光柵位移傳感器

單元二.光柵位移傳感器

單元一.機械位移傳感器項目六、位移的檢測單元二.光柵位移傳感器單元目標(biāo)：通過光柵式位移傳感器的線位移的檢測應(yīng)用訓(xùn)練，達(dá)到了解常用光柵式傳感器檢測組件的外形和基本工作原理；熟悉工業(yè)常用的位移檢測方法；學(xué)會的光柵式位移傳感器檢測系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維修的目的。

任務(wù)一.認(rèn)識光柵傳感器活動1：了解光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和類型1.光柵傳感器的結(jié)構(gòu)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。

一.光柵式傳感器

---等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件物理光柵：計量光柵：利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測定波長利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測量精密位移長光柵---直線位移；圓光柵---角位移

構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)(1)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莫爾條紋特性：

方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時→與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距一方向?qū)?yīng)放大性：夾角θ很小→B>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度可調(diào)性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準(zhǔn)確性：大量刻線→誤差平均效應(yīng)→克服個別/局部誤差→提高精度(2)光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理按運動形式分：直線型---主光柵為直尺形→直線移動旋轉(zhuǎn)型---主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運動按光學(xué)形式分：透射式---光源與光電元件在兩側(cè)→透射光反射式---光源與光電元件同一側(cè)→反射光(3)圓光柵傳感器光柵---徑向光柵、切向光柵、環(huán)形光柵徑向圓光柵切向圓光柵①徑向光柵的圓弧形莫爾條紋兩塊徑向光柵

---柵距角相同/不大偏心量光柵不同區(qū)域，柵線交角不同---

圓弧形莫爾條紋（不同曲率半徑）條紋寬度---隨位置變化偏心垂直位置上---條紋近似垂直于柵線偏心方向上---條紋近似平行于柵線---橫向莫爾條紋---縱向莫爾條紋其他位置---斜向莫爾條紋實際應(yīng)用特例---光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）主光柵（一個柵距角）---透光量（一個周期）莫爾條紋---圓弧形、環(huán)形、輻射形②切向光柵的環(huán)形莫爾條紋兩塊切向光柵

---柵距角相同/切線圓半徑不同/同心疊合環(huán)形莫爾條紋---以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋寬度---隨條紋位置變化應(yīng)用：高精度角度測量和分度---全光柵平均效應(yīng)優(yōu)點：③環(huán)形光柵的輻射形莫爾條紋兩塊環(huán)形光柵（相同）---柵線相對/不大的偏心量輻射形莫爾條紋---條紋近似直線/呈輻射狀特點：條紋數(shù)目/位置---偏心量大小/

圓心連線方向光柵旋轉(zhuǎn)---條紋數(shù)目/位置（不變）偏心量（一個柵距）---莫爾條紋數(shù)目增加一條（一個象限內(nèi)）應(yīng)用：主軸偏移、晃動(4)光柵傳感器特點①精度高：測長±(0.2+2×10-6L)μm，測角±0.1″②量程大：透射式---光柵尺長（米），反射式---幾十米③響應(yīng)快：可用于動態(tài)測量④增量式：增量碼測量→計數(shù)斷電→數(shù)據(jù)消失⑤要求高：對環(huán)境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度⑥成本高：電路復(fù)雜二.激光干涉測量系統(tǒng)單頻激光干涉系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)---信噪比高，抗干擾能力強，大位移測量（200m以上）雙頻激光干涉測量系統(tǒng)三.激光測距系統(tǒng)3）激光三角法---大范圍遠(yuǎn)距離測距（幾千/幾十千米）1）脈沖測距法2）相位差測距法激光短脈沖信號（激光器被測目標(biāo)）測量精度：時間間隔測量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）遠(yuǎn)距離---固體/二氧化碳；近距離---半導(dǎo)體巨脈沖激光器---地球—月球距離（分辨力：1m）激光束調(diào)制---相位差---時間---距離距離特點：測量精度高、分辨力強原理：y=f(x)xyKeyence激光測距傳感器激光測距產(chǎn)品特點：

非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡單、測量距離大、抗干擾、測量點小（幾十微米）、測量準(zhǔn)確度高。精度：光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體的表面特征。應(yīng)用：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(zhuǎn)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(dǎo)體發(fā)光器件:

轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)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。

光柵副：指示光柵＋主光柵a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2光電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(zhuǎn)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。2.莫爾條紋形成的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)與光柵夾角決定3.莫爾條紋技術(shù)的特點（1）調(diào)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。（2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標(biāo)尺測量的主要差別。

徑向光柵進(jìn)行角度測量當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時，條紋即沿徑向移動，測出條紋移動數(shù)目，即可得到標(biāo)尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。4.光柵的光路透射光路反射光路

（1）透射式光路1-光源2-準(zhǔn)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(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。（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。5.辨向原理 單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，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(jié)果。辨向光路設(shè)置在相距的位置上設(shè)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。辨向電路各點波形圖6.細(xì)分技術(shù)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(jìn)行測微，電子學(xué)中稱“細(xì)分”，來得到所需的最小讀數(shù)值。細(xì)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(dāng)量提高分辨力。

（1）直接細(xì)分直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。四細(xì)分可用4個依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內(nèi)將產(chǎn)生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細(xì)分。

優(yōu)點：對莫爾條紋信號波形要求不嚴(yán)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(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。未細(xì)分(a)與細(xì)分(b)的波形比較（2）電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）用此信號去觸發(fā)施密特電路電阻電橋細(xì)分法用于10細(xì)分（c）電阻鏈細(xì)分法（電阻分割法）等電阻鏈細(xì)分電路實質(zhì)：用電阻衰減器來進(jìn)行細(xì)分。光柵的莫爾條紋演示

活動2.學(xué)習(xí)使用光柵傳感器