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1、传感器原理与感器原理与测量量电路路第1页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感器2第2页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感器 由几何光学理论可以得到长光栅莫尔条纹的斜率为由几何光学理论可以得到长光栅莫尔条纹的斜率为:各条纹的间距为各条纹的间距为:其中其中,W1-主光栅的光栅常数主光栅的光栅常数;W2-指示指示光栅的光栅常数；光栅的光栅常数；-两光栅栅线的夹角。两光栅栅线的夹角。3第3页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感器v莫尔条纹的特征（1）莫尔条纹的变化规律）莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移
2、过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。（2）放大作用）放大作用 若两光栅的光栅常数相等，都为p，由于值很小，莫尔条纹间距 ，明显可看出莫尔条纹有放大作用，放大倍数为 。例如 p=0.01mm,=0.01rad,得B=1mm,放大100倍。（3）均化栅距误差作用）均化栅距误差作用4第4页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感器 a b c d e5第5页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感器v圆光栅6第6页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感
3、器v辨向原理B1/4BY1Y2微微分分微微分分u1u2光敏元件光敏元件莫尔条纹莫尔条纹指示栅指示栅7第7页，共25页，编辑于2022年，星期四6.8 光栅传感器光栅传感器v细分技术 细分技术是应用数字传感器时常用的一种技术，其目的是提高测量的分辨率和准确度。各种数字传感器的输出均为脉冲，每个脉冲间隔相当于一定的被测量，称为脉冲当量。脉冲当量即为该传感器的分辨率。所谓细分，就是在原信号的一个脉冲间隔内，均分出n个脉冲间隔，使脉冲当量减小至原来的1n，将分辨率提高n倍。也即计数脉冲的频率提高n倍，故也称为n倍频。常用的方法有：直接倍频、位置细分、电桥细分、鉴幅细分和微机细分等。8第8页，共25页，
4、编辑于2022年，星期四细分技术位置细分基本原理是在一个信号周期内安放两个以上检测元件。6.8 光栅传感器光栅传感器9第9页，共25页，编辑于2022年，星期四细分技术位置细分加计数脉冲 Q,减计数脉冲 Q 和主计数脉冲 Q 的计算6.8 光栅传感器光栅传感器10第10页，共25页，编辑于2022年，星期四细分技术电桥细分6.8 光栅传感器光栅传感器11第11页，共25页，编辑于2022年，星期四细分技术鉴幅细分鉴幅细分是利用基准信号在不同细鉴幅细分是利用基准信号在不同细分点的不同幅值来进行细分。分点的不同幅值来进行细分。6.8 光栅传感器光栅传感器12第12页，共25页，编辑于2022年，星
5、期四细分技术微机细分辨辨向向电电路路6.8 光栅传感器光栅传感器13第13页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v光纤结构及其导光示意图n1 n214第14页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v数值孔径15第15页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可以分为功能型光纤传感器、非功能型、（传光型）光纤传感器和拾光型光纤传感器三类。16第16页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v功能型传感器利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，它不仅起传
6、输光波的作用，还起着敏感元件的作用。光源光源光敏元件光敏元件被测对象被测对象测得信息测得信息光导纤维光导纤维17第17页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v传光型传感器光纤仅仅起传光媒介的作用，在光纤中断部的端面加装其它敏感元件构成传感器。光源光源光敏元件光敏元件被测对象被测对象测得信息测得信息光导纤维光导纤维敏感元件敏感元件18第18页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v传光型光纤位移传感器原理图光纤传感器（光纤传感器（BF3 系列）上海闰安系列）上海闰安19第19页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v
7、反射式光纤位移传感器原理图ABCDZOU20第20页，共25页，编辑于2022年，星期四6.9 光纤传感器光纤传感器v测量位移的迈克尔逊干涉仪21第21页，共25页，编辑于2022年，星期四 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。问题。1 1、灵敏度、灵敏度 一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但在在确确定定灵灵敏度时，要考虑以下几个问题。敏度时，要考虑以下几个问题。a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)b)量程
8、范围；量程范围；c)c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。传感器选用原则传感器选用原则 22第22页，共25页，编辑于2022年，星期四2 2 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保保持不失真的测量条件。持不失真的测量条件。实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延延迟迟，但但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。3 3 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则
9、表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作作在在线线性性区区域域内内，是是保证测量精度的基本条件。保证测量精度的基本条件。传感器选用原则传感器选用原则 23第23页，共25页，编辑于2022年，星期四4 4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定定性性的的因因素是时间与环境。素是时间与环境。5 5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的的对应程度。对应程度。传感器选用原则传感器选用原则 6 6 测量方式测量方式 传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破破坏坏与与非非破破坏坏性性测量、在线与非在线测量等。测量、在线与非在线测量等。24第24页，共25页，编辑于2022年，星期四课堂练习课堂练习 有一圆板电容传感器，直径 ，极板间距离 ,极板间介质为空气，试计算其电容 之值。又若将此电容传感器接至振荡器的调谐回路(皮法，微亨)作为调频元件,为使测量时有较均匀的灵敏度，要求调频最大偏频在 以内，求电容传感器的 。可移动极板25第25页，共25页，编辑于2022年，星期四