光柵式位移傳感器課程設(shè)計(jì)

1、湖南科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)題目：光柵式位移傳感器結(jié)構(gòu)及其電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：孫基 學(xué)號(hào)：1003030319班級(jí)：M03專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師：楊書(shū)儀余以道課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2013年6月4.緒論傳感器（英文名稱：transducer/sensor ）是一種檢測(cè)裝置，能感 受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào) 或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄 和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。這次課程設(shè)計(jì)選用的題目為光柵式位移傳感器，光柵式位移傳感器是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置，經(jīng)常用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測(cè)量?jī)x器等方面，

2、可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè) 量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特 點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對(duì)刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)觀察和跟 蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。光柵式位移傳感器在 現(xiàn)代工業(yè)中的作用是十分巨大的，不僅進(jìn)一步完善了代加工工業(yè)的精度，同 時(shí)也提高了其工作效率。隨著國(guó)內(nèi)加工業(yè)、制造業(yè)等工業(yè)越來(lái)越成熟，對(duì)加 工的精度要求也日益提高。因此，越來(lái)越多的企業(yè)選擇在各種機(jī)床上安裝光 柵式位移傳感器，例如：銃床、磨床、車床、線切割、電火花等。其工作環(huán) 境相對(duì)來(lái)說(shuō)并不很苛刻，操作也很簡(jiǎn)單。二光柵式位移傳感器的基本原理光柵式位移傳感器的基本

3、原理是兩片光柵，主光柵和副光柵之間存在一偏角a,當(dāng)兩主副光柵發(fā)生橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵面上出現(xiàn)縱向移動(dòng)的亮條紋。在光柵面的兩側(cè)分別加上光源和光敏元件（包 括硅光電池，光 電二極管,光電三極管等。）光源發(fā)出通過(guò)透鏡產(chǎn)生一簇平行光照射在副光 柵上，主光柵移動(dòng)時(shí)，光源產(chǎn)生的平行光部分透過(guò)兩光柵之間的縫隙而產(chǎn)生 亮紋，這時(shí)光敏器件接受光源的照射使光敏器件的電阻的阻值發(fā)生變化。從而在外部的測(cè)控電路中的電流或電壓值發(fā)生變化，再根據(jù)電量的輸出判斷 亮紋出現(xiàn)的個(gè)數(shù)。根據(jù)亮紋個(gè)數(shù)和主光柵位移的關(guān)系科技計(jì)算主光柵的位 移量。莫爾條紋簡(jiǎn)介：是18世紀(jì)法國(guó)研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光 學(xué)現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條

4、紋是兩條線或兩個(gè)物體之間以恒定的角 度和頻率發(fā)生干涉的視覺(jué)結(jié)果，當(dāng)人眼無(wú)法分辨這兩條線 或兩個(gè)物體時(shí)，只 能看到干涉的條紋,這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋。光柵式位移傳感器分為透射式和反射式光柵位移傳感器兩種。此次課程設(shè)計(jì)就透射式光柵位移傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。1莫爾條紋的幾何光學(xué)原對(duì)于柵距較大的黑白光柵，莫爾條紋的形成可以近似的看做 是兩塊光柵的柵線的相互擋光作用的結(jié)果。光線在均勻透明的介質(zhì)中是按 直線傳播的。在a-a線上的兩個(gè)山柵線相互重疊，光線透過(guò)間隙形成亮帶。 而在b-b線相互遮擋就形成了暗帚。由以上光學(xué)圖像可知長(zhǎng)光柵的條紋斜率為ta n (1) cotWi cos個(gè)條紋間距為W2 2wgW12

5、 W22 2ww2cosSOO) UIS莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：(1 )莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)與光柵的運(yùn)動(dòng)一一對(duì)應(yīng)當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角0,而 使主光柵沿刻線的垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿光 柵刻線方向移 動(dòng)；光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋也反向移動(dòng)。主光柵每移 動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾 條紋也相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)間距S。因此通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)，就能測(cè)量光柵 移劫的大小和方向，這要比直接對(duì)光柵進(jìn) 行測(cè)量容易得多。(2)莫爾條紋具有位移放大作用當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋 間距。當(dāng)兩個(gè)光柵刻線夾角0較小時(shí)，由式(12.1.1 )可知，W一定時(shí)，0愈

6、小，則B愈大，相當(dāng)于把柵距W放大了 1/ 0倍。例如，對(duì)50條/HIH的光柵，W=0.02II1II，則莫爾條紋間距K=573，相當(dāng)于將柵距放大了 573倍。因此，莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。(3)莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng)莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對(duì)刻線誤差具有平均效應(yīng)， 能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達(dá) 到比光柵本身刻線精度更高的測(cè)量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位 移、高精度位移測(cè)量。(4)莫爾條紋的間距S隨光柵刻線夾角變化由于光柵刻線夾角可以調(diào)節(jié)，因此可以根據(jù)需要改變B的大小來(lái)調(diào)節(jié) 莫爾條紋的間距，這給實(shí)際應(yīng)用幣來(lái)

7、了方便。當(dāng)兩光柵的相對(duì)移動(dòng)方向不變時(shí)，改變口的方向5則莫爾條紋的移動(dòng) 方向改總體設(shè)計(jì)方案的確定v(X光電H換電解a) b)總體的設(shè)計(jì)方案如上，利用光柵產(chǎn)生莫爾條紋的這一現(xiàn)象在主 光柵發(fā) 生移動(dòng)時(shí)，在特定光源的作用下產(chǎn)生莫爾條紋，在光柵的另一側(cè)置一光敏元 件，感受光強(qiáng)變化，從而改變光敏元件的電阻值，光電轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生周期 變化的信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方案:1 簡(jiǎn)單一點(diǎn)來(lái)說(shuō)檢測(cè)輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，將信號(hào)放大，濾 波。 用示波器顯示模擬信號(hào)。信號(hào)大致為一類似正余弦的圖像，通過(guò) 數(shù)波峰個(gè)數(shù) 來(lái)大致確定產(chǎn)生的亮條紋的個(gè)數(shù)。再乘以柵距就的主光柵 的位移。主光柵和指示光柵的相對(duì)位移產(chǎn)生了莫爾條紋，為了測(cè)量莫

8、爾條紋 的位移，必須通過(guò)光電器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在光柵的適當(dāng)位置放置光電器件，當(dāng)兩光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光電器件 上的光 強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)，光強(qiáng)變化為正弦曲線，如圖12.1.4所示。在a位置， 兩個(gè)光柵刻線重疊，透過(guò)的光強(qiáng)最大，光電器件輸出的電信號(hào)也最大；在c 位置由于光被遮去一半，光強(qiáng)減??；位置d的光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng) 最??；若光柵繼續(xù)移動(dòng)，透射到光電器件上的光強(qiáng)又逐漸增大。光電器件上 的光強(qiáng)變化近似于正弦曲線，光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。光 電器件的輸出電壓可用公式表示為式中一一輸出信號(hào)中的直流分量；1輸出信號(hào)中的交流分量幅值； x-兩光柵的相對(duì)位移。光M®&

9、#174;®通過(guò)整形電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波脈沖信號(hào)，則每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期 輸出一 個(gè)方波脈沖，這樣脈沖總數(shù)N就與光柵移動(dòng)的柵距數(shù)相對(duì)應(yīng)， 因此光柵的位移為x=NW2.細(xì)分電路光柵數(shù)字傳感器的測(cè)量分辨率等于一個(gè)柵距。但是，在精密檢測(cè)中常 常需要測(cè)量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實(shí) 現(xiàn)：1 ）增加刻線密度來(lái)減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。 2）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n個(gè)脈沖，從而 得到比柵距更小的分度值，使分辨力提高到細(xì)分的方法有多種，如直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì) 分、軟件細(xì)分等。下面介紹常用的直接細(xì)分方法。直接

10、細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用細(xì)分?jǐn)?shù)為4，因此也稱為四倍頻細(xì)分。圖12.1.7給出了一種四倍頻細(xì)分電路及其波形。在上述辨向電路的 基礎(chǔ)上，將 獲得的兩個(gè)相位相差90 o的正弦信號(hào)分別整形和反相，就可得到4個(gè)相位依 次為0 °S) ' 90c (C) ' 180 & ； ) ' 270o ()的方波信號(hào)，經(jīng)RC微分 電路后就可在光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，得到均勻分布的4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，再送到 可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法或減法計(jì)數(shù)，這樣可將分辯率提高4倍。四倍頻細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，對(duì)莫爾條紋信號(hào)的波形無(wú)嚴(yán)格要求,別K-no,其缺點(diǎn)是細(xì)分?jǐn)?shù)不高。采用電橋細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分、鎖相細(xì)分

11、等可 有效提 局細(xì)分?jǐn)?shù)，有關(guān)細(xì)分電路請(qǐng)參閱其他資料。光柵數(shù)字傳感器的應(yīng)用光柵數(shù)字傳感器具有測(cè)量精度高，分辨率高，測(cè)量范圍大，動(dòng)態(tài) 特性好，適合于非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù) 控機(jī)床和精 密測(cè)量設(shè)備中。但是光柵在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，對(duì)工作環(huán)境 要求較高，不能承 受大的沖擊和振動(dòng)，要求密封，以防止塵埃、油污和鐵屑等的污染，成本較四.傳感器各部分器件的選擇光柵式位移傳感器的主要由照明系統(tǒng)，光柵，以及光電接受系統(tǒng)組成1 .照明系統(tǒng)的選擇：光柵是位移傳感器的光源有單色光和普 通光源 兩種。對(duì)于柵距較小的光柵，單色性不好會(huì)降低莫爾條紋的反 差。柵距較大 的光柵的黑白光柵常用普通白熾電燈照明。

12、2 .光柵的選擇：主光柵材質(zhì)有玻璃和金屬兩種。柵線的寬度略大 于縫寬。但不大于0.55W。指示光柵用光學(xué)玻璃制作，和主光柵的柵距相 等。3 .光電元件的選擇：硅光電池或者光電二極管或者光電三極管。 五.誤差分析誤差的分析可以從由光柵式位移傳感器的各個(gè)部分來(lái)分析。光源部分：光源對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)的誤差主要來(lái)源于柵距不 同時(shí)，光柵對(duì)光的特性好壞來(lái)確定的。在本次傳感器這幾種的光源部 分產(chǎn)生的影響是可以忽略的。光柵部分：由計(jì)算公式有W2 W叫 '22(sin2 (cos W2)2 ：Wi W2 2WiW2COSW1可見(jiàn)這部分應(yīng)該是整個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的誤差的主要來(lái)源。包括光柵片材質(zhì)的選擇使的光柵片對(duì)各

13、種光的特性不一。第二個(gè)是柵距的選擇，柵距大，莫爾條紋反差大，信號(hào)強(qiáng)，光柵副間歇變化的影響小，而且光柵片容易刻畫，成本低，光路簡(jiǎn)單但是分 辨率低，要求電子細(xì)分倍數(shù)大，電路復(fù)雜。柵距小時(shí)，其結(jié)果則相反。第三個(gè)，因?yàn)楣鈻牌峡坍嫷臇啪€的距離是很小的，且刻畫 時(shí)是很 難保證各個(gè)柵線之間的距離是完全保持相等的，主副光柵之間的夾角也是難 以精確測(cè)量的，所以也會(huì)帶來(lái)誤差。第四個(gè)，就是光電接受電路系統(tǒng)中的誤差，轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)樗絾?wèn)題，以及沒(méi)能預(yù)測(cè)到的電路設(shè)計(jì)時(shí)線路之間的寄生電容，電感的影 響。六.說(shuō)明書(shū)光柵線位移傳感器概述開(kāi)放式光柵線位移傳感器為高精度型，輸出波形為正弦波，主 要用于精密儀器的數(shù)字化的改

14、造，最高分辨率可達(dá)O.lum ;封閉式光柵線位移傳感器則主要用于普通機(jī)床、儀器的數(shù)字化改造，輸出的 波形為方波，按外形可分為小型尺和標(biāo)準(zhǔn)尺，其中標(biāo)準(zhǔn)型最長(zhǎng)可做到 3000mm，分辨率有 lum ' 5um °光柵線位移傳感器結(jié)構(gòu)開(kāi)放式光柵線位移傳感器的標(biāo)尺光柵裸露在外，微型發(fā)光器件和 接收器件都裝在傳感頭里。開(kāi)放式光柵線位移傳感器的精度較高，要求的工 作環(huán)境條件高，通常運(yùn)用于精密儀器及使用條件較好的數(shù)控設(shè)備上。封閉式光柵線位移傳感器則是發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn)換器件和光柵尺 封裝在緊固的鋁合金型材里，其中發(fā)光器件采用紅外發(fā)光二極管、光電轉(zhuǎn)換器件采用光電三極管，在鋁合金型材下部有柔性的

15、密封膠條， 可以防止鐵屑、切屑和冷卻劑等污染物進(jìn)入尺體中。電氣連接線經(jīng)過(guò)緩沖電 路進(jìn)入傳感頭，然后再通過(guò)能防止干擾的電纜線送進(jìn)光柵數(shù)顯表，顯示位移 的變化。光柵線位移傳感器工作原理光柵位移傳感器，是由一對(duì)光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副 光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移時(shí)，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑 白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn) 換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器 放大，整形電路整形后，得到兩路相差為 90 的正弦波或方波，送入示波器顯示波形。光柵線位移傳感器參數(shù)測(cè)量長(zhǎng)度50+。，5 mm分辨率0.1; 0.2; 0.

16、5; 1 pm準(zhǔn)確度±1 pm / 50 mm柵距20 pm工作溫度0-40 最大測(cè)量速度0.5 m/s彈簧耐壓0.4-0.8 N工作電壓5Vss ±5%電流（LD線性差動(dòng)輸出）max. 130 mA電流（TTL輸出）max. 130 mA防護(hù)等級(jí)IP 40絕緣阻抗mi n. 20 MW輸出信號(hào)（LD線性差動(dòng)輸出）RS 422, 20 mA輸出信號(hào)（TTL輸出）L=max. 0.5V at< 10mAH=min. 3.5V at> 2.5mA尺寸216.23 X 64 X 19.79線性度0.2米樣頻率KHZ2重量g400光柵線位移傳感器的安裝光柵線位移傳感的安

17、裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位，一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(tái)（滑板）上，隨機(jī)床走刀而動(dòng)，讀數(shù)頭固定在床 身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。開(kāi)放式光柵線位 移傳感器的安裝 必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于 安裝位置限制必須采用 讀數(shù)頭朝上的方式安裝時(shí)，則必須增加輔助密 封裝置。一般情況下，讀數(shù)頭 應(yīng)盡量安裝在相對(duì)機(jī)床靜止部件上，此 時(shí)輸出導(dǎo)線不移動(dòng)易固定，而尺身則 應(yīng)安裝在相對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的部件上（如滑板）。光柵線位移傳感器常見(jiàn)故障及判斷1 .接電源后數(shù)顯表無(wú)顯示可檢查電源線是否斷線，插頭接觸是否良好；數(shù)顯表電源 保 險(xiǎn)絲是 否熔斷；供電電壓是否符合要求。2 .數(shù)顯表不計(jì)數(shù)可檢

18、查傳感器電纜有無(wú)斷線、破損或?qū)鞲衅鞑孱^換至另一臺(tái)數(shù)顯表，若傳感器能正常工作說(shuō)明原數(shù)顯表有問(wèn)題。3 .數(shù)顯表間斷計(jì)數(shù)可檢查光柵尺安裝是否正確，光柵尺所有固定螺釘是否松動(dòng)，光柵 尺是否被污染；插頭與插座是否接觸良好；光柵尺移動(dòng)時(shí)是否與其他部件刮 碰、摩擦；機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副精度是否過(guò)低，造成光柵工作間隙變化。4 .數(shù)顯表顯示報(bào)警檢查有無(wú)接光柵傳感器；光柵傳感器是否移動(dòng)速度過(guò)快；光柵尺是 否被污染。5 .光柵傳感器移動(dòng)后只有末位顯示器閃爍檢查A或B相是否無(wú)信號(hào)或只有一相信號(hào)；是否有一路信號(hào)線不 通；是否光敏三極管損壞。6 .移動(dòng)光柵傳感器只有一個(gè)方向計(jì)數(shù)，而另一個(gè)方向不計(jì)數(shù)（即單方向 計(jì)數(shù)）可檢查是否光柵傳感器A'B信號(hào)輸出短路；光柵傳感器A、B信號(hào)移相不正確；數(shù)顯表有故障。7 .讀數(shù)頭移動(dòng)發(fā)出吱吱聲或移動(dòng)困難檢查是否密封膠條有裂口 ；指示光 柵脫落，標(biāo)尺光柵嚴(yán)重接觸摩擦；下滑體滾珠脫落；上滑體嚴(yán)重變形。8 .新光柵傳感器安裝后，其顯示值不準(zhǔn)檢查是否安裝基面不符