第四章 信号检出技术

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TV 61.05.3310

5 、超声波测距系统声音 --- 机械波（机械振动 --- 弹性煤质）；声波 --- 纵波；

声速 （ C ） --- 声波在媒质中传播的速度 ，单位为 m/s

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

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

超声波在空气中的传播速度：空气中： 344m/s ；水中： 1440m/s ；钢铁中：约 5000m/s 。

T --- 环境温度（ C ）

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

被测距离：

1 ）原理：

2 ）应用实例：

① 运输小车的控制

② 车体的定位检测

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

实物基准 --- 标准多面棱体、标准分度盘和角度量块

角度检测：直接检测：间接检测：

相对检测、绝对检测

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

)'('102 5L

a --- 光隙大小 (mm)L --- 被检锥体素线长度 (mm)

角度偏差：

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

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

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

--- 条纹近似垂直于栅线偏心方向上--- 条纹近似平行于栅线

--- 横向莫尔条纹

--- 纵向莫尔条纹

其他位置 --- 斜向莫尔条纹

实际应用

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）

莫尔条纹 --- 圆弧形、 环形、辐射形

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

应用：高精度角度测量和分度--- 全光栅平均效应优点：

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

光栅旋转 --- 条纹数目 / 位置（不变）

偏心量（一个栅距） --- 莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）

应用：主轴偏移、晃动

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

(a)扇形平板结构； (b)柱面板结构

2) 光电水平仪

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。

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

示值误差：小于 10

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

4) 光电式绝对编码器

特点：高精度、高分辨力、可靠性好

--- 数字式传感器（直接）

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

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

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/2n n-码道数（位数）

光电元件输出： 亮区 --- “1” ;暗区 --- “0”

1" --- 20/21位

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）

② 编码码制：

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

格雷码（循环码）

有权码 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

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

角度 位置 十进制码 二进制码 格雷码0.0

22.5

45.0

67.5

90.0

112.5

135.0

157.5

180.0

202.5

225.0

247.5

270.0

292.5

315.0

337.5

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

p

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

0000

0001

0011

0010

0110

0111

0101

0100

1100

1101

1111

1110

1010

1011

1001

1000

4 位光电编码器码制

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

今日作业

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）

时间： 2 周之内

Email: taowei@sjtu.edu.cn

要求：软件不限（动画软件）

任务：