第四章  信号检出技术
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第四章 信号检出技术. 5 、超声波测距系统. 1 )原理:. 声音 --- 机械波(机械振动 --- 弹性煤质); 声波 --- 纵波;. 声频范围(可听频率范围): 20 ~20000Hz. 次声波 --- 频率低于 20Hz ;超声波 --- 超过 20kHz. 声速 ( C ) --- 声波在媒质中传播的速度 ,单位为 m/s. 空气中: 344m/s ;水中: 1440m/s ;钢铁中:约 5000m/s 。. 超声波在空气中的传播速度:. T --- 环境温度(  C ). 被测距离:. t c --- 往返时间.

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第四章 信号检出技术

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第四章 信号检出技术

5、超声波测距系统

1)原理:

声音 --- 机械波(机械振动 --- 弹性煤质);

声波 --- 纵波;

声频范围(可听频率范围):20 ~20000Hz

次声波 --- 频率低于20Hz;超声波 --- 超过20kHz

声速 (C) --- 声波在媒质中传播的速度 ,单位为m/s

空气中:344m/s;水中:1440m/s;钢铁中:约5000m/s。

超声波在空气中的传播速度:

T --- 环境温度(C)

被测距离:

tc --- 往返时间

特点:不易受太阳光干扰;不受测量对象颜色、表面形状的影响;

抗污染能力强

应用:粉尘、水滴飞溅;透明体(如塑料薄膜和板材)、海绵、

橡胶、蝶形纸类的堆积量/厚度的测量;物流运输系统


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2)应用实例:

① 运输小车的控制

② 车体的定位检测


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四、角度及角位移传感器

矩形零件的直角,锥体的锥角、零部件的定位角、转角及分度角

角度检测:

相对检测、绝对检测

直接检测:

间接检测:

实物基准

--- 标准多面棱体、标准分度盘和角度量块

角度检测器具

--- 角尺、角度样板、量角器、水平仪、分度头、

光学测角仪

1、相对检测

1)角度样板

--- 专用的定值量具

--- 较精密零件的检验

角度偏差:

a --- 光隙大小(mm)

L --- 被检锥体素线长度(mm)


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2)多面棱体

--- 多值的角度块

正多面体 --- 合金钢/石英玻璃

工作面数:6,8,12,24,36,72

角度基准 --- 测量分度盘、精密齿轮、

蜗轮的分度误差

其他测量 --- 获得精确转角

多面棱体测量分度误差

1 --- 被测度盘;

2 --- 24面体;

3 --- 工作台;

4 --- 自准直仪;

5 --- 读数显微镜;

6 --- 底座


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3)圆光栅传感器

光栅 --- 径向光栅、切向光栅、环形光栅

径向圆光栅 切向圆光栅


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莫尔条纹 --- 圆弧形、 环形、辐射形

① 径向光栅的圆弧形莫尔条纹

两块径向光栅--- 栅距角相同/不大偏心量

光栅不同区域,栅线交角不同

---圆弧形莫尔条纹

(不同曲率半径)

条纹宽度 --- 随位置变化

偏心垂直位置上

--- 横向莫尔条纹

实际应用

--- 条纹近似垂直于栅线

偏心方向上

--- 纵向莫尔条纹

--- 条纹近似平行于栅线

其他位置 --- 斜向莫尔条纹

特例 --- 光闸莫尔条纹(同心、栅距角相同)

主光栅(一个栅距角)--- 透光量(一个周期)


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② 切向光栅的环形莫尔条纹

两块切向光栅---栅距角相同/切线圆半径不同/同心叠合

环形莫尔条纹 --- 以光栅中心为圆心的同心圆簇

条纹宽度 --- 随条纹位置变化

优点:

--- 全光栅平均效应

应用:高精度角度测量和分度

③ 环形光栅的辐射形莫尔条纹

两块环形光栅(相同)--- 栅线相对/不大的偏心量

辐射形莫尔条纹 --- 条纹近似直线/呈辐射状

特点:条纹数目/位置 --- 偏心量大小/

圆心连线方向

偏心量(一个栅距)--- 莫尔条纹数目增加一条(一个象限内)

光栅旋转 --- 条纹数目/位置(不变)

应用:主轴偏移、晃动


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2、绝对测量

1)差动电容式转角传感器

两个独立极板 --- 旋转圆盘

圆盘旋转

--- 电容差动变化


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(a)扇形平板结构; (b)柱面板结构


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2) 光电水平仪

1-黑箱; 2-发光二极管;3-二维酒精水平仪; 4-底座:

5- 四象限光电二极管

特点:输出为电信号,可以方便的进行数据的自动采集、处理及传送。

仪器的体积小,结构简单,能进行二维倾斜角的测量。


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3) 光纤水平仪

1-刻度盘; 2-法兰盖;

3-壳体; 4-腔体:

5- 照明灯; 6- 非透明液体;

7- 电池; 8- 光纤

刻度盘 --- 暗斑

示值误差:小于10


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--- 数字式传感器(直接)

4) 光电式绝对编码器

光学码盘式传感器 --- 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号

特点:高精度、高分辨力、可靠性好

1 --- 光源;2 --- 柱面镜;3 --- 码盘;4 --- 狭缝;5 --- 元件

① 原理:平行光源→码盘→ 光电元件→电信号输出


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码盘:光学玻璃,透光/不透光(同心码道)→ 照相腐蚀

要求:分度准确(工艺)、

阴暗交替边缘陡峭(工艺、材质)

光源:LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确

光电元件:硅光电池,光电晶体管

码道:位数→每个码道对应一个光电元件→分辨率

角度分辨率:

α=360º/2nn-码道数(位数)

1" --- 20/21位

光电元件输出:

亮区 --- “1” ;

暗区 --- “0”

信号组合 --- 编码数字量

--- 转角大小

绝对测量 --- 固定的数字码

(不需要基准)


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② 编码码制:

有权码

格雷码(循环码)

对称性,无权码

二进制码

相邻两数只有一位不同→

每次只有一位变化→转换

直观,易于后续电路和计算机处理。

多位码同时动作→同步误差→错码


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十进制码

8个码道、2位

内4圈 --- 高位;

外4圈 --- 低位

编码数:102个

分辨力:360/102

=3.6

编码:二—十进制

十进制 0~9

二进制 0000~1010

容量小,有权码

较少使用


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4位光电编码器码制


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③ 特点与应用

特点:结构简单、精度高、分辨率高,可靠性好,

直接数字量输出,绝对码输出,

测量范围小(360º),速度不高(最高几千转/分)

应用:小范围绝对位置测量---角度、直线位置

小范围位移、速度检测

例:

1-- 光源; 2—非球面聚光镜;3– 码盘;4—狭缝;5- 光电元件


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今日作业

任务:

① 设计动画,分别演示三种圆光栅形成的莫尔条纹

(圆弧形(光闸)、环形、辐射形)

② 设计动画,演示长光栅形成的各种莫尔条纹(选做)

要求:软件不限(动画软件)

时间:2周之内

Email: [email protected]


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