傳感器技術基礎4.5光柵

1、傳感器技術基礎 梁 福 平1第4章 光電式傳感器原理與應用4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結構4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術的特點4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細分技術24.5.1 光柵傳感器的結構光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。 3光柵傳感器光源：鎢絲燈泡：輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。半導體發(fā)光器件:轉換效率高，響應特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結合，轉換效率最高可達30%左右。砷化鎵發(fā)

2、光二極管的脈沖響應速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。4光柵副：指示光柵主光柵 5什么是光柵在玻璃尺（或金屬尺）或玻璃盤上進行長刻線的密集刻劃，得到間隔很小的黑白相間的條紋，沒有刻劃的地方透光（或反光），刻劃的發(fā)黑處不透光（或不反光），這就是光柵，其中刻線稱為柵線。a 柵線的寬度 b 縫隙的寬度 W 光柵的柵距 6通常， 一般刻線密度為每毫米10,50,100線光電接收元件 包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉換效率。在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。74

3、.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結構4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術的特點4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細分技術89把兩塊柵距相等的光柵(光柵1、光柵2)面向對疊合在一起，中間留有很小的間隙,并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，如左圖所示，就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。在a - a線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶， 它是由一系列四棱形圖案構成的；在b - b線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應形

4、成的。當夾角減小時，條紋間距BH增大，反之條紋間距BH減小。4.5.2 莫爾條紋形成原理4.5.2 莫爾條紋形成原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)W與光柵夾角決定 104.5.3 莫爾條紋技術的特點 p129位移的放大作用調整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。例：當11若=0.1=0.00174532rad時，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的572.92倍。或 由 1/573可得， 這相當于把柵距放大了573倍。對應關系莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵的移動量、移動方向具有對應關系。光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤

5、差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。例如：設 ，接收元件為10 x10mm的硅光電池，則在接收范圍內將有500條柵線，由此，使得任意柵線的柵距誤差或瑕疵，對整個莫爾條紋的位置和形狀影響很小。莫爾條紋技術的特點 p12912 因此根據(jù)莫爾條紋移動就可以對光柵的運動進行辨別。 莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成，光柵的刻線非常密集，光電元件接收到的莫爾條紋所對應的明暗信號，是一個區(qū)域內許多刻線綜合的結果，因此對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結構4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術的特點4.5.4 光柵的光路

6、4.5.5 辨向原理4.5.6 細分技術134.5.4 光柵的光路透射光路反射光路 14（1）透射式光路1-光源2-準直透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件 此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。 特點：結構簡單，位置緊湊，調整使用方便，應用廣泛。15（2）反射式光路1反射主光柵2-指示光柵3-場鏡4-反射鏡5-聚光鏡6-光源7-物鏡8-光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。164.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結構4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術的特點4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細分技術17辨向原理單個光電元件可接收一固定點的莫爾條紋信號，

7、但只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移。如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結果。18辨向光路設置在相距1/4的BH位置上設置兩個光電元件1和2，以得到兩個相位互差90的正弦信號 19辨向電路正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。20辨向電路各點波形圖21u1超前u24.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結構4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術的特點4.

8、5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細分技術22細分技術提高分辨力方法：在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對柵距進行測微，電子學中稱“細分”，來得到所需的最小讀數(shù)值。細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當量提高分辨力。 23（1）直接細分直接細分又稱位置細分，常用的細分數(shù)為4。四細分可用4個依次相距1/4的BH的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內將產(chǎn)生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分。 優(yōu)點：對莫爾條紋信號波形要求不嚴格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)。缺點：光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。24未細分(a)與細分(b)的波形比較25（2）電阻電橋細分法（矢量和法）用此信號去觸發(fā)施密特電路 26電阻電橋細分法用于10細分 27（c）電阻鏈細分法（電阻