光柵傳感器與光電編碼器

1、光柵式傳感器光柵式傳感器|基本工作原理和計(jì)量光柵的種類基本工作原理和計(jì)量光柵的種類|莫爾條紋莫爾條紋|辨向原理及細(xì)分電路辨向原理及細(xì)分電路基本工作原理和計(jì)量光柵的種類基本工作原理和計(jì)量光柵的種類一、基本工作原理一、基本工作原理 光柵柵線放大圖光柵柵線放大圖二、光柵的種類：二、光柵的種類： 光柵的種類很多，若光柵的種類很多，若按工作原理分，有物理光柵和計(jì)量光柵按工作原理分，有物理光柵和計(jì)量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者主要用于精密測(cè)量和精密機(jī)械的自后者主要用于精密測(cè)量和精密機(jī)械的自動(dòng)控制中。動(dòng)控制中。而計(jì)量光柵按其用途可分為長(zhǎng)光柵和圓而計(jì)量光柵按

2、其用途可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類。光柵兩類。計(jì)量光柵的分類黑白透射長(zhǎng)光柵光柵傳感器的構(gòu)成原理圖莫爾條紋莫爾條紋橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋 相鄰的兩明暗條紋之間的距離相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫稱為莫爾條紋間距。爾條紋間距。 長(zhǎng)光柵橫向模爾條紋 從圖中不難看出。當(dāng)從圖中不難看出。當(dāng)光柵副光柵副間的夾角間的夾角很小，且兩光柵的柵距相等，都為很小，且兩光柵的柵距相等，都為W時(shí)，莫時(shí)，莫爾條紋間距爾條紋間距B為為: 由于由于值很小，條紋近似與柵線的方向值很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋。當(dāng)垂直，故稱為橫向莫爾條紋。當(dāng)0、B時(shí)，莫爾條紋隨著主光柵明暗交替變化。時(shí)，莫爾條紋隨著主光柵明

3、暗交替變化。這時(shí)的指示光柵相當(dāng)于一個(gè)閘門的作用，故這時(shí)的指示光柵相當(dāng)于一個(gè)閘門的作用，故將這種條紋稱為將這種條紋稱為光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋。 WWB 2sin2橫向莫爾條紋重要特性橫向莫爾條紋重要特性:莫爾條紋運(yùn)動(dòng)與光柵運(yùn)動(dòng)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系莫爾條紋運(yùn)動(dòng)與光柵運(yùn)動(dòng)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系莫爾條紋具有位移放大作用莫爾條紋具有位移放大作用 莫爾條紋具有平均光柵誤差作用莫爾條紋具有平均光柵誤差作用辨向原理和細(xì)分電路辨向原理和細(xì)分電路 一、辨向原理一、辨向原理 在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是單向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向往不是單向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。

4、單個(gè)光電元件接收一固定的莫爾條紋信運(yùn)動(dòng)。單個(gè)光電元件接收一固定的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別光柵的運(yùn)動(dòng)方向，的移動(dòng)方向，因而就不能判別光柵的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測(cè)量位移。如果能夠在物體正向以致不能正確測(cè)量位移。如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，并將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)，并將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所移動(dòng)時(shí)就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測(cè)量結(jié)果。得的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測(cè)量結(jié)果。完成這樣一個(gè)辨向任務(wù)的電路就是辨向電路。完

5、成這樣一個(gè)辨向任務(wù)的電路就是辨向電路。 e c d f g b a 位 移x 輸 出 電 壓u 光 柵 位 移 與 光 強(qiáng) 、 輸 出 電 壓 的 關(guān) 系 )22sin(0WxUUum 用正弦函數(shù)表示為：用正弦函數(shù)表示為： 式中，式中，u為光電元件輸出電壓，為光電元件輸出電壓，U0為輸為輸出信號(hào)中的平均直流分量，出信號(hào)中的平均直流分量，Um為輸出信號(hào)中為輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值。正弦交流分量的幅值。 B 3600 0 USCA USCB 4 3 2 1 光 柵 信 號(hào) 的 實(shí) 際 輸 出 電 路 辨向電路原理框圖辨向電路原理框圖sin cos A A B Y1=*B Y2=*B 取樣 整形

6、 微分 Y1 取樣 整形 反相 微分 Y2 Y1： “加脈沖” ，當(dāng)光柵正向移動(dòng)時(shí)輸出脈沖信號(hào)。此時(shí)Y2門堵塞。 Y2： “減脈沖” ，當(dāng)光柵反向移動(dòng)時(shí)輸出脈沖信號(hào)。此時(shí)Y1門堵塞。 光柵移動(dòng)時(shí)辨向電路各點(diǎn)波形光柵移動(dòng)時(shí)辨向電路各點(diǎn)波形sin co s sin -co s A A A A B B Y1 Y2 Y2 Y1 a )正 向 移 動(dòng) b )反 向 移 動(dòng) 依次相距依次相距B4的位置安放四個(gè)光電元件的位置安放四個(gè)光電元件辨向原理和細(xì)分電路辨向原理和細(xì)分電路 二、細(xì)分電路二、細(xì)分電路 以移動(dòng)過(guò)的莫爾條紋數(shù)量來(lái)確定位移以移動(dòng)過(guò)的莫爾條紋數(shù)量來(lái)確定位移量，能測(cè)量的最小位移量就是光柵柵距。量，能

7、測(cè)量的最小位移量就是光柵柵距。為了提高分辨率，以測(cè)量小于柵距的位為了提高分辨率，以測(cè)量小于柵距的位移量，應(yīng)采用細(xì)分技術(shù)。光柵信號(hào)細(xì)分移量，應(yīng)采用細(xì)分技術(shù)。光柵信號(hào)細(xì)分技術(shù)主要有光學(xué)細(xì)分、電子細(xì)分和微機(jī)技術(shù)主要有光學(xué)細(xì)分、電子細(xì)分和微機(jī)軟件細(xì)分方式。軟件細(xì)分方式。 光學(xué)細(xì)分由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、光學(xué)細(xì)分由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、成本高等原因，已很少使用。而電子細(xì)分成本高等原因，已很少使用。而電子細(xì)分的原理是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，的原理是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量。如一發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量。如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，就可使分辨率為原個(gè)

8、脈沖，就可使分辨率為原來(lái)的來(lái)的n倍，每個(gè)脈沖當(dāng)量相當(dāng)于原來(lái)柵距的倍，每個(gè)脈沖當(dāng)量相當(dāng)于原來(lái)柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率為原來(lái)的。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率為原來(lái)的n倍，倍，所以也稱為所以也稱為n倍頻。倍頻。 細(xì)分與未細(xì)分的比較細(xì)分與未細(xì)分的比較注意： 在電子細(xì)分技術(shù)中，常采用四倍頻細(xì)分法，這種細(xì)分法也是許多其他細(xì)分法的基礎(chǔ)。 四倍頻細(xì)分電路四倍頻細(xì)分電路電阻橋細(xì)分電路電阻橋細(xì)分電路 電子細(xì)分不可能得到高的細(xì)分?jǐn)?shù)，且細(xì)分?jǐn)?shù)是固定的，所以現(xiàn)在大多數(shù)光柵數(shù)顯表都采用了微機(jī)軟件細(xì)分法。 計(jì)算機(jī)軟件細(xì)分 光柵信號(hào)的計(jì)算機(jī)軟件細(xì)分技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛、也比較成熟的細(xì)分技術(shù)。 軟件細(xì)分法一般是： 將二

9、個(gè)相差/2的信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入微機(jī)，再利用一定的算法計(jì)算出莫爾信號(hào)的相位，即可推算出此時(shí)莫爾條紋內(nèi)的位置點(diǎn)，得到小于柵距的細(xì)分值，又稱小數(shù)。 通過(guò)辨向電路輸出的為大數(shù)脈沖，脈沖頻率對(duì)應(yīng)于莫爾條紋變化頻率，脈沖當(dāng)量為光柵柵距值。 大數(shù)計(jì)數(shù)、 辯向電路 A/D轉(zhuǎn)換、 采樣/保持電路 sin cos 大、小數(shù) 合并 細(xì)分程序 （計(jì)算） 顯示測(cè)量值 大數(shù)脈沖 （主脈沖） 方向信號(hào) 計(jì)算結(jié)果 （細(xì)分值） 光柵信號(hào)微機(jī)軟件細(xì)分原理圖 經(jīng)過(guò)大小數(shù)合并處理后，再由微機(jī)進(jìn)經(jīng)過(guò)大小數(shù)合并處理后，再由微機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和碼制轉(zhuǎn)換等處理，即可得到行數(shù)值計(jì)算和碼制轉(zhuǎn)換等處理，即可得到測(cè)量值。測(cè)量值。 采用微機(jī)軟件細(xì)分

10、方法，不但可以得采用微機(jī)軟件細(xì)分方法，不但可以得到高細(xì)分?jǐn)?shù)，而且可以通過(guò)編程改變細(xì)分到高細(xì)分?jǐn)?shù)，而且可以通過(guò)編程改變細(xì)分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，非常數(shù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，非常適用于智能檢測(cè)與控制等系統(tǒng)。適用于智能檢測(cè)與控制等系統(tǒng)。 光電編碼器編碼器概述編碼器概述- -編碼器是將位移量轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式輸出編碼器是將位移量轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式輸出的傳感器，這類傳感器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)的傳感器，這類傳感器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式有形式有直線式編碼器直線式編碼器和和旋轉(zhuǎn)式編碼器旋轉(zhuǎn)式編碼器，直線式，直線式編碼器又稱為編碼尺，旋轉(zhuǎn)式編碼器又稱為編編碼器又稱為編碼尺，旋轉(zhuǎn)式編碼器又

11、稱為編碼盤。編碼尺和編碼盤可以分別用于直線位移碼盤。編碼尺和編碼盤可以分別用于直線位移和角位移的測(cè)量，但由于許多直線位移是通過(guò)和角位移的測(cè)量，但由于許多直線位移是通過(guò)轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更為廣泛。編碼器以其高精度、高分辨率和高可為廣泛。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測(cè)量?？啃远鴱V泛用于各種位移測(cè)量。 光電式編碼器具有非接觸、體積小、光電式編碼器具有非接觸、體積小、分辨率高的特點(diǎn)，作為精密位移傳感器分辨率高的特點(diǎn)，作為精密位移傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，為科學(xué)

12、研究、軍事、航天和泛的應(yīng)用，為科學(xué)研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對(duì)位移量進(jìn)行精密檢測(cè)工業(yè)生產(chǎn)提供了對(duì)位移量進(jìn)行精密檢測(cè)的手段。的手段。 光電式編碼器光電式編碼器 光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤碼圓盤(碼盤碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。源和光敏元件等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。 旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器的輸出是一絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行系列脈沖，需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈

13、沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)才能完成角位移測(cè)量。絕對(duì)式編碼位基準(zhǔn)才能完成角位移測(cè)量。絕對(duì)式編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定的數(shù)字位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定的數(shù)字碼輸出。碼輸出。 碼盤一般由光學(xué)玻璃制成，上面刻有許多同碼盤一般由光學(xué)玻璃制成，上面刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盤構(gòu)造如圖所和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盤構(gòu)造如圖所示，這是一個(gè)示，這是一個(gè)6位的二進(jìn)制碼盤。位

14、的二進(jìn)制碼盤。 當(dāng)光源將光投射在轉(zhuǎn)動(dòng)的碼盤上時(shí)，當(dāng)光源將光投射在轉(zhuǎn)動(dòng)的碼盤上時(shí)，光線透過(guò)亮區(qū)和狹縫后，由光敏元件所接光線透過(guò)亮區(qū)和狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，對(duì)收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)，應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)，前者有光照或光照為強(qiáng)，數(shù)碼輸出為前者有光照或光照為強(qiáng)，數(shù)碼輸出為“1”，后者無(wú)光照或光照為弱，數(shù)碼輸出為后者無(wú)光照或光照為弱，數(shù)碼輸出為“0”。所以，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)至不同的位置時(shí)，光敏所以，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)至不同的位置時(shí)，光敏元件輸出信號(hào)的組合將反映出按一定規(guī)律元件輸出信號(hào)的組合將反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代

15、表了碼盤軸的角位移大編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。小。 實(shí)際應(yīng)用中，較少采用二進(jìn)制編碼器，實(shí)際應(yīng)用中，較少采用二進(jìn)制編碼器，因?yàn)檫@種傳感器的任何微小的制作誤差都可因?yàn)檫@種傳感器的任何微小的制作誤差都可能引起讀數(shù)的能引起讀數(shù)的粗誤差粗誤差。 主要是當(dāng)二進(jìn)制碼在某一較高的數(shù)碼改主要是當(dāng)二進(jìn)制碼在某一較高的數(shù)碼改變時(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼需要同時(shí)改變，變時(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼需要同時(shí)改變，即造成編碼在一些位置的變化時(shí)光電接收元即造成編碼在一些位置的變化時(shí)光電接收元件輸出信號(hào)發(fā)生件輸出信號(hào)發(fā)生陡變陡變。如果由于刻劃誤差等。如果由于刻劃誤差等原因，使得某一較高位提前或延后改變，就原因，使得某

16、一較高位提前或延后改變，就會(huì)造成會(huì)造成粗誤差粗誤差。 為了清除粗誤差，可采用相鄰位置的為了清除粗誤差，可采用相鄰位置的編碼無(wú)陡變的形式。常用循環(huán)碼來(lái)代替二編碼無(wú)陡變的形式。常用循環(huán)碼來(lái)代替二進(jìn)制碼，如圖所示為一個(gè)進(jìn)制碼，如圖所示為一個(gè)6位的循環(huán)碼碼盤。位的循環(huán)碼碼盤。 十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制循環(huán)碼十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000 循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，這給譯碼造成一循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，這給譯碼造成一定困難。通常先將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼然后定困難。通