光柵傳感器工作原理實用教案

1、THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)數(shù)字信號檢測系統(tǒng)(xtng)的組成的組成u 數(shù)字信號檢測(jin c)系統(tǒng)的組成數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成第1頁/共34頁第一頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù)l 光柵(gungshn)數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列(pili)而成的光電器件。20線-150線/mm25

2、線-50線/mmWW透射(tu sh)式反射式為光柵常數(shù)，也稱光柵柵距。W 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成第2頁/共34頁第二頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)的的分類分類按用途(yngt)分物理光柵計量光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析(un p fn x)、光波長測量。利用莫爾條紋現(xiàn)象，主要用于長度、角度、速度、加速度、振動等物理量的測量。計量光柵長光柵圓光柵用于長度測量用于角度測量按光的走向透射式光柵反射式光柵按柵線

3、的形式黑白光柵（幅值光柵）閃耀光柵（相位光柵）徑向光柵切向光柵環(huán)形光柵第3頁/共34頁第三頁，共35頁。長光柵(gungshn) - 直線位移圓光柵(gungshn) - 角位移 構(gòu)成(guchng)： 主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵 指示光柵 - 動光柵長度 - 測量范圍；刻線密度(md) - 測量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm )THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)第4頁/共34頁第四頁，共3

4、5頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的結(jié)構(gòu)和工傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理作原理光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副光 路光柵(gungshn)傳感器的結(jié)構(gòu)第5頁/共34頁第五頁，共35頁。按運動形式分： 直線型-主光柵(gungshn)為直尺形直線移動 旋轉(zhuǎn)型-主光柵(gungshn)為圓盤形旋轉(zhuǎn)運動按光學(xué)形式分： 透射式-光源與光電元件(yunjin)在兩側(cè)透射光 反射式-光源與光電元件(yunjin)同一側(cè)反射光THE COLLEGE OF M

5、ECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作(gngzu)原理原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)第6頁/共34頁第六頁，共35頁。莫爾條紋的形成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)和工作原和工作原理理光柵傳感器的工作(gngzu)原理+-位移正弦波第7頁/共34頁第七頁，共35頁。條紋(tio wn)寬度： WBW-柵距， a-線寬，

6、b-縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例(tl)：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋 當(dāng) =0, w1w2 縱向莫爾條紋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THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù)莫爾條紋莫爾條紋(tio wn)（Moire）第8頁/共34頁第八頁，共35頁。方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時 與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距 莫爾條紋移動一個間距 方向?qū)?yīng)放大性：夾角很小 BW 光學(xué)放大 提高靈敏度可調(diào)性：夾角 條紋間距B 靈活準(zhǔn)確性

7、：大量刻線 誤差平均(pngjn)效應(yīng) 克服個別/局部誤差 提高精度 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù)莫爾條紋莫爾條紋(tio wn)（Moire）的）的特性特性第9頁/共34頁第九頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的結(jié)構(gòu)和傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理光柵傳感器的工作(gngzu)原理故 被測物體(wt)位移柵距脈沖數(shù)

8、被測物體位移莫爾條紋移動正弦波方波脈沖通過光柵 轉(zhuǎn) 換通過光電 元件轉(zhuǎn)移整 形 轉(zhuǎn) 換邏輯電壓 轉(zhuǎn) 換第10頁/共34頁第十頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)和工作和工作原理原理光柵傳感器的工作(gngzu)原理第11頁/共34頁第十一頁，共35頁。u光柵(gungshn)傳感器特點 精度高： 測長(0.2+210-6L)m， 測角0.1量程大： 透射式-光柵尺長（米）， 反射式-幾十米響應(yīng)快： 可用于動態(tài)測量增量(zn

9、lin)式： 增量(zn lin)碼測量 計數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高： 對環(huán)境要求高溫度、 濕度、灰塵、振動、 移動精度成本高： 電路復(fù)雜 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)和工作和工作原理原理光柵傳感器的工作原理第12頁/共34頁第十二頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測量光柵傳感器的測量(cli

10、ng)電路電路信號(xnho)各種接口放大細(xì)分整形四倍頻、判向加減計數(shù)正弦(余弦)信號方波信號數(shù)字信號信號轉(zhuǎn)換第13頁/共34頁第十三頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電路傳感器的測量電路u信號(xnho)的形成與轉(zhuǎn)換W11 4nWW22 4n WW33 4nWWsin xc o s xc o s xsin x第14頁/共34頁第十四頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUT

11、OMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測量光柵傳感器的測量(cling)電路電路u信號(xnho)的形成與轉(zhuǎn)換標(biāo)尺(bioch)光柵指示光柵假如移動了一個柵距Wsin xsin xc o s xc o s xsin xc o s xc o s xsin x得到四個信號：第15頁/共34頁第十五頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電路傳感器的測量電路u信號(xnho)的形成與轉(zhuǎn)換得到一對相位

12、相差 的正交差分信號2正弦差分信號余弦差分信號第16頁/共34頁第十六頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測量光柵傳感器的測量(cling)電路電路u信號(xnho)放大可得到相位差分別為 ， ， 的正弦信號021RouRu2R2C1C1RouRu2R2C1Csin xcosx第17頁/共34頁第十七頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化

13、技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電路傳感器的測量電路u 位移(wiy)信號ppu2cos()bpP PuuuxW pupu2sin()apP PuuuxW ppu一對正交位移信號： 和aubu位移的方向：au正向時 超前aubu反向時 超前aubux位移的大?。?可見位移大小的信息包含在信號的相位中。第18頁/共34頁第十八頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量傳感器的測量電路電路u電阻(dinz)鏈細(xì)分電路sinsin

14、ammuUxUsin()cos2bmmuUxUouaubu1R2R121212baR uR uRRRR0pu p pmuU設(shè) ， 。則 212()oabbRuuuuRR121212cossinmmRRUURRRRsincoscos sinmmUUsin()mU22212c o sRRR2212RR2R1R12arctanRR221212mmRRUURR12212s inRRR注：ouaubuau第19頁/共34頁第十九頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測

15、量光柵傳感器的測量(cling)電路電路u五細(xì)分電路(dinl)100sin18K56K24K33K56K18K33K24K33K24K24K33K18K56K56K18Kcossin5310257104591023501 83 65 47 29 01 0 81 2 61 4 41 6 2第20頁/共34頁第二十頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電傳感器的測量電路路u信號(xnho)整形正弦信號(xnho)通過電壓比較器，整形為

16、同周期的方波信號(xnho)。cosxRuiuRusin xRuiuiuiu1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K電壓比較器339LM1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K電壓比較器339LM第21頁/共34頁第二十一頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電傳感器的測量電路路u五細(xì)分電路(dinl)信號處理過程03672185490108126146142得到十路方波信號，其相位依次相差 18第22頁

17、/共34頁第二十二頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量傳感器的測量電路電路u五細(xì)分電路(dinl)信號處理過程03672108144XP0367210814403672108144XPPPPPPPPPPP0367210814403672108144PPPPPPPPPP03672108144PPPPP信號相位每變化 就產(chǎn)生一個新的方波，所以得到5倍頻（細(xì)分）。72第23頁/共34頁第二十三頁，共35頁。THE COLLEGE OF

18、MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量傳感器的測量電路電路u五細(xì)分電路信號處理(xn ho ch l)過程185490126162YP185490126162185490126162YPPPPPPPPPPP185490126162185490126162PPPPPPPPPP185490126162PPPPP得到五細(xì)分（倍頻）后的 ， 正交方波。 XPYP第24頁/共34頁第二十四頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTO

19、MATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測量光柵傳感器的測量(cling)電路電路u五細(xì)分電路(dinl)實現(xiàn)：1816290()YPPPP54126()PP361080()XPPPP72144()PP74LS86異或門74LS86異或門0P18P36P54P72P90P108P126P144P162P21351113964138121051110412896231YPXPYBA注：異或門74LS86：YABABBAY01001010111100真值表：第25頁/共34頁第二十五頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINE

20、ERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測量光柵傳感器的測量(cling)電路電路u 四細(xì)分、判向邏輯(lu j)XPYPW小結(jié)(xioji)：光柵相對位移莫爾條紋正交正弦信號五細(xì)分正交方波信號 細(xì)分后的一個方波信號是原正弦信號按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 細(xì)分后的方波信號仍是一對正交方波信號。 第26頁/共34頁第二十六頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測量光柵傳感器的測量(cl

21、ing)電路電路u 四細(xì)分、判向邏輯(lu j)關(guān)于(guny)正交方波信號的討論：AB正交方波信號位移方向信息： 正向移動時，A超前B； 反向移動時，B超前A。2xW位移大小信息： 相位 。11000110正交方波信號的狀態(tài)變化規(guī)律：10110001正向移動時反向移動時結(jié)論：正交方波信號的狀態(tài)變化規(guī)律為：正向時00、10、11、01而反向時相反一個方波狀態(tài)改變四次第27頁/共34頁第二十七頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電傳

22、感器的測量電路路u 四細(xì)分、判向邏輯(lu j)AB正交方波信號11000110l四細(xì)分：l 一個方波內(nèi)狀態(tài)改變四次，記錄下狀態(tài)改變的次數(shù)，則一個方波又按相位被細(xì)分為四等分。l判向：l 根據(jù)當(dāng)前時刻和前一時刻的狀態(tài)，可以判斷(pndun)出位移的方向。(54)Wxn 因此，在整個位移過程中，我們只要記錄下信號狀態(tài)的變化次數(shù)，并在正向時做加計數(shù)，反向時做減計數(shù)?？傻?54)W脈沖當(dāng)量W 柵距；x位移長度；n總計數(shù)值；第28頁/共34頁第二十八頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體

23、化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的測量電傳感器的測量電路路u 結(jié)果顯示、打印(d yn)位移長度：Wxn總細(xì)分?jǐn)?shù)9 8 9 8 .1 2 3 4mm顯示打印其它處理例：一光柵數(shù)顯系統(tǒng)，選用 的光柵傳感器，電子處理系統(tǒng)的電阻鏈細(xì)分?jǐn)?shù)為25，后接 4 細(xì)分判向電路。問該系統(tǒng)的光柵柵距是多少？脈沖當(dāng)量和最小分辨率分別是多少？當(dāng)光柵移動了 個柵距時，顯示數(shù)應(yīng)該是多少？100線m m34118光柵柵距10.01100Wmmmm10.0001100254mmmm脈沖當(dāng)量、最小分辨率均為顯示數(shù)為31181000.00011.18754mmmm第29頁/共34頁第二十九頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術(shù) 光柵光柵(gungshn)傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用密封式開啟式第30頁/共34頁第三十頁，共35頁。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIV