光柵傳感器幻燈片

1、4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器2光柵傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器3 數(shù)控機(jī)床上用計(jì)量光柵。計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計(jì)量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。尺身尺身安裝孔 掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）可移動(dòng)電纜4.5.1 4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器4反射式光柵反射式光柵傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器5透射式光柵透射式光

2、柵傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器6透射式圓光柵透射式圓光柵固定固定傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器71.結(jié)構(gòu)透明玻璃上刻平行等寬又等間距的條紋a-線寬（透光）， b-縫寬(不透光)w=a+b（柵距） ，a=b=w/2 2.分類物理光柵：計(jì)量光柵：利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測定波長利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測量精密位移反射光柵：透射光柵：在不透光的金屬載體上刻制出等間距的條紋形成在透明光學(xué)玻璃上均勻刻制出平行等間距的條紋形成實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)量光柵又分為：4.5.1 4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器8透射光柵的結(jié)構(gòu)透射光柵的結(jié)構(gòu) 在直光柵中，若a為刻線寬度，b為縫隙

3、寬度，則a+b稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù))。通常ab，或a:b1.1:0.9。線紋密度一般為每毫米100、50、25和10線。光柵傳感器是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電接收元件組成 主光柵，是測量的基準(zhǔn)，另一塊光柵為指示光柵，在使用長光柵尺的數(shù)控機(jī)床中，標(biāo)尺光柵往往固定在床身上不動(dòng)，而指示光柵隨拖板一起移動(dòng)。標(biāo)尺光柵的尺寸常由測量范圍確定，指示光柵則為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量即可。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器9 主光柵和指示光柵之間的距離d可根據(jù)光柵的柵距來選擇。主光柵和指示光柵在平行光的照射下，形成莫爾條紋。主光柵的精度決定了整個(gè)裝置的精度。光電元件把光柵形成的莫爾條紋

4、的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，主要有光電池和光敏晶體管。4.5.1 4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類3.3.光柵傳感器的組成光柵傳感器的組成傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器10光柵副：指示光柵主光柵光柵副：指示光柵主光柵 a+b=wa+b=w稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，通常情況下，a=b=w/2 a=b=w/2 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器114.5.2 4.5.2 莫爾條紋形成的原理莫爾條紋形成的原理莫爾條紋間距莫爾條紋間距莫爾條紋寬度莫爾條紋寬度bhbh由光柵常數(shù)與光柵夾角決定由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 在透射式直線光柵中，把主光柵與指

5、示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角。當(dāng)有光照射時(shí)，由于擋光效應(yīng)（50條/mm以下）或光的衍射作用（100/mm以上），在與光柵刻線大致垂直方向上形成明暗相間的條紋。兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。 bhw/ （為主為主光柵光柵和指示光柵刻線的夾角）和指示光柵刻線的夾角） 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器12莫爾條紋的產(chǎn)生均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)條紋寬度： )2/sin(2ww傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器13莫爾條紋演示莫爾條紋演示傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器14莫爾條紋莫爾

6、條紋傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器15光柵位移w光強(qiáng)度光柵尺的輸出信號與測量電路光柵尺的輸出信號與測量電路信號轉(zhuǎn)變過程信號轉(zhuǎn)變過程光柵位移輸出電壓光柵位移放大后的輸出電壓光柵位移整形后的輸出電壓光柵位移微分后的輸出電壓傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器16莫爾條紋放大作用舉例莫爾條紋放大作用舉例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光，主光柵與指示光柵的夾角柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距w =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距

7、的寬度是柵距的32倍：倍： bh w/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察觀察”莫爾條莫爾條紋紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器17莫爾條紋的特性莫爾條紋的特性 放大性：放大性： w=/，夾角很小 w 光學(xué)放大 提高靈敏度 莫爾條紋移動(dòng)與柵距成比例：莫爾條紋移動(dòng)與柵距成比例： 光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋沿垂直方向移動(dòng)一個(gè)間距w 準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性： 大量刻線 誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別/局部誤差 提高精度 在一個(gè)柵距內(nèi)，光電元件所檢測的光強(qiáng)變化

8、為正在一個(gè)柵距內(nèi)，光電元件所檢測的光強(qiáng)變化為正弦（或余弦）變化。弦（或余弦）變化。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器18徑向光柵進(jìn)行角度測量徑向光柵進(jìn)行角度測量 當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，條紋即沿徑向移動(dòng)，當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，條紋即沿徑向移動(dòng)，測出條紋移動(dòng)數(shù)目，即可得到標(biāo)尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的測出條紋移動(dòng)數(shù)目，即可得到標(biāo)尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。角度。 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器194.5.4 4.5.4 光柵的光路光柵的光路 透射光路 反射光路 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器20（1 1）透射式光路）透射式光路1-光源光源2-準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡3-主光柵主光柵4-指示光柵指示光柵5

9、-光電元件光電元件 此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器21（2 2）反射式光路）反射式光路1反射主光柵反射主光柵2-指示光柵指示光柵3-場鏡場鏡4-反射鏡反射鏡5-聚光鏡聚光鏡6-光源光源7-物鏡物鏡8-光電電池。光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。該光路適用于黑白反射光柵。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器224.5.5 4.5.5 辨向原理辨向原理 如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，光敏元件都產(chǎn)

10、生相同的正弦信號，無法分辨位移的方向。 例：某例：某1024p/r 圓光柵，正轉(zhuǎn)圓光柵，正轉(zhuǎn)10圈，反轉(zhuǎn)圈，反轉(zhuǎn) 4 圈，若不采取辨向措施，則計(jì)數(shù)器將錯(cuò)圈，若不采取辨向措施，則計(jì)數(shù)器將錯(cuò)誤地得到誤地得到14336個(gè)脈沖，而正確值為：個(gè)脈沖，而正確值為：(104)10246144個(gè)脈沖。個(gè)脈沖。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器23光柵尺的輸出信號與測量電路光柵尺的輸出信號與測量電路 光柵讀數(shù)頭組成：光源、聚光透鏡、指示光柵、光敏元件、信號處理電路（包括放大、整形和鑒向倍頻）。 光柵讀數(shù)頭作用：將莫爾條紋的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。在相距bh/4的位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，以得到兩個(gè)相位互差90的正弦

11、信號 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器24辨向電路正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器254.5.5 辨向原理傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器26光柵尺的輸出信號與測量電路光柵尺的輸出信號與測量電路辨向辨向w傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器274.5.6 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器284.5.6 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)1.光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率等于一個(gè)柵距。等于一個(gè)柵距。2.提

12、高分辨力方法提高分辨力方法：a.增加刻線密度減小柵距。但受增加刻線密度減小柵距。但受刻線工藝的限制?？叹€工藝的限制。b.采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)輸出均勻分布的動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)輸出均勻分布的n個(gè)脈沖，從而得到比柵距更小個(gè)脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨率提高到的分度值，使分辨率提高到w/n。常用的細(xì)分方法有：直。常用的細(xì)分方法有：直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號細(xì)分、軟件細(xì)分等、調(diào)制信號細(xì)分、軟件細(xì)分等。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器29（1）直接細(xì)分 直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。四細(xì)分可用4個(gè)依次相距的光電元件，在

13、莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。 優(yōu)點(diǎn)：對莫爾條紋信號波形要求不嚴(yán)格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。缺點(diǎn)：光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器30未細(xì)分未細(xì)分(a)與細(xì)分與細(xì)分(b)的波形比較的波形比較傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器31（2）電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）22111212errrerrrusccossin)sin(ausc用此信號去觸發(fā)施密特電路 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器32電阻電橋細(xì)分法用于電阻電橋細(xì)分法用于10細(xì)分細(xì)分 傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器33（c）電阻鏈細(xì)分法（電阻分割法）電阻鏈細(xì)分法（電阻分割法）等電阻鏈細(xì)分電路等電阻

14、鏈細(xì)分電路 實(shí)質(zhì)：用電阻衰減器來進(jìn)行細(xì)分。實(shí)質(zhì)：用電阻衰減器來進(jìn)行細(xì)分。傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器34光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器35掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器36光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器37光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器38光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器39光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器40光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器41光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器42光柵應(yīng)用傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器43長度計(jì)傳感器與檢測技術(shù)光柵傳感器44光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：測量精度高，分辨率高，測量范圍大，動(dòng)態(tài)性能好，適合非接觸優(yōu)