第五章()：传感器技术及机械量检测(学时)

光栅检测装置基本结构示意图
光栅检测装置的结构
标尺光栅 指示光栅 光源
A B A1 B1 光电元件
差动放大
差动放大
信 号 处 理
正向脉冲
反向脉冲
光栅结构组成原理图
光栅尺的外形图
光栅工作原理（莫尔条纹形成原理）
莫尔条纹节距 Βιβλιοθήκη 与光栅节B距 W和倾角θ之间的关系：
由于θ很小，因此：
w/ 2 sin( / 2)
1-指示光栅 2-主光栅 3-光电元件
4-线路板
5-底座 6-小车 7-拨叉
光栅尺的正确使用与维护
光栅尺的正确维护
(1)保证读数头与尺体的间隙不被破坏; (2)尽量避免尺体受到振动与冲击;
2 ~3 100 % k Y F S
_ n (yi y)2 i 1 n 1
_ yi为测量值 n为测量次数 y为测量值的算术平均值
思考题：
如何正确认识传感器的线性度与灵敏度，分 辨率与精确度，重复性与精确度之间的关系？
第二节 常见机械位移传感器
主要介绍光栅位移传感器和激光位移传感器 光栅分类
长光栅：线位移 按检测位移性质 圆光栅：角位移 透射光栅 按光源照射方法 反射光栅 按照制造 光栅材料 金属光栅 玻璃光栅
透射光栅

优点：1）光源垂直入射，信号幅值比较大，信噪比好，光电转
换器（光栅读数头）的结构简单；2）光栅每毫米的线纹数多， 减轻了电子线路的负担 。 缺点：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测 量精度。 透射光栅尺的长度一般都在1～2m，常见的线纹密度为每毫米4、 10、25、50、100、200、250线。
第5章 传感器技术与机械量检测
5.1 传感器概述
传感器的组成和分类、传感器的性能指标与选用。
5.2 常见机械位移传感器
光栅位移传感器（光栅尺、编码器、激光位移传感器）
5.3 传感器信号处理与系统抗干扰技术
软件（数字滤波）与硬件抗干扰技术
第一节 传感器概述
一、传感器及其组成
传感器(Transducer或sensor)是将各种非电量(包括
三、机电一体化系统对检测传感器的基本要求
精度、灵敏度和分辨率高； 线性、稳定性和重复性好；
抗干扰能力强，静、动态特性好。 体积小、质量轻、价格低，安装、维护方便
等
四、传感器性能指标
传感器的性能是指输入、输出间的特性，包括静态
特性和动态特性。
1、静态特性：
静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于 稳定状态时的输入-输出关系。主要包括： 线性度、灵敏度、精确度、分辨率、重复性等。
w /2 w /2 w B s in( /2 ) /2
光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹沿刻线上下移动一个节距 B
莫尔条纹的特点
• • •
放大作用，使栅距的节距误差平均化； 莫尔条纹的移动与栅距成正比； 根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅 的移动方向
光栅信号处理
光栅尺输出的信号有两种：一种是正弦波信号；一
（4）精确度（精度）
所测值与真值的符合程度，它说明测量结果偏离真值 大小的程度。
（5）重复性 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向 在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一 致性，反映传感器的稳定性。
在数值上用各测量值正、反行程标准偏差最大值的 两倍或三倍与满量程的百分比表示，即：
物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于
处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。
传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之
一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器
的依赖性也就越大。
传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件
和测量电路三部分组成。
测 量 电 路 电 量 被 测 量 号 调 节 转 换 电 路 敏 感 元 件 转 换 元 件 信 输 入 量 输 出 量
2、动态特性：
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对 输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以 通过时域、频域以及试验分析的方法确定。
（1）线性度：
表征传感器输入－输出
校准曲线与拟合直线之 间的吻合程度的指标。
校准曲线与拟合直线间
Y Ymax
校准曲线
拟合直线
最大偏差与满量程输出 值的百分比称为线性度。
代码型：编码器、光栅尺等
常见的机械位移传感器
小位移(量程小于1毫米）: 电感、电容、光电
按测量 范围分
常见 的机 械位 移传 感器
按测量 形式分
大位移（量程大于10毫米）： 光栅、、磁栅、球栅、感应同步器、激光等
接触式：电感式、电阻式、磁栅 适合：较低频率测量
非接触式：电容式、激光等 适合：较高频率测量
反射光栅

优点：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成
长达数米的长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测 量场所。 缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜 过多，常用线纹数为4、10、25、40、50、100。
一、光栅尺
指示光栅
光电池
驱动 线路
光源 透镜 光栅尺
种是方波信号。
光栅尺除了增量式测量外，还有绝对式测量，输出
二进制BCD码或格雷码
光栅信号的辨向电路：利用两路在相位上相差 90度
的方波信号实现。（思考：辨向电路如何设计？）
光栅尺的安装调整
要求：尺体的安装基面、读数头的安装基面分别和机
体、移动部件相联接；保证二者在测量行程内平行度 一般小于0.05mm—0.1mm

max
YFS
(X0,Y0)
L max 1 00 % Y F S
O
Xmax
X
（2）灵敏度
灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
线性传感器的灵敏度就是拟合曲线的斜率，为一常数， 即：
K y / x
（3）分辨率
一个最小输出单位（如一个数字量/脉冲）所对应的 输入量。反映了传感器能够分辨出的最小输入变化。
电源
二、常见传感器分类
有接点：微动动开关、接触开关、行程开关 二值型
按照 传感 器输 模拟型 出信 号形 式分
数字型
无接点型：光电开关、接近开关（电感、电磁、电容）
电阻型： 电位器、电阻应变片、热电阻 电压、电流型： 如热电偶、感应同步器、磁栅等 电感、电容型： 如电感位移、电容位移传感器等
计数型：二值型+计数器