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1、传感器与检测技术第2章(5)大位移磁栅、光栅 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v磁磁栅栅式式位位移移传传感感器器根根据据用用途途可可分分为为长长磁磁栅栅和和圆圆磁磁栅栅位位移移传传感感器器，分分别别用用于于测测量量线线位位移移和和角位移角位移。v磁栅式位移传感器由磁栅式位移传感器由磁栅磁栅和和磁头磁头组成。组成。2第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感
2、器v磁栅磁栅：v在在非非磁磁性性金金属属尺尺的的平平整整表表面面上上，镀镀一一层层磁磁性性材材料料薄薄膜膜，用用录录音音磁磁头头沿沿长长度度方方向向按按一一定定波波长长记记录录一一周周期期性性信信号号，以以剩剩磁磁的的形形式式保保留留在在磁磁尺尺上上。录录制制后后磁磁尺尺的的磁磁化化图图形形排排成成SN、NS状态。状态。3第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v磁头磁头分分动态动态、静态静态两种。两种。v动动态态磁磁头头又又称称速速度度磁磁头头，只只有有一一个个绕绕组组，当当磁磁头头沿沿磁磁栅栅作作相相对对运运动动时时才才有有信信号号输输出出。输输出出为为正正弦
3、弦波波，在在N、N重重迭迭处处输输出出正正信信号号最最强，在强，在S、S重迭处负信号最强。重迭处负信号最强。4第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v静静态态磁磁头头又又称称磁磁通通响响应应式式磁磁头头，该该磁磁头头有有两两个绕组，一为个绕组，一为励磁绕组励磁绕组，另一为，另一为输出绕组输出绕组5第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v在在励励磁磁绕绕组组中中输输入入高高频频励励磁磁信信号号电电流流，其其励励磁电压为磁电压为v当当磁磁头头不不动动时时，输输出出绕绕组组输输出出一一等等幅幅的的正正弦弦或或余余弦弦电电压压信信号号，其
4、其频频率率仍仍为为励励磁磁电电压压的的频频率，其幅值与磁头所处的位置有关。率，其幅值与磁头所处的位置有关。6第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v在在励励磁磁绕绕组组中中输输入入高高频频励励磁磁信信号号电电流流，其其励励磁电压为磁电压为v当当磁磁头头运运动动时时，幅幅值值随随磁磁尺尺上上的的剩剩磁磁影影响响而而变变化化。由由于于剩剩磁磁形形成成的的磁磁场场强强度度按按正正弦弦波波变变化化，从从而而获获取取调调制制波波，输输出出绕绕组组的的感感应应电电动动势势7第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v实实际际上上，静静态态磁磁头头
5、一一般般用用两两个个，二二者者之之间间间间距距为为(n土土1/4)，(其其中中n为为正正整整数数)，即即两两者空间相位差者空间相位差90。8第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v如果两个磁头的励磁电压如果两个磁头的励磁电压v则两个磁头的输出线圈感应电动势为则两个磁头的输出线圈感应电动势为v将两个输出线圈差动连接，则输出电动势为将两个输出线圈差动连接，则输出电动势为9第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v输出电动势为输出电动势为v将将其其送送入入鉴鉴相相测测量量电电路路，可可以以获获取取磁磁头头在在磁磁栅上移动距离栅上移动距离s
6、的相应值。的相应值。10第三节第三节 大位移传感器大位移传感器一、磁栅式传感器一、磁栅式传感器v磁磁栅栅位位移移传传感感器器有有较较高高精精度度，目目前前可可以以作作到到系统精度达系统精度达 0.01mm/mv分辨力为分辨力为15 mv但但磁磁信信号号的的均均匀匀性性和和稳稳定定性性对对磁磁栅栅式式位位移移测测量的精度影响较大。量的精度影响较大。11第三节第三节 大位移传感器大位移传感器例题（例题（2007真题）：真题）：磁栅式传感器输出电动势为：磁栅式传感器输出电动势为：其中其中 2mm1.若若E=10sin(100t+0.96)，求此时测得的位移求此时测得的位移l；2.在在一一个个测测量量
7、周周期期内内，此此传传感感器器所所能能测测量量的的最最大大位位移移量量lmax。12第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器v光光栅栅式式位位移移传传感感器器有有测测量量线线位位移移的的长长光光栅栅和和测量测量角位移角位移的的圆光栅圆光栅。13第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理长光栅位移传感器的工作原理v长长光光栅栅是是在在两两块块光光学学玻玻璃璃上上或或具具有有强强反反射射能能力力的的金金属属表表面面上上，刻刻上上相相同同的的均均匀匀密密集集的的平平行行细细线线。如如果果将将这这两
8、两块块玻玻璃璃板板或或金金属属板板重重叠叠放放置置，并并使使它它们们的的刻刻线线间间有有一一微微小小夹夹角角，此此时时，由由于于光光的的干干涉涉效效应应，在在与与光光栅栅栅栅线线近近似似垂垂直直方方向向上上将将产产生生明明暗暗相相间间的的条条纹纹，这这些些条纹称为条纹称为莫尔条纹莫尔条纹。14第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理长光栅位移传感器的工作原理v根据根据莫尔条纹效应设计光栅传感器莫尔条纹效应设计光栅传感器。15第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作
9、原理长光栅位移传感器的工作原理v若若光光栅栅栅栅距距为为W，两两个个相相邻邻莫莫尔尔条条纹纹的的间间距距为为BH，则有，则有16第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理长光栅位移传感器的工作原理v根根据据莫莫尔尔条条纹纹的的性性质质，当当两两个个光光栅栅沿沿刻刻线线垂垂直直方方向向作作相相对对移移动动时时，莫莫尔尔条条纹纹相相对对栅栅外外不不动动点点沿沿着着近近似似垂垂直直的的运运动动方方向向移移动动，光光栅栅移移动动一一个个栅栅距距W，莫莫尔尔条条纹纹移移动动一一个个条条纹纹间间距距BH；光光栅栅运运动动方方向向改改变变，莫
10、莫尔尔条条纹纹的的运运动动方方向向也也作作相相应应改改变变；光光栅栅条条纹纹的的光光强强度度随随条条纹纹移动按移动按正弦规律正弦规律变化。变化。17第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理长光栅位移传感器的工作原理18第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器1.长光栅位移传感器的工作原理长光栅位移传感器的工作原理v因因此此，可可根根据据莫莫尔尔条条纹纹移移动动的的条条纹纹数数和和方方向向，测测出出光光栅栅移移动动的的距距离离和和方方向向。光光栅栅传传感感器器就就是根据这一原理，实现对位移的
11、检测。是根据这一原理，实现对位移的检测。19第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器2.长光栅位移传感器长光栅位移传感器v在在作作直直线线位位移移测测量量时时，常常把把前前面面介介绍绍的的两两块块光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。v标标尺尺光光栅栅是是一一个个长长条条形形光光栅栅，光光栅栅长长度度由由所所需需量量程程决决定定。指指示示光光栅栅较较短短，通通常常根根据据测测量量光光学学系系统统的的需需要要而而定定，一一般般与与光光学学系系统统物物镜镜直径相同。直径相同。20第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式
12、位移传感器二、光栅式位移传感器2.长光栅位移传感器长光栅位移传感器v光光栅栅条条纹纹密密度度有有25条条/mm，50条条/mm、100条条/mm或更密，栅线长度一般为或更密，栅线长度一般为612mm。21第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器2.长光栅位移传感器长光栅位移传感器v根根据据不不同同的的设设计计要要求求，光光栅栅可可以以制制成成透透射射光光栅栅和和反射光栅反射光栅。v透透射射光光栅栅的的栅栅线线刻刻制制在在透透明明材材料料上上，要要求求较较高高时时，可可以以采采用用光光学学玻玻璃璃；而而指指示示光光栅栅最最好好采用光学玻璃。采用光学玻璃。v反
13、反射射光光栅栅的的栅栅线线刻刻制制在在具具有有反反射射率率很很高高的的金金属或镀以金属膜的玻璃上。属或镀以金属膜的玻璃上。22第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器3.光学系统光学系统v常采用的光学系统有：常采用的光学系统有：v(1)透射式光路透射式光路 v(2)反射式光路反射式光路23第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器3.光学系统光学系统v(1)透射式光路透射式光路24第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器3.光学系统光学系统v(2)反射式光路反射式光路25第三节第三节
14、 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器3.光学系统光学系统v光光栅栅位位移移传传感感器器的的测测长长精精度度可可达达0.53 m(3000mm范围内范围内)，分辨力可达，分辨力可达0.1 m26第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器4.圆光栅圆光栅v(1)切向圆光栅切向圆光栅v(2)径向圆光栅径向圆光栅径向圆光栅径向圆光栅 切向圆光栅切向圆光栅27第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器4.圆光栅圆光栅v动动光光栅栅固固定定在在转转轴轴上上，因因此此，可可将将轴轴旋旋转转的的角角度度量量变
15、变换换成成莫莫尔尔条条纹纹信信号号。通通过过光光电电转转换换元元件件，将将莫莫尔尔条条纹纹的的变变化化转转换换成成近近似似于于正正弦弦波波形形的的电电信信号号。测测角角精精度度可可达达0.15”，分分辨辨力可达力可达0.1”，甚至更高。，甚至更高。28第三节第三节 大位移传感器大位移传感器二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器29如如果果仅仅以以光光栅栅的的栅栅距距作作其其分分辨辨单单位位，只只能能读读到到整整数数莫莫尔尔条条纹纹；倘倘若若要要读读出出位位移移为为0.1 m，势势必必要要求求每每毫毫米米刻刻线线1万万条条，这这是是目目前前工工艺艺水水平无法实现的。平无法实现的。如如果果采采用
16、用栅栅距距细细分分技技术术可可以以获获得得更更高高的的测测量量精度。精度。常常用用的的细细分分方方法法有有直直接接倍倍频频细细分分法法、电电桥桥细细分法等。分法等。30四倍频细分法四倍频细分法 在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，如如右右下下图图(a)所所示示，得得到到相相位位分分别别相相差差/2四四个个正正弦弦周周期期信信号号。用用适适当当电电路路处处理理这这些些信信号号，使使其其合合并并得得到到如如右右下下图图(b)所所示示的的脉脉冲冲信信号号。每每个个脉脉冲冲分分别别和和四四个个周周期期信信号号的的零零点点相相对对应应，则则电电脉脉冲冲的的周
17、周期期反反应应了了1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度。用用计计数数器器对对这这一一列列脉脉冲冲信信号号计计数数，就就可可以以读读到到1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度的的位位移移量量，这这将将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。31四倍频细分法四倍频细分法 在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，如如右右下下图图(a)所所示示，得得到到相相位位分分别别相相差差/2四四个个正正弦弦周周期期信信号号。用用适适当当电电路路处处理理这这些些信信号号，使使其其合合并并得得到到如如右右下下图图(b
18、)所所示示的的脉脉冲冲信信号号。每每个个脉脉冲冲分分别别和和四四个个周周期期信信号号的的零零点点相相对对应应，则则电电脉脉冲冲的的周周期期反反应应了了1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度。用用计计数数器器对对这这一一列列脉脉冲冲信信号号计计数数，就就可可以以读读到到1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度的的位位移移量量，这这将将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。32已已知知光光栅栅式式位位移移传传感感器器的的栅栅距距是是0.01mm，标标尺尺光光栅栅与与指示光栅的夹角为指示光栅的夹角为0.3。（1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；（2）测测量量时时，若若光光电电元元件件接接收收到到莫莫尔尔条条纹纹10个个周周期期的的光强信号，求测得的位移是多少？光强信号，求测得的位移是多少？（3）若若想想得得到到0.0025mm的的分分辨辨力力，应应采采用用多多少少倍倍的的细分电路？细分电路？33