03第三章机电一体化系统设计检测系统1.ppt

光栅式测量的主要特点： 高精度、大量程 动态测量、自动测量及数字显示 强抗干扰能力 高测量速度 机械位移 串行数字脉冲 光栅的类型： 物理光栅 计量光栅 利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定。 主要是利用光的透射和反射现象，用于位移测量。 按基体材料 透射光栅 透明玻璃片：透射型光栅 特点：利用透射光 反射光栅 金属镜面：反射型光栅 特点：利用反射光 计量光栅 长光栅 圆光栅 在基体材料上刻上平行条纹，检测直线位移。 在基体材料上刻上向心条纹，检测角位移。 注意：圆光栅只有透射光栅。 计量光栅 按形状 长光栅 径向圆光栅 切向圆光栅 光栅结构（长光栅） ： a 栅线的宽度（不透光） b 栅线间宽（透光） a+b=W 栅距（也称光栅常数） 通常a=b=W/2或a:b=1.1:0.9 常用光栅每毫米25、50、100、125、250线条。 W a b 圆光栅： 栅距角 110mm：600—1024条 70mm： 100—768条 实验系统 莫尔条纹 移动平台 光栅检测装置的组成: 光源 透镜 标尺光栅 指示光栅 光敏元件 B/4 a c b d 安装要求： 1. 标尺光栅平行于指示光栅； 2. 间隙保证，0.05mm或0.1mm 标尺光栅 光栅读数头 活动部件 固定部件 光栅读数头 作用 位移—光—电转换器 组成 光源 透镜 指示光栅 光敏元件 问题？ 光敏元件的安装？ 二、光栅的工作原理 光栅是根据物理学莫尔条纹的形成原理进行工作的。 莫尔条纹 “莫尔”：出于法文Moire，意思是水波纹。 发现：几百年前法国丝绸工人。 正式提出：1874 年英国物理学家 Rayleigh的论文 “关于衍射光栅的制造和理论”。 莫尔条纹 莫尔条纹的形成原理 莫尔条纹的特性 为什么莫尔条纹可实现位移检测 原因：挡光积分效应原理：在光栅线纹较宽的时候（粗光栅）是挡光积分效应，当线纹很细的时候（细光栅），光线经过光栅造成的莫尔条纹是光线衍射后产生干涉的效果。 莫尔条纹的形成 长光栅莫尔条纹 播放动画 播放中…… 圆弧莫尔条纹 单击准备演示 播放动画 环形莫尔条纹 播放动画 播放中…… 单击准备演示 单击准备演示 辐射形莫尔条纹 播放动画 莫尔条纹为什么可以用来实现位移测量? 对于位移的检测，应包括三个方面： 方向、大小、速度。 莫尔条纹是如何反映这几方面的变化的？ 莫尔条纹和光栅尺移动的对应关系：大小、方向、速度 莫尔条纹的其他特性 1．当用平行光束照射光栅时，所形成莫尔条纹间的光强近似呈正弦或余弦分布 2．放大作用 3．误差平均效应 莫尔条纹间的光强分布 W θ B 1 2 s y 0 1．标尺光栅 2．指示光栅 B 节距 W 栅距 B：条纹的节距； W：光栅的栅距； ? :夹角 B=W/tan? ≈W/? 如：W=0.01mm、 ?=0.001, 则：B=10mm 放大倍数为1000倍 特点: 放大不需要复杂的光学系统。 光栅的放大作用 θ B W 光栅的误差平均作用 栅距能否绝对一样？不一样会有什么影响？ 答案： 1. 平均化了个别栅线的间距误差，消除了短周期误差。 2. 不能平均累积误差，即克服不了长周期误差。 莫尔条纹的节距误差取决于光栅刻线的平均误差。 三、莫尔条纹位移检测 莫尔条纹位移 被测位移 对应关系 怎么实现用莫尔条纹来检测位移 时间8分钟 莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。 按国家标准，传感器的命名应由主题词加四级修饰语构成： 主题词 传感器。 第一级修饰语 被测量，包括修饰被测量的定语。 第二级修饰语 转换原理，一般可后续以“式”字。 第三级修饰语 特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后续以“型”字。 第四级修饰语 主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。 以下例如， 10mm应变式位移传感器； 0~70kPa电位器式差压传感器；100~160dB电容式声压传感器；1~3500kPa放大[型]应变[计]式绝压传感器； 20kg压电式加速度传感器等。 3.1.3 传感器的静态特性 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入——输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。 1、线性度