第四章_光柵傳感器

1、第四章第四章 計量計量光柵傳感技術(shù)光柵傳感技術(shù) 4.1 4.1 光柵基礎(chǔ)光柵基礎(chǔ)1.1.光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu) 光柵是在一塊長條型（圓形）光學(xué)玻璃（或光柵是在一塊長條型（圓形）光學(xué)玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透光與不透光相間排列的光與不透光相間排列的光電器件光電器件。 柵線柵線光柵上的刻線，寬度光柵上的刻線，寬度a a 縫隙寬度縫隙寬度b b 柵距柵距w=a+bw=a+b（也稱光柵常數(shù)）（也稱光柵常數(shù)）2 2、分類、分類 按原理和用途：物理光柵和按原理和用途：物理光柵和計量光柵計量光柵 物理光柵：刻線細密物理光柵：刻線細密, ,利用光

2、的衍射現(xiàn)象利用光的衍射現(xiàn)象, ,主主要用于光譜分析和光波長等量的測量。要用于光譜分析和光波長等量的測量。 計量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角計量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。2 2、分類、分類 按光的走向：按光的走向：透射式（玻璃）透射式（玻璃）和反射式（金屬）和反射式（金屬） 透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料 反射式光柵：刻劃基面采用金屬材料反射式光柵：刻劃基面采用金屬材料 按柵線形式：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光按柵線形式：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光柵）

3、柵） 黑白光柵：利用照相復(fù)制工藝加工而成黑白光柵：利用照相復(fù)制工藝加工而成, ,其柵線與縫隙其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；為黑白相間結(jié)構(gòu)； 相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀, ,常用刻劃工藝加工而成。常用刻劃工藝加工而成。反射式光柵反射式光柵透射式光柵透射式光柵透射光柵的結(jié)構(gòu)透射光柵的結(jié)構(gòu) 在直光柵中，若在直光柵中，若a a為刻線寬度，為刻線寬度，b b為縫隙寬度，則為縫隙寬度，則a+ba+b稱稱為光柵的為光柵的柵距柵距( (也稱光柵常數(shù)也稱光柵常數(shù)) )。通常。通常a ab b，或，或a:ba:b1.1:0.91.1:0.9。線紋密度一般為線紋密度一般為每毫米每毫米100100

4、、5050、2525和和1010線線。 主光柵主光柵，是測量的基，是測量的基準，另一塊光柵為準，另一塊光柵為指示光指示光柵柵，在使用長光柵尺的數(shù)，在使用長光柵尺的數(shù)控機床中，控機床中，標尺光柵標尺光柵往往往往固定在床身上不動，而固定在床身上不動，而指指示光柵示光柵隨拖板一起移動。隨拖板一起移動。標尺光柵的尺寸標尺光柵的尺寸常由常由測量測量范圍范圍確定，確定，指示光柵指示光柵則為則為一小塊，只要能一小塊，只要能滿足測量滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量所需的莫爾條紋數(shù)量即可即可。2 2、分類、分類 按按應(yīng)用應(yīng)用類型：長光柵和圓光柵類型：長光柵和圓光柵 長光柵：刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，長光柵：

5、刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，刻線相互平行；用于測量刻線相互平行；用于測量長度或線位移長度或線位移構(gòu)成：主光柵構(gòu)成：主光柵 - 標尺光柵，定光柵；指示光柵標尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動光柵動光柵長度長度 - 測量范圍；刻線密度測量范圍；刻線密度 - 測量精度測量精度 ( 10、25、50、100、125線線/mm ) 圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測量角度或角位移圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測量角度或角位移. .wab放大(a) 長光柵(b) 圓光柵放大wab柵距柵距柵線寬度柵線寬度縫隙寬度縫隙寬度柵距角柵距角圓光柵分類：圓光柵分類：根據(jù)根據(jù)柵線刻劃的方向柵線刻劃的方向，圓光柵分三

6、種：，圓光柵分三種： 徑向光柵徑向光柵: 其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心； 切向光柵切向光柵: 其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點兒或幾個毫米的小圓相切有零點兒或幾個毫米的小圓相切; 環(huán)形光柵環(huán)形光柵: 一簇等間距同心圓組成一簇等間距同心圓組成.若按若按光線的走向光線的走向，圓光柵只有透射光柵。，圓光柵只有透射光柵。(a) 徑向光柵(b) 切向光柵(c) 環(huán)形光柵透射式圓光柵透射式圓光柵固定固定莫爾現(xiàn)象 幾個世紀以前,法國絲綢工人曾發(fā)現(xiàn)一種奇怪的現(xiàn)象-兩塊疊合在一起的薄綢子在光線的照射下會產(chǎn)生絢麗的花紋,他們把

7、這種自然現(xiàn)象稱之為莫爾現(xiàn)象.在日常生活中,我們也能經(jīng)?？吹竭@種現(xiàn)象,只是不為人注意罷了.在兩層紗窗重疊時會出現(xiàn)莫爾現(xiàn)象,兩層帳子重疊時、轉(zhuǎn)動撐開的紙傘時也會出現(xiàn)莫爾現(xiàn)象.支持原創(chuàng) Supporting original 3.3.莫爾條紋莫爾條紋1).1).莫爾條紋的形成及其特征莫爾條紋的形成及其特征 當(dāng)指示光柵和主光柵的刻線相交一個當(dāng)指示光柵和主光柵的刻線相交一個微小的夾角微小的夾角時時, , 光源照射光柵尺，由于光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成暗相交處形成暗帶帶，而在，而在刻線彼此錯開處形成亮帶刻線彼此錯開處形成亮帶。在與。在與光柵線紋大致垂直的

8、方向上光柵線紋大致垂直的方向上, , 產(chǎn)生出亮暗產(chǎn)生出亮暗相間的條紋相間的條紋, , 這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條紋莫爾條紋”。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條紋寬度： WWB)2/sin(2BHW莫爾條紋莫爾條紋演示演示 長光柵橫向莫爾條紋長光柵橫向莫爾條紋 1.長光柵莫爾條紋 長光柵組的柵線方程 斜光柵組的柵線方程為圖圖 4 3 長光柵莫爾條紋形成原理圖長光柵莫爾條紋形成原理圖莫爾條紋測量原理與基本特性 1.長光柵莫爾條紋 相鄰兩亮線（或暗線）間的間距為兩相鄰k值所代表的兩直線之間的距離，記以W，則W 為橫向莫爾條紋：橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角

9、由于兩光柵的柵線夾角 很小，條很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋?？v向莫爾條紋：縱向莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角當(dāng)柵線的夾角0，且兩光柵柵距不且兩光柵柵距不等時產(chǎn)生的莫等時產(chǎn)生的莫爾條紋爾條紋。光閘莫爾條紋：光閘莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角當(dāng)柵線的夾角0, 且兩光柵柵距相且兩光柵柵距相等時等時產(chǎn)生的莫爾條紋。產(chǎn)生的莫爾條紋。橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用長光柵莫爾條紋播放動畫播放動畫2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用長光柵光閘莫爾條紋播放動畫播放動畫2021-12-9傳感

10、器原理及應(yīng)用播放中播放中圓弧莫爾條紋單擊準備演示單擊準備演示播放動畫播放動畫2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用光閘莫爾條紋播放動畫播放動畫播放中播放中2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放動畫播放中播放中單擊準備演示單擊準備演示2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用單擊準備演示單擊準備演示輻射形莫爾條紋播放動畫播放動畫2) 2) 莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征、位移放大作用、位移放大作用2sin2wWB相鄰兩條莫爾條紋間距相鄰兩條莫爾條紋間距B B與柵距與柵距w w及兩光柵夾角及兩光柵夾角的關(guān)系為：的關(guān)系為：wababaababaBw2 1B1WBBkW結(jié)論：結(jié)論： 越小越小,

11、k, k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1， W=0.02mmW=0.02mm時時 =0.1=0.1=0.1=0.12/360=0.00175432rad2/360=0.00175432rad 則：則：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫爾條紋間距放大了光柵間距，令莫爾條紋間距放大了光柵間距，令k k為放大系數(shù)，為放大系數(shù)，則：則：、運動對應(yīng)關(guān)系、運動對應(yīng)關(guān)系 通過莫爾條紋的運動特性判別光柵的運動特性通過莫爾條紋的運動特性判別光柵的運動特性光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔；光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔；光柵改變運動方向，莫爾條紋隨之改

12、變運動方向。光柵改變運動方向，莫爾條紋隨之改變運動方向。當(dāng)移動的刻線數(shù)當(dāng)移動的刻線數(shù)i和角度和角度一定時，莫爾條紋間距一定時，莫爾條紋間距B B與移動距離與移動距離x成正比，即：成正比，即： /Wx ixBi 誤差的平均效應(yīng)誤差的平均效應(yīng) 光電元件對光柵的柵距誤差具有平均光電元件對光柵的柵距誤差具有平均消差消差作用。作用。u莫爾條紋由光柵的大量刻線形成莫爾條紋由光柵的大量刻線形成, , 幾條刻線的柵幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上能在很大程度上消除短周期誤差消除短周期誤差的影響。的影響。莫爾條紋測量原理與基本特性

13、 2. 圓光柵的莫爾條紋 計量圓光柵的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和長光柵的結(jié)構(gòu)類似，一般由黑白光柵副和光學(xué)系統(tǒng)、接收系統(tǒng)所組成。 根據(jù)光柵柵線形狀的不同，圓光柵分為： 圓形 直線形 徑向輻射光柵 切向光柵 由于各類圓光柵本身結(jié)構(gòu)上的差別，使它們各自的莫爾條紋的形狀也各不相同。莫爾條紋測量原理與基本特性圖圖 4 6 節(jié)距角相同的兩徑向光柵偏心疊合節(jié)距角相同的兩徑向光柵偏心疊合節(jié)距角相同的兩徑向光柵偏心疊合 圓光柵莫爾條紋具有的基本特性有 （1）莫爾條紋橫向性與縱向性 （2）條紋寬度非定值空間角位移與條紋平移量關(guān)系非線性 工作原理：工作原理： 利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量的測量利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量的

14、測量：光柵光柵的相對移動使的相對移動使透射光強度透射光強度呈周期性變化，光電元件呈周期性變化，光電元件把這種光強信號變?yōu)橹芷谛宰兓陌堰@種光強信號變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘栯娦盘?，由電信，由電信號的變化即可獲得光柵的相對移動量。號的變化即可獲得光柵的相對移動量。 特點：特點： 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器：能把被測的模擬量能把被測的模擬量直接直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器抗干擾能力量。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器抗干擾能力強強, ,穩(wěn)定性強穩(wěn)定性強; ;易于微機接口易于微機接口, ,便于信號處理和實現(xiàn)自便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量。動化測量。4.2 光柵傳感器的工作原理

15、光柵傳感器的工作原理一、光電轉(zhuǎn)換原理一、光電轉(zhuǎn)換原理 1 1光源；光源；2 2聚光鏡；聚光鏡；3 3光柵主尺；光柵主尺；4 4指示光柵；指示光柵；5 5光敏元件；光敏元件；6 6莫爾條紋；莫爾條紋；7 7光強分布光強分布 光柵傳感器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裝置的精度。光電元件把光柵形成的莫爾條紋的明暗度決定了整個裝置的精度。光電元件把光柵形成的莫爾條紋的明暗強弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，主要有強弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，主要有光電池光電池和和光敏晶體管光敏晶體管。一、一、 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與分類光柵傳

16、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莫爾條紋 兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺固定一塊為長光柵工作臺前后移動的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進行計數(shù)得到指示光柵相對移動一個節(jié)距，莫爾條紋變化一周指示光柵移動的距離為： ：指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù)，：小于個光柵節(jié)距的小數(shù) 簡單光柵讀數(shù)頭 ：燈，：聚光鏡，：指示光柵，：長光柵，：光電探測器 NPx 光電探測器接收到的明暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號； 通過對莫爾條紋的直接測量，可以測的光柵的位移量； 在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細分裝置進行細分，可讀取位移的分數(shù)，提高測量的靈敏度和精度光柵輸出信號波形現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù)

17、黃元慶黃元慶現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用常見的光柵光學(xué)系統(tǒng)v 光柵光學(xué)系統(tǒng)一般分為光強調(diào)制型與相位調(diào)制型兩大類。光柵光學(xué)系統(tǒng)一般分為光強調(diào)制型與相位調(diào)制型兩大類。 光強調(diào)制型又可分為光強調(diào)制型又可分為 反射式單光柵光學(xué)系統(tǒng)反射式單光柵光學(xué)系統(tǒng) 反射式單光柵光學(xué)系統(tǒng)最大特點是空間分辨率提高一倍，即光柵移動半反射式單光柵光學(xué)系統(tǒng)最大特點是空間分辨率提高一倍，即光柵移動半個柵距，莫爾條紋變化一個周期。個柵距，莫爾條紋變化一個周期。 反射式雙光柵光學(xué)系統(tǒng)反射式雙光柵光學(xué)系統(tǒng) 透鏡式雙光柵光學(xué)系統(tǒng)透鏡式雙光柵光學(xué)系統(tǒng) 雙光柵又可分為直接接受式與分光接受式兩類。

18、雙光柵又可分為直接接受式與分光接受式兩類。 相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)又可分為相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)又可分為 光柵掃描式相位調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)光柵掃描式相位調(diào)制光學(xué)系統(tǒng) 光電器件自掃描式相位調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)光電器件自掃描式相位調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用光強調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)圖圖 4 7 用平面反射鏡構(gòu)成的單光柵光學(xué)系統(tǒng)用平面反射鏡構(gòu)成的單光柵光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用光強調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)圖圖 4 8 雙光柵光學(xué)系統(tǒng)雙光柵光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代傳感

19、技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)圖圖 4 11 光柵掃描式相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)光柵掃描式相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶現(xiàn)代傳感技術(shù)現(xiàn)代傳感技術(shù) 黃元慶黃元慶2021-12-9傳感器原理及應(yīng)用相位調(diào)制型光學(xué)系統(tǒng)圖圖 4 12 光敏二級管陣列自掃描光學(xué)系統(tǒng)光敏二級管陣列自掃描光學(xué)系統(tǒng)三、辨向原理及辨向電路三、辨向原理及辨向電路1 1）辨向的原因）辨向的原因 當(dāng)指示光柵無論向前或向后移動時，在當(dāng)指示光柵無論向前或向后移動時，在一固定點安裝的光電元件只能接收到莫爾條一固定點安裝的光電元件只能

20、接收到莫爾條紋明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)紋明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計數(shù)脈沖，從而無法辨別光柵移動生同樣的計數(shù)脈沖，從而無法辨別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復(fù)移動時位的方向，也不能正確測量出有往復(fù)移動時位移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向電路。電路。2 2）辨向原理與辨向電路）辨向原理與辨向電路 為辨別主光柵的移動方向為辨別主光柵的移動方向, ,需要有兩個具有相差需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入來辨別移動方向的莫爾條紋信號同時輸入來辨別移動方向, ,且兩個且兩個莫爾條紋信號相差莫爾條紋信號相差9090相位。相

21、位。 實現(xiàn)的方法是在相隔實現(xiàn)的方法是在相隔B B4 4條紋間隔的位置上安條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件裝兩只光敏元件, ,當(dāng)莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮當(dāng)莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣度變化規(guī)律完全一樣, ,相位相差相位相差2 2。滯后還是。滯后還是超前完全取決于光柵的運動方向。這種區(qū)別運動超前完全取決于光柵的運動方向。這種區(qū)別運動方向的方法稱為方向的方法稱為位置細分辨向原理位置細分辨向原理。4.5 4.5 莫爾條紋細分技術(shù)莫爾條紋細分技術(shù) 目的目的：提高分辨力（測量更小的位移量）。：提高分辨力（測量更小的位移量）。 細分方法細分方法： 1.1.增加光柵刻線密度；增加光柵刻線密度

22、； 2.2.電子細分；電子細分； 3.3.機械和光學(xué)細分。機械和光學(xué)細分。電子細分電子細分：在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周：在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周期內(nèi)期內(nèi), , 發(fā)出發(fā)出n n個脈沖個脈沖, , 每個脈沖代表原來柵距的每個脈沖代表原來柵距的1/n1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高了。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高了n n倍倍, , 因此因此也稱之為也稱之為n n倍頻法。倍頻法。通常采用的電子細分方法有：通常采用的電子細分方法有：四倍頻細分和電橋細四倍頻細分和電橋細分分等。等。1. 1. 四倍頻細分四倍頻細分 方案：方案：在一個莫爾條紋寬度上并列放置在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個四

23、個光電光電元件，得到四個相差依次為元件，得到四個相差依次為/2/2的電壓信號；或在的電壓信號；或在相差相差B/4B/4位置上安放兩個光電元件，得到兩個相差位置上安放兩個光電元件，得到兩個相差/2/2電壓信號，將這兩個信號整形、反相后得到四電壓信號，將這兩個信號整形、反相后得到四個依次相差個依次相差/2/2的電壓信號。的電壓信號。 在光柵作相對運動時，經(jīng)過微分電路，在正向運在光柵作相對運動時，經(jīng)過微分電路，在正向運動時，得到四個微分脈沖（加計數(shù)脈沖）；反向運動時，得到四個微分脈沖（加計數(shù)脈沖）；反向運動時，得到四個微分脈沖（減計數(shù)脈沖）。動時，得到四個微分脈沖（減計數(shù)脈沖）。相距相距B/4B/4

24、放置四個光電元件放置四個光電元件 4.64.6 光柵傳感器的光學(xué)系統(tǒng)光柵傳感器的光學(xué)系統(tǒng)組成組成：光源、透鏡、光柵、光敏元件：光源、透鏡、光柵、光敏元件光源光源：白熾燈或其它發(fā)光元件；：白熾燈或其它發(fā)光元件；透鏡透鏡：把光線變成平行光束照射在光尺上；：把光線變成平行光束照射在光尺上；光敏元件光敏元件：輸出電壓信號；：輸出電壓信號；形式形式：透射直讀式、反射直讀式、反射積分式等：透射直讀式、反射直讀式、反射積分式等1 1、透透射射直直讀讀式式特點：特點：光電元件采用光電元件采用四極硅光電池四極硅光電池構(gòu)成四細分直讀式分光構(gòu)成四細分直讀式分光系統(tǒng)，輸出的四路電信號相位依次相差系統(tǒng)，輸出的四路電信號相位依次相差/2/2，相當(dāng)于對莫相當(dāng)于