項目7-光電傳感器4

1、項目七 光電式傳感器,項目七光電式傳感器,光電【學習目的】 掌握光電效應(yīng)種類； 理解各類傳感器的作用； 掌握各類傳感器的測量電路； 理解光纖傳感器的工作原理及應(yīng)用 了解數(shù)字式位置傳感器的種類、工作原理及應(yīng)用,任務(wù)一 光電效應(yīng)及光電器件,任務(wù)二 光電傳感器的測量電路,任務(wù)三 光纖傳感,項目七光電式傳感器,任務(wù)四 數(shù)字式位置傳感器,任務(wù)描述,任務(wù)四 數(shù)字式位置傳感器,從結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用等方面介紹幾種常用的數(shù)字式位置傳感器，均能直接給出數(shù)字脈沖信號，既具有很高的準確度，又可測量很大的位移量。闡述了角編碼器、光柵、磁柵、容柵等數(shù)字位置傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用。通過工位編碼實例，介紹了絕對式角編碼器

2、在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用及工作過程。,7.4.1 位置測量方式,位置測量主要是指直線位移和角位移的精密測量,直接測量 若位置傳感器所測量的對象就是被測量本身，即直線式位置傳感器測直線位移，旋轉(zhuǎn)式傳感器測角位移，則該測量方式為直接測量。 間接測量 若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測量的回轉(zhuǎn)運動只是中間值，由它再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動部件的直線位移。則該測量方式為間接測量。,7.4.1 位置測量方式,增量式測量的特點是只能獲得位移增量，移動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。,絕對式測量的特點是，每一被測點都有一個對應(yīng)的編碼，常以二進制數(shù)據(jù)形式來表示。絕對式測量即使斷電之后在

3、重新上電，也能讀出當前位置的數(shù)據(jù),7.4.2 數(shù)字式角編碼器,4位二進制接觸式碼盤 a) 電刷在碼盤上的位置 b) 4位自然二進制碼盤 c) 4位格雷碼碼盤 1碼盤 2轉(zhuǎn)軸 3導電體 4絕緣體 5 電刷 6激勵公共軌道（接電源正極式,碼盤是與被測轉(zhuǎn)軸連在一起的，當碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的位置就發(fā)生相對變化。若電刷接觸到導電區(qū)域，則該回路中的取樣電阻上有電流流過，產(chǎn)生壓降，輸出為“1”；反之若電刷接觸的是絕緣區(qū)域，則不能形成回路，取樣電阻上無電流流過，輸出為“0”，由此可根據(jù)電刷的位置得到有“1”、“0”組成的4位二進制碼。,7.4.2 數(shù)字式角編碼器,a) 光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)(8碼

4、道) b)光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系(4碼道),絕對式編碼器與接觸式編碼器結(jié)構(gòu)相似，只是其中的黑白區(qū)域不表示導電區(qū)和絕緣區(qū)，而表示透光區(qū)和不透光區(qū)。其中黑的區(qū)域為不透光區(qū)，用“0”表示，白的區(qū)域為透光區(qū)，用“1”表示。這樣，在任意角度都有對應(yīng)的二進制碼，與接觸式編碼盤不同的是，不必在最里面一圈設(shè)置公用碼道，同時取代電刷的，是在每一道碼道上都有一組光電元件。,7.4.2 數(shù)字式角編碼器,a）外形 b）內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1轉(zhuǎn)軸 2發(fā)光二極管 3光欄板 4零標志位光槽 5光敏元件 6碼盤 7電源及信號線連接座,光電碼盤與轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向

5、心透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個碼盤圓周上就等分成n個透光的槽。當光電碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板狹縫形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，通過信號處理電路的形成、放大、細分、辨向后，向數(shù)控系統(tǒng)輸出脈沖信號，也可由數(shù)碼管直接顯示位移量。,7.4.3 光柵傳感器,光柵的種類很多，可分為物理光柵和計量光柵。在檢測中常用的是劑量光柵。 計量光柵可分為透射光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。 透射式光柵一般是用光學玻璃做基體，在其上均勻地刻劃

6、出間距、寬度相等的條紋。形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)；反射式光柵一般不使用不銹鋼作基體，在其上用化學方法制出黑白相間的條紋，形成反光區(qū)和不反光區(qū)。,7.4.3 光柵傳感器,在透射式直線光柵，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶，在兩光柵刻線的不透光處，由于相互擋光作用而形成暗帶。這種亮帶和暗帶形成亮暗相間的條紋稱為莫爾條紋。 莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可知道移動的實際距離了。,7.4.3 光柵傳感器的結(jié)構(gòu),光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。,上一頁

7、,下一頁,返 回,光柵傳感器光源：,鎢絲燈泡： 輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130） 與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。 半導體發(fā)光器件: 轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。 。,上一頁,下一頁,返 回,光柵副：指示光柵主光柵,a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)） 通常情況下，a=b=W/2,上一頁,下一頁,返 回,2.光柵測量系統(tǒng)（光柵讀數(shù)頭）,光電元件,包括有光電池和光敏三極管等部分

8、。 在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。 在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。,上一頁,下一頁,返 回,2光柵傳感器的工作原理,1.莫爾條紋的形成及其特征 當指示光柵和標尺光柵的刻線相交一個微小的夾角時, 光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上, 產(chǎn)生出亮暗相間的條紋, 這些條紋稱為“莫爾條紋”。,1 莫爾條紋形成的原理,橫向莫爾條紋的斜率:,莫爾條紋間距:,莫爾條紋的寬度BH由, 光柵常數(shù)與光柵夾角決定,上一頁,下一頁,返 回,莫爾

9、條紋的特征,1) 放大作用,放大倍數(shù)為 1/,越小, BH 越大。 例如=0.1時 = 0.1= 0.12/360 = 0.00175432 (rad) 當光柵的柵距 W = 0.02 m m 時， 莫爾條紋間距 BH = 11.4592 m m。,莫爾條紋間距:,2) 光柵輸出的原理對應(yīng)關(guān)系,辨向電路,正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中 減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。,上一頁,下一頁,返 回,7.4.3 光柵傳感器,光柵數(shù)顯表中，放大、整形采用傳統(tǒng)的集成電路，辨向、細分均由計算機來完成，在數(shù)控機床中用來顯示工作臺移動的位移量，可作為數(shù)控機床的位置檢測元

10、件，并作為位置反饋可用于位置控制； 光柵也用于精密機床和儀器的精密定位、長度檢測、速度、震動和爬行的測量；,7.4.4 磁柵、容柵傳感器,磁柵傳感器的結(jié)構(gòu) 磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號處理電路組成。 磁柵分類 磁柵可分為長磁柵和圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。 磁柵數(shù)顯表及其應(yīng)用 磁頭、磁尺與專用磁柵數(shù)顯示表配合，可用于檢測機械位移量，其行程可達數(shù)十米，分辨力優(yōu)于1m。能同時測量x、y、z三個方向的位移，通過計算機軟件程序?qū)θ齻€坐標軸的數(shù)據(jù)進行處理，分別顯示三個坐標軸的位移數(shù)據(jù)，檢測速度提高,7.4.4 磁柵、容柵傳感器,榮柵分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，容柵傳感器可分

11、為三類，即直線型容柵、圓容柵和圓筒形容柵。 結(jié)構(gòu)及工作原理 容柵是一種基于變面積工作原理的電容傳感器。因為它的電極排列如同柵狀，故稱此類傳感器為容柵傳感器。 容柵傳感器在數(shù)顯尺中的應(yīng)用 普通測量，如游標卡尺、千分尺等在讀數(shù)時存在視差。將容柵技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)測量工具中，數(shù)顯卡尺、千分尺應(yīng)運而生，并在生產(chǎn)中逐漸替代了傳統(tǒng)的卡尺。,案例分析,編碼器與轉(zhuǎn)盤同軸相連，轉(zhuǎn)盤上每一工位安裝的被加工工件均可以有一個編碼相對應(yīng)，轉(zhuǎn)盤工位編碼如右圖所示。當轉(zhuǎn)盤上某一工位轉(zhuǎn)到加工點時，該工位對應(yīng)的編碼由編碼器輸出給控制系統(tǒng)。,轉(zhuǎn)盤工位編碼 2電動機 3轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤 5工件 6刀具,項目單元知識小結(jié),光電傳感器的理論基

12、礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（即阻擋層光電效應(yīng)）。 光敏電阻是用無光照射和有光照射時電阻值的變化來檢測光的存在和強弱的。它的參數(shù)有暗電阻，亮電阻，光電流；特性有光電特性，光譜特性，伏安特性，頻率特性等。光敏二極管、光敏晶體管基本特性有光譜特性，伏安特性，光電特性，頻率特性等。 光纖由纖芯和包層組成。光纖有多種分類方法。通過光纖加速度傳感器和光纖壓力傳感器，講解了功能型和非功能型光纖傳感器的應(yīng)用。 數(shù)字式角編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式編碼器、光電式編碼器等形式。光電編碼器又有絕對式編碼器和增量式編碼器。增量式編碼器通常為光電碼盤，可將角位移轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸出。 光柵的可分為物理光柵和計量光柵，計量光柵可分為透射光柵和反射式光柵兩大類。光柵產(chǎn)生的莫爾條紋的間距是放大了光柵柵距，被光敏元件所識別，產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可檢測出實際距離。 磁柵具有結(jié)構(gòu)簡單，錄磁方便，易于安裝及調(diào)整，測量范圍寬，不需接長，抗干擾能力強，價格比光柵便宜等優(yōu)點，因而 在大型機床的數(shù)字檢測及自動化機床的定位控制等方