四、光栅位移传感器3.光栅位移传感器的特点及应用由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小，实现测量结果的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。由于光栅位移传感器测量精度高（分辨率为0.1μm）、动态测量范围广（0～1000mm），可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面，光栅位移传感器都起着重要的作用。光栅传感器常用于线位移的静态和动态测量。在三坐标测量机等许多几何量计量仪器中常用它作为位移测量传感器。它的优点是量程大，精度高。目前光栅的测量精度可达±（2.0±2×10－6L）μm，其中L为被测长度（m）。圆光栅测角精度可达±0.1″。光栅传感器的缺点是对环境有一定要求，油污灰尘会影响工作可靠性，电路较复杂，成本较高。五、超声波传感器一）超声波常识1.声波基本概念人们听到的声音是由物体振动产生的，它的频率在20～20kHz范围内。次声波频率低于20Hz的声波，人耳听不到，但可与人的器官发生共振，7～8Hz的次声波会引起热的恐怖感，使人动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。图5-27蝙蝠依靠超声波定位捕食昆虫示意图超声波人耳感觉不到，但许多动物都能感受到，如海豚、蝙蝠以及某些昆虫，都能很好地感受和发出超声波。如图5-27为蝙蝠依靠超声波定位捕食昆虫示意图。超声波：频率超过20kHz的声波。五、超声波传感器当超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上部分被反射回原介质中，称为反射波；另一部分能透过界面，在另一介质中继续传播称为折射波。如图5-28所示。图5-28超声波反射与折射超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其波形有纵波、横波和表面波三种。质点的振动方向与波的传播方向一致的称为纵波；质点的振动方向与波的传播方向垂直的称为横波；质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度增加而快速衰减的波称为表面波。横波、表面波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体及气体中传播。检测常用的超声波频率范围为：1×104Hz~1×107Hz。五、超声波传感器2.超声波基本性质1）传播速度超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，也与环境条件有关。①对于液体，其传播速度c为：其中ρ为介质的密度；Bg为绝对压缩系数②对于气体，其传播速度为：其中t为环境温度。此公式可用于超声波测距计算。③对于固体，其传播速度为：其中E为固体弹性模量；