第四章 信号检出技术

1. 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

2. 2）应用实例： ① 运输小车的控制 ② 车体的定位检测

3. 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)

4. 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

5. 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

7. 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）

8. 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

9. 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

10. (a)扇形平板结构； (b)柱面板结构

11. 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。

12. 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

13. --- 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

14. 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）

15. 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

16. 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

17. 4位光电编码器码制

18. 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

19. 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: taowei@sjtu.edu.cn