第七章光柵傳感器

1、第7章光柵傳感器 第7章光柵傳感器 7.1光柵基礎(chǔ)光柵基礎(chǔ) 7.2光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理 7.3莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 7.4常用光學(xué)系統(tǒng)常用光學(xué)系統(tǒng) 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第7章光柵傳感器 7.1光柵基礎(chǔ)光柵基礎(chǔ)7.1.1光柵的分類及結(jié)構(gòu)光柵的分類及結(jié)構(gòu)1. 光柵的分類光柵的分類光柵按其原理和用途可分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵刻線細(xì)密，利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長等的測(cè)量。在幾何量計(jì)量中使用的光柵稱為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。按其透射形式，光柵可分為透射式光柵和反射式光柵?？虅澔娌捎?/p>

2、玻璃材料的為透射式光柵；刻劃基面采用金屬材料的為反射式光柵。第7章光柵傳感器 按其柵線形式，光柵可分為黑白光柵(幅值光柵)和閃耀光柵(相位光柵)。黑白光柵是利用照相復(fù)制工藝加工而成的，其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；相位光柵的橫斷面呈鋸齒狀，常用刻劃工藝加工而成。按其應(yīng)用類型，光柵可分為長光柵和圓光柵。長光柵又稱為光柵尺，用于測(cè)量長度或線位移；圓光柵又稱盤柵，用于測(cè)量角度或角位移。長光柵有透射式和反射式兩種，而且均有黑白光柵和閃耀光柵；圓光柵一般只有透射式黑白光柵。第7章光柵傳感器 2. 光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)所謂光柵，是在刻劃基面上等間距(或不等間距)地密集刻劃，使刻線處不透光，未刻線處透光，形成

3、透光與不透光相間排列構(gòu)成的光電器件。光柵上的刻線稱為柵線。柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，而w=a+b稱為柵距(也稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，柵線密度用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)表示，如100線mm、250線mm)。圓光柵還有一個(gè)參數(shù)叫柵距角或節(jié)距角，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線的夾角。光柵的結(jié)構(gòu)如圖7.1所示。第7章光柵傳感器 圖7.1光柵的結(jié)構(gòu)第7章光柵傳感器 圓光柵有三種柵線形式：一種是徑向光柵，其柵線的延長線通過圓心；另一種是切向光柵，其柵線的延長線與光柵盤的一個(gè)小同心圓相切；還有一種是其柵線為一簇等間距同心圓組成的環(huán)形光柵。圓光柵通常在圓盤上刻有108064 800

4、條線。圓光柵柵線如圖7.2所示。圖7.2圓光柵柵線第7章光柵傳感器 7.1.2莫爾條紋的原理莫爾條紋的原理計(jì)量光柵是利用莫爾現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)幾何量的測(cè)量的。莫爾條紋是由主光柵和指示光柵的遮光與透光效應(yīng)形成的(兩只光柵參數(shù)相同)。主光柵用于滿足測(cè)量范圍及精度，指示光柵(通常是從主尺上裁截一段)用于拾取信號(hào)。將主光柵與指示光柵的刻劃面相向疊合并且使兩者柵線有很小的交角，這樣就可以看到，在a-a線上兩只光柵柵線彼此錯(cuò)開，光線從縫隙中透過形成亮帶，其透光部分是由一系列菱形圖案構(gòu)成的；在b-b線上兩只光柵柵線相互交疊，相互遮擋縫隙，光線不能透過形成暗帶。這種亮帶和暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。由于莫爾條紋的方向

5、與柵線方向近似垂直，因此該莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。莫爾條紋原理如圖7.3所示。第7章光柵傳感器 圖7.3莫爾條紋原理第7章光柵傳感器 7.1.3莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)1. 位移放大作用位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角的關(guān)系為令k為放大系數(shù)，則(7.1)(7.2)第7章光柵傳感器 2. 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的關(guān)系運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的關(guān)系由圖7.1知，若光柵柵距為w，刻線數(shù)為i，移動(dòng)距離為x，則x=i w(7.3)將式(7.3)代入式(7.1)中，有當(dāng)i和一定時(shí)，B與移動(dòng)距離x成正比。(7.4)第7章光柵傳感器 3. 誤差減小作用誤差減小作用光柵在制作過程中必然會(huì)引入刻劃誤差。光電元件獲取

6、的莫爾條紋是指示光柵覆蓋區(qū)域刻線的綜合結(jié)果，對(duì)刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周期誤差的影響。這是光柵傳感器精度高的一個(gè)重要原因?？虅澱`差是隨機(jī)誤差。設(shè)單個(gè)柵距誤差為，形成的莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條刻線，則綜合誤差為(7.5)第7章光柵傳感器 7.2光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理7.2.1光電轉(zhuǎn)換原理光電轉(zhuǎn)換原理光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由光源1、聚光鏡2、光柵主尺3、指示光柵4和光電元件5組成，如圖7.4(a)所示。當(dāng)兩塊光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光電元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化，如圖7.4(b)所示。在a處，兩光柵刻線不重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號(hào)

7、也最大；在c處，光被遮去一半，光強(qiáng)減??；在b處，光全被遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。若光柵繼續(xù)移動(dòng)，則透射到光電元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，因而形成圖7.4(c)所示的輸出波形。第7章光柵傳感器 圖7.4光電轉(zhuǎn)換第7章光柵傳感器 7.2.2莫爾條紋測(cè)量位移的原理莫爾條紋測(cè)量位移的原理當(dāng)光電元件5接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距w時(shí)，電信號(hào)變化了一個(gè)周期。這樣，光電信號(hào)的輸出電壓U可以用光柵位移x的正弦函數(shù)來表示，光電元件輸出的波形為由式(7.6)可知，利用光柵可以測(cè)量位移量x的值。(7.6)第7章光柵傳感器 7.2.3辨向原理辨向原理位移測(cè)量傳感器如

8、果不能辨向，則只能作為增量式傳感器使用。為辨別主光柵的移動(dòng)方向，需要有兩個(gè)具有相差的莫爾條紋信號(hào)同時(shí)輸入來辨別移動(dòng)方向，且這兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差90相位。實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔B4條紋間隔的位置上安裝兩個(gè)光電元件，當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)兩個(gè)狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差2，滯后還是超前完全取決于光柵的運(yùn)動(dòng)方向。這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的方法稱為位置細(xì)分辨向原理。辨向原理如圖7.5所示。第7章光柵傳感器 圖7.5辨向原理第7章光柵傳感器 AB與CD兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差2，所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必然相差2。AB為主信號(hào)，CD為門控信號(hào)。當(dāng)主光柵作正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，CD產(chǎn)生的信號(hào)只允許AB產(chǎn)生的正脈沖通過，門

9、電路在可逆計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算；當(dāng)主光柵作反方向移動(dòng)時(shí)，CD產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過，門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。這樣就完成了辨向過程。圖7.6為辨向原理電路框圖。第7章光柵傳感器 圖7.6辨向原理電路框圖第7章光柵傳感器 7.3莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù)7.3.1細(xì)分方法細(xì)分方法目前使用的細(xì)分方法有以下幾種：(1) 增加光柵的刻線密度。(2) 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行電子插值，把一個(gè)周期變化的莫爾條紋信號(hào)再細(xì)分，即增大一個(gè)周期的脈沖數(shù)，這種方法稱為倍頻法。電子細(xì)分又可分為直接細(xì)分、電橋細(xì)分、示波管細(xì)分和鎖相細(xì)分等。(3) 機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。第7章光柵傳感器 7.3.2光電元件直接細(xì)分

10、光電元件直接細(xì)分在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件(如圖7.4 (c)所示)，得到相位分別相差2的四個(gè)正弦周期信號(hào)(如圖7.7所示)。用適當(dāng)?shù)碾娐诽幚磉@一列信號(hào)，由圖7.8(a)可知，AB和CD兩光電元件輸出的U1和U2經(jīng)方波發(fā)生器后變成方波，并相差2。在1、3點(diǎn)的方波經(jīng)倒相器倒相一次，便得到2、4點(diǎn)的兩個(gè)方波的倒相電壓。將它們分別微分后獲得5、6、7、8四點(diǎn)的正脈沖，同時(shí)送到與非門得到9點(diǎn)的12個(gè)輸出脈沖為原來任意一路的四倍，實(shí)現(xiàn)了四倍頻細(xì)分，如圖7.8(b)所示。第7章光柵傳感器 圖7.7四路電信號(hào)波形第7章光柵傳感器 圖7.8四倍頻細(xì)分第7章光柵傳感器 7.3.3CCD直接細(xì)分直接

11、細(xì)分1. 細(xì)分原理細(xì)分原理CCD直接細(xì)分的原理是：利用線陣CCD上數(shù)千個(gè)等間距的像素所構(gòu)成的“感光尺”對(duì)整柵距的位移信號(hào)，即周期性的交點(diǎn)移動(dòng)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，使測(cè)量信號(hào)能夠反映一個(gè)柵距內(nèi)的精確位移。細(xì)分的具體方法如下：在均勻的背景光照明下，光柵刻線在CCD像素位置上形成明暗相間的像，如圖7.9(a)所示。CCD在掃描驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下對(duì)一維視場(chǎng)進(jìn)行掃描，輸出一個(gè)周期性的脈沖序列。周期內(nèi)的脈沖數(shù)等于像素?cái)?shù)，脈沖幅值反映了像點(diǎn)的亮度，從脈沖序列中可以明顯地辨認(rèn)出交點(diǎn)的位置(暗點(diǎn))(如圖7.9第7章光柵傳感器 (b)所示)。對(duì)脈沖進(jìn)行限幅比較，并配以簡(jiǎn)單的邏輯電路即可篩選出從掃描原點(diǎn)到第一個(gè)交點(diǎn)之間的脈沖

12、，如圖7.9(c)所示。當(dāng)刻線與CCD像場(chǎng)的交點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，亮點(diǎn)臨界脈沖的位置也相應(yīng)地改變。用計(jì)數(shù)器記下從掃描原點(diǎn)到臨界脈沖間的脈沖數(shù)，即可確定光柵在一個(gè)柵距間的位移。在沒有軟件細(xì)分的情況下，離散信號(hào)定位精度不會(huì)高于CCD的物理分辨率，所以，以掃描脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖已經(jīng)足夠，提高計(jì)數(shù)頻率也不會(huì)有所改善。將計(jì)數(shù)脈沖與掃描脈沖合二為一可大大簡(jiǎn)化后續(xù)電路。當(dāng)光柵位移大于一個(gè)柵距時(shí)，交點(diǎn)的位置發(fā)生突變，此時(shí)從掃描原點(diǎn)到臨界脈沖之間的脈沖數(shù)也會(huì)發(fā)生突變。通過計(jì)算機(jī)記下突變的次數(shù)以及變化的正負(fù)方向，第7章光柵傳感器 再經(jīng)過累加計(jì)算即可獲得大于一個(gè)柵距的位移。這種累計(jì)方法記錄了每個(gè)柵距間的絕對(duì)距離，所以可以排除因

13、光柵刻線粗細(xì)、間距不均勻而造成的測(cè)量誤差。與電路細(xì)分的柵式測(cè)量一樣，直接細(xì)分法的測(cè)量也分為絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量兩部分。一個(gè)柵距內(nèi)的絕對(duì)測(cè)量由CCD直接完成，柵線的計(jì)數(shù)和辨向則由計(jì)算機(jī)軟件完成。兩部分?jǐn)?shù)據(jù)整合后得出光柵的絕對(duì)位移。在測(cè)量過程中，CCD保持與光柵刻線的夾角不變，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)CCD進(jìn)行循環(huán)采樣，經(jīng)過臨界比較篩選后的脈沖不斷地刷新計(jì)數(shù)器。以上的測(cè)量周期由硬件自動(dòng)完成，以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。測(cè)量軟件通過查詢方式對(duì)計(jì)數(shù)器讀數(shù)，獲取位移信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，從而得到最終測(cè)量結(jié)果。第7章光柵傳感器 圖7.9CCD直接細(xì)分第7章光柵傳感器 2. 細(xì)分精度細(xì)分精度這種細(xì)分方法的分辨率取決于兩交點(diǎn)

14、像之間所包含的像素?cái)?shù)，其精度取決于像素的尺寸精度以及各像素光電特性的一致性。由于CCD是采用蝕刻方法制作的集成電路，各像素尺寸和光電特性都較均一，所以采用CCD直接細(xì)分法時(shí)其精度可以做到與其分辨率在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果采用軟件擬合方法， 則精度還可以進(jìn)一步提高。由于線陣CCD與標(biāo)尺光柵刻線也有一個(gè)角，投影在CCD視場(chǎng)中的交點(diǎn)數(shù)就等于以前的莫爾條紋數(shù)，因此改變角的大小就可以改變視場(chǎng)中交點(diǎn)的個(gè)數(shù)，從而改變直接細(xì)分的分辨率。第7章光柵傳感器 CCD直接細(xì)分光柵的分辨率由式(7.7)決定：計(jì)量光柵的柵距為w=0.01 mm，線陣CCD像素?cái)?shù)可以做到P=5000個(gè)。設(shè)在視場(chǎng)中有兩個(gè)交點(diǎn)的像，此時(shí)q=2，由

15、公式(7.7)可知分辨率可達(dá)到4 nm。當(dāng)采用CCD光柵柵距直接細(xì)分法時(shí)，CCD輸出的圖像信號(hào)經(jīng)處理后為一系列代表光柵柵線相對(duì)位置的周期性脈沖序列(見圖7.9(d)。設(shè)每一個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)為n，則位移x與輸出信號(hào)n的關(guān)系為x=NNMS=nS(7.7)第7章光柵傳感器 7.3.4光柵傳感器的誤差光柵傳感器的誤差單件光柵的誤差是由刻劃工藝和刻劃設(shè)備決定的。計(jì)量光柵大多數(shù)在構(gòu)成莫爾條紋的情況下使用。莫爾條紋的平均誤差作用使局部刻劃誤差的影響大大減小。設(shè)光電接收元件所覆蓋的光柵刻線總數(shù)為N，單個(gè)柵距誤差為，則可利用式(7.3)粗略地描述平均誤差與單個(gè)柵距誤差之間的關(guān)系。因?yàn)槌Ｓ脰啪鄔為0.050.01

16、 mm，若取光電池尺寸為10 mm，則第7章光柵傳感器 平均誤差為所以，其平均誤差很小。實(shí)際上莫爾條紋變化一周，只移動(dòng)一個(gè)柵距，也就是在2001000條刻線中只改變了一條刻線，因此單個(gè)柵距誤差的影響實(shí)際上比式(7.3)的還小。長光柵柵距誤差的一般水平為微米(m)數(shù)量級(jí)，圓光柵為秒()數(shù)量級(jí)。第7章光柵傳感器 7.4常用光學(xué)系統(tǒng)常用光學(xué)系統(tǒng)7.4.1透射直讀式光路透射直讀式光路將圖7.4中光電元件5采用四極硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件，就構(gòu)成四細(xì)分直讀式分光系統(tǒng)。把形成的橫向莫爾條紋寬度B調(diào)整到等于四極硅光電池的寬度S(見圖7.4(c)，這樣莫爾條紋變化一個(gè)條紋寬度B，四極硅光電池依次輸出四路相位相

17、差2的電信號(hào)(如圖7.7所示的波形)，四路電信號(hào)相當(dāng)于對(duì)莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行四細(xì)分。這種光路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，目前廣泛應(yīng)用于粗柵距的黑白透射光柵傳感器中。第7章光柵傳感器 7.4.2反射直讀式光路反射直讀式光路反射直讀式光路如圖7.10所示。光源1經(jīng)聚光鏡2成平行光束，并以一定角度通過場(chǎng)鏡3射向指示光柵4，莫爾條紋是金屬制成的標(biāo)尺光柵5反射回來的光線與指示光柵4相互作用形成的，由光電元件6接收莫爾條紋并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種光路常用于黑白反射光柵傳感器中。第7章光柵傳感器 圖7.10反射直讀式光路第7章光柵傳感器 7.4.3反射積分式光路反射積分式光路反射積分式光路如圖7.11所示。圖中，只用一只閃耀光柵作主光柵，沒有指示光柵。光源1發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2變成平行光束垂直入射到分光鏡3上，經(jīng)過半透分光面時(shí)被分成CD、CE兩束光，并垂直射到具有等腰三角形柵線的閃耀光柵4上A、B兩點(diǎn)的線槽面，此時(shí)最大強(qiáng)度的衍射光將沿原路反射回分光鏡3，在分光面處相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，其干涉條紋經(jīng)透鏡5由光電元件6接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種光學(xué)系統(tǒng)具有光學(xué)四細(xì)分