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机 械 电 子 学.ppt

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机 械 电 子 学 (上册),——机电一体化系统中的数字检测技术,1.1 计量光栅,第一章 位移测量用数字式传感器,一、光栅的种类及结构光栅分类:物理光栅、计量光栅计量光栅分类 1. 按线槽排列 长光栅:测长度、直线位移圆光栅:测角度、角位移2. 按光线行进方式 透射式(玻璃)反射式(金属) 3. 按特性 黑白闪跃二、莫尔条纹1. 横向莫尔条纹,两块具有相同节距的光栅叠和在一起并且它们的刻线间保持 一很小的夹角时,则在刻线重合处形成莫尔条纹。,w —栅距〈毫米〉 θ—两光栅之间的刻线夹角〈弧度〉,条纹宽度,把W1和W2很接近,但又不相等的两光栅重叠在一起,保持 起栅线彼此平行,形成的莫尔条纹与光栅平行。,2.纵向莫尔条纹,,,θ,,,w,条纹宽度,3.斜向莫尔条纹,构成纵向莫尔条纹的两块光栅的刻线保持很小的夹角θ, 则所得的条纹兼有横向和纵向莫尔条纹的性质。,其中,条纹宽度,4.圆光栅的莫尔条纹,径向圆光栅的莫尔条纹: 两块尺寸相同,栅距角相同的圆光栅面对面的重叠保持不大的偏心角θ时,形成莫尔条纹。,在水平直径方向——纵向莫尔条纹 在垂直于e的方向——横向莫尔条纹 其余方向——斜向和纵向莫尔条纹,条纹宽度,横向,纵向,斜向,2)切向莫尔条纹,两块尺寸相同,栅距角相等的切向圆光栅 面对面的 重叠时,形成的莫尔条纹为一系列同心圆。,条纹宽度,三、莫尔条纹特性,光学放大作用及连续变倍作用。 光栅位移大小及方向同莫尔条纹的对应关:光栅的位移与莫尔条 纹的位移严格对应。 平均效应光电元件的输出信号不是两块光栅上单根光栅刻线的输出,而是 光栅通光窗口上所有栅线遮光作用的综合效果所引起的输出。因此若 其中一光栅有局部误差或短周期误差时,综合效果会使这些缺陷的影 大大减小,这种现象称为平均效应。,四、莫尔条纹的输出信号,通常用 K=V幅/V平均 来作为说明光栅系统工作情况的重要质量指标。理想的光栅输出信号是三角波,其K值最大。,亮度,光栅位移,,,光栅节距,,,五、光栅读数头,1.光栅读书头的原理和结构,垂直入射读数 只能用于透射式光栅,光源通过准直透镜或者不经过光学透镜垂直照射到标尺光栅上,竟指示光栅形成莫尔条纹,再经光电元件把莫尔条纹信号转变为电信号。 反射式光栅读数头 用于金属反射式光栅。光源经聚光镜和场镜后成为平行光并以一定的倾斜角投射到指示光栅上,经金属反射器反射形成莫尔条纹,由硅电池输出光电信号。 成象式读头 成象式读数头不需要指示光栅,它把标尺光栅自身刻线的象经光学系统再反射回标尺光栅上形成光闸式莫尔条纹。,2.光栅 读数头的设计要点,1)主光栅,光栅栅距的选择 栅线宽度 主光栅的厚度,2)光源,. 直丝灯泡 b. 灯丝平行于栅线 c. 灯丝应在聚光镜的光轴上,3)光栅间隙的选择,六、黑白光栅的制造方法,刀刻法——效率低,外界干扰大。 接触复印法——方法简单,线纹质量好,但母尺的误差会被直接复印到被刻线上。 动态光刻法——效率高,精度比母尺更高,可以刻制与母光栅栅距不同的下一代光栅。,1.2 激光,一、激光的特点,单色性好: 方向性好(能量集中,亮度高): 相干性好,二、激光产生的原理,三、激光器,四、常用激光传感器,1.激光干涉传感器,1)单频激光干涉传感器:激光干涉测长仪是以激光波长为基准用干涉条纹技术的方法高精度地测量工件长度或工作台位移的仪器。,2) 双频激光干涉仪,双频激光器是一种应用塞曼效应He——Ne气体激光器所谓塞曼效应,即用一轴向磁场把单模的氦氖激光器发出的住谱线分裂为两束强度相等、旋向相反的园偏振光。,2.激光衍射传感器——夫琅和费衍射,3.激光扫描传感器(利用方向性好),1.3感应同步器,1.结构 利用硅电磁感应,1)角位移 转角、定子,2)直位移 滑尺、定尺,2.特点,1).精度高 2).工作可靠,抗强干扰性 3).使用寿命长,维护简便 4).可以作长距离位移测量,并允许以高速移动 5).工艺性好,成本低,便于复制和成批生产,一、感应同步器的结构和特点,二、感应同步器的工作原理,若在滑尺的s绕组上通一交流激磁电压us=Ussinωt则在定尺连续绕组上有感应电动势es输出:,式中K为电磁偶合系数,ψ为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角,ψ=2πx/p,p为节距。若对c绕组加上激磁电压 若对c绕组加上激磁电压,则定尺绕组的感应电动势,可见感应同步器可以看着一个偶合系数随位移变化的变压器,其输出电势与位移x有正、余弦
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