光柵傳感器的辨向

光柵數(shù)字傳感器2023/2/3一、光柵的結(jié)構(gòu)和分類1.光柵的結(jié)構(gòu)

光柵是在一塊長(zhǎng)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，形成透光與不透光相間排列的光電器件。柵線——光柵上的刻線，寬度a

縫隙寬度b

柵距w=a+b（也稱光柵常數(shù)）2023/2/32、分類按原理和用途：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(zhǎng)等量的測(cè)量。計(jì)量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。2023/2/32、分類按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金屬）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按柵線形式：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光柵）黑白光柵：利用照相復(fù)制工藝加工而成,其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀,常用刻劃工藝加工而成。2023/2/32、分類按應(yīng)用類型：長(zhǎng)光柵和圓光柵長(zhǎng)光柵：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(cè)量長(zhǎng)度或線位移2023/2/3構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動(dòng)光柵長(zhǎng)度---測(cè)量范圍；刻線密度---測(cè)量精度(10、25、50、100、125線/mm)2023/2/3

圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來(lái)測(cè)量角度或角位移.2023/2/3柵距柵線寬度縫隙寬度柵距角2023/2/3圓光柵分類：根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分三種：

徑向光柵:其柵線的延長(zhǎng)線全部通過(guò)光柵盤的圓心；切向光柵:其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個(gè)毫米的小圓相切;

環(huán)形光柵:一簇等間距同心圓組成.若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。2023/2/32023/2/33.莫爾條紋1).莫爾條紋的形成

如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且指示光柵和主光柵的刻線相交一個(gè)微小的夾角θ時(shí),光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成暗帶，而在刻線彼此錯(cuò)開(kāi)處形成亮帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，d－d線區(qū)所示。長(zhǎng)光柵莫爾條紋主光柵指示光柵2023/2/3

長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋2023/2/3橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角θ很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋?？v向莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角θ＝0，且兩光柵柵距不等時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋。光閘莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角θ＝0,且兩光柵柵距相等時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋。2023/2/3橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋縱向莫爾條紋當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度B。2)莫爾條紋的特征①、位移放大作用2023/2/32)莫爾條紋的特征①、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θ的關(guān)系為：2023/2/3結(jié)論：

θ越小,k越大，B越大。例如：θ=0.1°，W=0.02mm時(shí)

θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad

則：B=11.4592mm。莫爾條紋間距放大了光柵間距，令k為放大系數(shù)，則：

θ越小，B越大，這相當(dāng)于把柵距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度B是柵距W的573倍，這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說(shuō)明光柵具有位移放大作用，從而提高了測(cè)量的靈敏度。2023/2/3②、運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)特性判別光柵的運(yùn)動(dòng)特性光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間隔；光柵改變運(yùn)動(dòng)方向，莫爾條紋隨之改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)移動(dòng)的刻線數(shù)i和角度θ一定時(shí)，莫爾條紋間距B與移動(dòng)距離x成正比，即：

2023/2/3

③誤差的平均效應(yīng)光電元件對(duì)光柵的柵距誤差具有平均消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對(duì)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

莫爾條紋（Moire）

條紋寬度：

W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b

，a=b=W/2

特例：當(dāng)=0,w1=w2

→B=→光閘莫爾條紋當(dāng)=0,w1≠w2

→縱向莫爾條紋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(dòng)播放中……圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示播放動(dòng)畫莫爾條紋動(dòng)畫光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放中……環(huán)形莫爾條紋播放動(dòng)畫播放中……單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾條紋播放動(dòng)畫長(zhǎng)光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫長(zhǎng)光柵光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫(1)莫爾條紋的移動(dòng)方向：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)。查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。(2)位移的放大作用：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B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：結(jié)論：莫爾條紋測(cè)位移具有三個(gè)特點(diǎn)條紋間距與柵距的關(guān)系為：

當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。這樣，可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵的位移。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。(3)

誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用

分辨力=W=1/50=0.02mm=20m

放大倍數(shù)≈1/θ=1/(1.8×3.14/180)≈31.83

莫爾條紋的寬度L=W/θ≈0.637mm

例：一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角β=1.8，分辨力、放大倍數(shù)、莫爾條紋的寬度分別為多少？2023/2/3光柵傳感器由主光柵、指示光柵、光源和光電器件組成。工作原理：

利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量的測(cè)量：光柵的相對(duì)移動(dòng)使透射光強(qiáng)度呈周期性變化，光電元件把這種光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?hào)，由電信號(hào)的變化即可獲得光柵的相對(duì)移動(dòng)量。二、

光柵傳感器的工作原理2023/2/3特點(diǎn)：

數(shù)字式傳感器：能把被測(cè)的模擬量直接轉(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強(qiáng),穩(wěn)定性強(qiáng);易于微機(jī)接口,便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。二、

光柵傳感器的工作原理透鏡光柵副光電元件光源1、裝置結(jié)構(gòu)2023/2/31、光電轉(zhuǎn)換原理

1－光源；2－聚光鏡；3－光柵主尺；4－指示光柵；5－光敏元件；6－莫爾條紋；7－光強(qiáng)分布2023/2/3主光柵固定在被測(cè)物體上，它隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移。用光電器件記錄莫爾條紋通過(guò)某點(diǎn)的數(shù)目，可知主光柵移動(dòng)的距離，也就測(cè)得了被測(cè)物體的位移量。W條紋間距W條紋間距光電元件W如何測(cè)量微小位移量？

光電元件光電元件感受的光強(qiáng)變化是否明顯？

2023/2/3傳感器原理及應(yīng)用1、光閘莫爾條紋光電轉(zhuǎn)換原理理想情況：三角形莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶。從圖中可看出，兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗，再到最暗的漸變過(guò)程。主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系2023/2/32、光閘莫爾條紋測(cè)量位移原理當(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)則變化了一個(gè)周期。光電元件輸出波形為：直流分量交流分量光柵相對(duì)位移量2023/2/3

當(dāng)波形重復(fù)到原來(lái)的相位和幅值時(shí),相當(dāng)于光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距w,如果光柵相對(duì)位移了N個(gè)柵距,此時(shí)位移x=NW。因此,只要能記錄移動(dòng)過(guò)的莫爾條紋數(shù)N,就可以知道光柵的位移量x值。這就是利用光閘莫爾條紋測(cè)量位移的原理。2023/2/3三、辨向原理及辨向電路1、辨向的原因當(dāng)指示光柵無(wú)論向前或向后移動(dòng)時(shí)，在一固定點(diǎn)安裝的光電元件只能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)生同樣的計(jì)數(shù)脈沖，從而無(wú)法辨別光柵移動(dòng)的方向，也不能正確測(cè)量出有往復(fù)移動(dòng)時(shí)位移的大小。因而必須在測(cè)量電路中加入辨向電路。2023/2/32、辨向原理與辨向電路

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(lái)辨別移動(dòng)方向,且兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差90°相位。實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔B/4條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件,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π/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。2023/2/3圖7.5辨向原理Lu1u2L/41、2－光電元件；3－指示光柵；4－莫爾條紋；

A－光柵移動(dòng)方向；B－莫爾條紋移動(dòng)方向；

U01－元件AB(1)對(duì)應(yīng)的輸出電壓；

U02－元件CD(2)對(duì)應(yīng)的輸出電壓；u1u2微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖整形放大整形放大u1u2u1'u2'2023/2/3AB與CD兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差π/2,所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必是相差π/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(guò),門電路在可逆計(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),則CD產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過(guò),門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。2023/2/3U1和U2經(jīng)過(guò)整形后得兩個(gè)方波信號(hào)U1ˊ和U2ˊ。

U1ˊ產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，U2ˊ的電平狀態(tài)作為與門的控制信號(hào),來(lái)控制在不同的移動(dòng)方向時(shí),U1ˊ所產(chǎn)生的脈沖輸出路線。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確的給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖,再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器,實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。

整形放大u1u2u2'u1'微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖u1'u1f'u1f'正向移動(dòng)時(shí)u1整形放大u2'u2整形放大u1u2u2'u1'微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖u1'u1f'u1f'u1整形放大u2'u2正向移動(dòng)時(shí)u1u2u2'u1f'u1'整形放大微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖u1'u1f'u1整形放大u2'u2反向移動(dòng)時(shí)微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖整形放大整形放大u1u2u1'u2'2023/2/3當(dāng)光柵沿A向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋向B向移動(dòng)。U2超前U190°。U1ˊ經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖（如圖中實(shí)線所示）正好發(fā)生在U2ˊ的“1”電平時(shí),從而經(jīng)Y1輸出一個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖;而U1ˊ經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖（如圖中虛線所示）則與U2ˊ的“0”電平相遇,與門Y2被阻塞,無(wú)脈沖輸出。當(dāng)光柵沿A反方向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋向B反向移動(dòng)。U1超前U290°。U1ˊ的微分脈沖發(fā)生在U2ˊ為“0”電平時(shí),與門Y1無(wú)脈沖輸出;而U1ˊ的反相微分脈沖則發(fā)生在U2ˊ的“1”電平時(shí),與門Y2輸出一個(gè)減計(jì)數(shù)脈沖。2023/2/3四、

莫爾條紋細(xì)分技術(shù)目的：提高分辨力（測(cè)量更小的位移量）。細(xì)分方法：

1.增加光柵刻線密度；

2.電子細(xì)分；

3.機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。2023/2/3電子細(xì)分：在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號(hào)變化周期內(nèi),發(fā)出n個(gè)脈沖,每個(gè)脈沖代表原來(lái)柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍,因此也稱之為n倍頻法。通常采用的電子細(xì)分方法有：四倍頻細(xì)分和電橋細(xì)分等。2023/2/31.四倍頻細(xì)分方案：在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，得到四個(gè)相差依次為π/2的電壓信號(hào)；或在相差B/4位置上安放兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相差π/2電壓信號(hào)，將這兩個(gè)信號(hào)整形、反相后得到四個(gè)依次相差π/2的電壓信號(hào)。

在光柵作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)微分電路，在正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到四個(gè)微分脈沖（加計(jì)數(shù)脈沖）；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到四個(gè)微分脈沖（減計(jì)數(shù)脈沖）。采用電路的手段對(duì)周期性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值，以提高分辨率。u1'L用鑒頻器鑒取四個(gè)信號(hào)的零電平，當(dāng)每個(gè)信號(hào)從負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖L2023/2/3相距B/4放置四個(gè)光電元件

2023/2/3五、

光柵傳感器的光學(xué)系統(tǒng)組成：光源、透鏡、光柵、光敏元件光源：白熾燈或其它發(fā)光元件；透鏡：把光線變成平行光束照射在光尺上；光敏元件：輸出電壓信號(hào)；形式：透射直讀式、反射直讀式、反射積分式等尺身尺身安裝孔