第章位移檢測傳感器之光柵傳感器

第三節(jié)大位移檢測傳感器二、光柵位移傳感器1二、光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。2光柵式位移傳感器的分類1測量線位移的長光柵2測量角位移的圓光柵3

長光柵圓光柵4由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)器件稱為光柵，如圖所示。用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。光柵的刻痕密度一般為每厘米10、25、50、100線。刻痕之間的距離為柵距W。莫爾條紋5光柵結(jié)構(gòu)放大圖6長光柵是在兩塊光學(xué)玻璃上或具有強(qiáng)反射能力的金屬表面上，刻上相同的均勻密集的平行細(xì)線。如果將這兩塊玻璃板或金屬板重疊放置，并使它們的刻線間有一微小夾角，此時(shí)，由于光的干涉效應(yīng)，兩塊光柵的刻線相交處，光會從縫隙透過，形成亮帶（如圖a-a線），而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶（b-b），這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋，這些條紋稱為莫爾條紋。條紋方向與刻線方向近似垂直。莫爾條紋7根據(jù)莫爾條紋效應(yīng)設(shè)計(jì)光柵傳感器。莫爾條紋8若光柵柵距為W，兩個(gè)相鄰莫爾條紋的間距為BH，（即莫爾條紋中兩條暗紋或兩條亮紋之間的距離）則有莫爾條紋這里θ是弧度，如果夾角為0.10，則θ=0.1/180*π,則BH=573W,相當(dāng)于把柵距放大了573倍。9——運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變?！獱枟l紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例：光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH；——莫爾條紋具有位移放大作用：莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為BH=W/θ,θ越小，則BH越大。這相當(dāng)于把柵距

W放大了1/θ倍。如對于25線/mm長光柵而言，W=0.04mm,若θ=0.016rad，則BH=2.5mm(這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測量條紋的移動(dòng)來檢測光柵的位移。可以實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量)莫爾條紋有如下特點(diǎn)10——當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。其電壓為：莫爾條紋有如下特點(diǎn)11——莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用：莫爾條紋由大量的光柵柵線共同形成，所以對光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身柵線的刻劃精度還要高。莫爾條紋有如下特點(diǎn)——莫爾條紋移過的條紋數(shù)等于光柵移過的柵線數(shù)。如采用100線/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了xmm(即移過100x條光柵柵線時(shí)），則從光電元件前掠過的莫爾條紋也是100x條。由于莫爾條紋間距比柵距寬的多，所以能夠被光敏元件識別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際位移。12當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。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.莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。因此可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測出光柵移動(dòng)的距離和方向。光柵傳感器就是根據(jù)這一原理，實(shí)現(xiàn)對位移的檢測。1.長光柵位移傳感器的工作原理13在作直線位移測量時(shí)，常把前面介紹的兩塊光柵作成一個(gè)標(biāo)尺光柵和一個(gè)指示光柵。標(biāo)尺光柵是一個(gè)長條形光柵，光柵長度由所需量程決定。指示光柵較短，通常根據(jù)測量光學(xué)系統(tǒng)的需要而定，一般與光學(xué)系統(tǒng)物鏡直徑相同。光柵條紋密度有25條/mm，50條/mm、100條/mm或更密，柵線長度一般為6～12mm。2.長光柵位移傳感器14光柵的構(gòu)造：152.長光包柵位猴移傳不感器根據(jù)顧不同漆的設(shè)愁計(jì)要汽求，乓光柵憲可以紗制成扮透射誕光柵貸和反出射光蠟柵。透射廟光柵爆的柵肉線刻準(zhǔn)制在型透明艷材料刮上，暫要求氧較高鉆時(shí)，訪可以固采用踢光學(xué)濤玻璃保；而懶指示謠光柵庸最好稼采用專光學(xué)慌玻璃政。反射撇光柵梢的柵霉線刻梅制在奧具有則反射賴率很壓高的挽金屬飛或鍍傍以金菊屬膜府的玻問璃上盞。16由于軍采用序不同賢形式滔的光叉柵，攔光學(xué)婚系統(tǒng)營也各宿不相誰同，田常采慎用的晚光學(xué)鳳系統(tǒng)博有：(1御)透射孟式光佩路(2哥)反射山式光擴(kuò)路3.光學(xué)唐系統(tǒng)17（1）透射街式光技路光源5發(fā)出厲的光櫻線經(jīng)恢準(zhǔn)直車透鏡4變成君平行愚光，毅入射縮慧到指耐示光枕柵3上，鼠經(jīng)過雹指示利光柵3和標(biāo)鉤尺光好柵2，再艷透射侵到光秧敏元旨件1上。一般境標(biāo)尺則光柵礎(chǔ)固定續(xù)不動(dòng)裂，而駁光源礦、指益示光富柵和繼光敏塘元件價(jià)固定惠在被珍測位劣移體墾上，壟莫爾臥條紋疼的移碎動(dòng)信脆號被留光敏塑元件染接收匹。每難當(dāng)亮鏈帶通冠過光倦敏元禁件時(shí)包，有航一個(gè)蝦相應(yīng)隙的電聯(lián)信號異輸出允。18透射般式光糟柵19（2）反射呼式光脖路光源1發(fā)出長的光蔽線經(jīng)播聚光居鏡2及場襪鏡4后以閘平行恒光束鄭射向綠指示她光柵5上，爪再經(jīng)直標(biāo)尺適光柵6反射殘后形匙成莫培爾條販紋，偷通過恭反射就鏡3和物礦鏡系喚統(tǒng)7把莫日爾條耍紋的待信號掃送入的光敏述元件8上.當(dāng)指艷示光顆柵與蛋標(biāo)尺定光柵巧有相拴對位樸移時(shí)作，光低敏元禾件可另接收拿到移倉動(dòng)的演莫爾行條紋母信號純。20反射闖式光淚柵21長光管柵式饅位移笛傳感藥器的漿特點(diǎn)長光柵位燥移傳格感器豎的測芳長精巷度可呀達(dá)0.罩5～3m林(3扇00尿0m娛m范圍觀內(nèi))，分榴辨力搞可達(dá)0.揭1m,可進(jìn)公行無租接觸摟測量22用兩糊塊刻金線數(shù)綿目相撞同，賓切線刮圓半型徑分頭別為r1、r2的切鈔向圓竭光柵喚同心咽放置閱，所困產(chǎn)生報(bào)的環(huán)涼形莫擋爾條灰紋如市圖所非示4.圓光紀(jì)柵其條委紋間鏈距為23用兩埋塊刻嘉線數(shù)肅目相叉同的原徑向厘圓光易柵偏指心放味置，孔偏心猾量為e，這勁時(shí)形交成不更同曲柳率半放徑的評圓弧桂形莫痕爾條描紋如梁圖所蟻示4.圓光猛柵其條維紋間球距為24動(dòng)光柵誦固定宰在轉(zhuǎn)牙軸上敗，因股此，指可將艱軸旋水轉(zhuǎn)的媽角度羞量變蠶換成滴莫爾理?xiàng)l紋么信號他。通柴過光抵電轉(zhuǎn)歸換元甘件，跡將莫肢爾條娛紋的困變化她轉(zhuǎn)換殺成近朵似于糾正弦商波形穿的電揉信號策。測輸角精齡度可譯達(dá)0.輩15錘”，分徑辨力榨可達(dá)0.紀(jì)1”，甚勸至更竄高。4.圓光露柵25二、性光柵紐奉式位歉移傳警感器4.圓光恨柵(1追)切向抽圓光肢柵(2歲)徑向討圓光菜柵徑向想圓光朋柵懂切桃向圓鞭光柵4.圓光披柵26由前嬌面分民析，廢光柵盯每移桌動(dòng)一巾個(gè)柵猜距W，莫存爾條圍紋移蜂動(dòng)一肝個(gè)條疾紋間局距BH，光也電元騰件輸擦出就蔽變化棵一個(gè)起周期2π，經(jīng)應(yīng)信號片轉(zhuǎn)換肅電路鑄輸出世一個(gè)揚(yáng)脈沖集，若芳按此瞧進(jìn)行弟計(jì)數(shù)銜，則哀它的煎分辨蔽力只躍有一敏個(gè)光葛柵柵痛距W.為了迎能夠尚分辨次比W更小著的位歇移量算，就舞要提再高分游辨力狹，一逢種方忙法是休可以常采用重增加凡刻劃鴨密度繁的方屈法來則減少舊柵距蠶，但草這種探方法壟受到禍制造娃工藝澤或成謠本的球限制息，如倘簽若要縱讀出枕位移捎為0.鉆1m，勢骨必要惠求每階毫米冷刻線1萬條尤，這良是目顯前工眉藝水凝平無危法實(shí)貞現(xiàn)的額。5.細(xì)分寺技術(shù)27——常用地的細(xì)防分方購法有惕四倍親頻細(xì)套分法垮、十閑六倍熱頻細(xì)悅分法尋、計(jì)直算機(jī)煌細(xì)分翠法等奧。5.細(xì)分糧技術(shù)另一籃種方辛法是妻采用絹柵距虧細(xì)分辮技術(shù)債，由痕于細(xì)姜分后榜計(jì)數(shù)油脈沖懂提高經(jīng)了n倍，形所以劍細(xì)分汽又稱指倍頻只，細(xì)慰分后浪可以鴨在不看增加降刻線錢數(shù)的挨情況涌下較些大地液提高偉光柵伍的分遣辨力豈。28四倍逃頻細(xì)綠分法在一窮個(gè)莫冒爾條窄紋寬蕉度上份并列雪放置田四個(gè)夏光電液元件煩，如屈右下淡圖(a攔)所示零，得旁到相父位分遺別相沖差π/2四個(gè)株正弦夠周期屆信號妖。用打適當(dāng)水電路唐處理系這些謝信號攏，使伶其合饞并得疲到如羨右下內(nèi)圖安所示喝的脈槐沖信攻號。沉每個(gè)漆脈沖比分別言和四尾個(gè)周接期信仰號的拘零點(diǎn)斯相對箭應(yīng)，貫則電通脈沖忽的周丑期反敲應(yīng)了1/趨4個(gè)莫圓爾條綠紋寬層度。鋒用計(jì)球數(shù)器壟對這具一列鳴脈沖下信號長計(jì)數(shù)壇，就貢可以諷讀到1/按4個(gè)莫猛爾條識紋寬將度的泳位移常量，好這將仰是光癥柵固踐有分據(jù)辨率岡的四宰倍。廣此種防方法彼被稱效為四量倍頻禍細(xì)分墊法。29課堂題練習(xí)304、在鞋下述梢位移堵傳感牽器中喊，適棄宜于擋測量銷大位讀移的質(zhì)傳感鞋器是撕（單灣一）A、電油阻式炕傳感方器B、電半感式拖傳感流器C、壓優(yōu)電式冤傳感定器D、光噸柵式荒傳感月器314、在煩下述否位移蠟傳感芝器中垮，適迫宜于啦測量倦大位費(fèi)移的令傳感謙器是曠（單榆一）D、光士柵式稍傳感果器321、若侮光柵要式位怨移傳襖感器礎(chǔ)的光蹄柵柵倦距為0.糕04做mm虧,柵線糞的夾鏡角為1.椒80，則校相鄰買莫爾州條紋職的間保距為喝（單森一）A、0.辜02足2m擱mB、0.鐵07蘇mmC、1.弦27愧mmD、3.舍99還mm3311、若膊光柵腎式位蒜移傳瀉感器抗的光且柵柵袍距為0.沙04炕mm茶,柵線擴(kuò)的夾束角為1.鳥80，則遷相鄰訓(xùn)莫爾癥條紋佛的間雖距為菌（腳單一賽）C、1.樸27歸mm3423、四爛倍細(xì)東分式旦光柵壇式位淚移傳纖感檢途測系青統(tǒng)，黃當(dāng)用4個(gè)光胸電元丹件接葵收莫虹爾條臨紋的敬移動(dòng)環(huán)信號系時(shí)，滴分辨綱力為0.戀00日4/爐mm脈沖鋤，則添光柵購的柵墻距為蘭（旅）浙（模葵擬一緊）3523、四遷倍細(xì)塵分式肺光柵弓式位犁移傳愚感檢巾測系麥統(tǒng)，拔當(dāng)用4個(gè)光渴電元曲件接蒜收莫辛爾條最紋的輕移動(dòng)墨信號濾時(shí)，違分辨奧力為0.制00也4/啞mm脈沖脆，則技光柵胳的柵段距為盞（樓）賽（模累擬一頁）用四磨倍細(xì)濱分，率則分庸辨力傳是光渣柵柵秤距的1/熱4，則齡光柵呆柵距見為分禾辨力她的4倍。4*喪0.輕00纏4=記0.方01繁6m端m369、四柴倍細(xì)靜分光堡柵式柱位移慨傳感賣檢測勵(lì)系統(tǒng)模，如駱果柵訓(xùn)線為50線/m帝m,當(dāng)用4個(gè)光復(fù)電元數(shù)件接院收莫膊爾條老紋的戒移動(dòng)凍信號厭時(shí),則分律辨率叫為（或）（究模擬漢一）379、四矩倍細(xì)常分光農(nóng)柵式悲位移融傳感精檢測蠟系統(tǒng)哄，如旺果柵囑線為50線/m薯m,當(dāng)用4個(gè)光壓電元古件接網(wǎng)收莫修爾條封紋的巖移動(dòng)鮮信號停時(shí),則分追辨率孝為（偷）（雕模擬嘆一）分辨貴率是眨一個(gè)盈光柵勇柵距發(fā)，即1/鵲50鏟=0虧.0敞2m海m，若忍用四近個(gè)光集電元臭件，材即經(jīng)餃過四撕倍細(xì)宵分后賄，則高光柵決柵距煤為分布辨力典的4倍。壘分辨歉力為0.推02輩/4高=0廣.0銹05壺mm3823、為飛了提彎高檢徒測系頭統(tǒng)的諒分辨恐率，蘇需要殃對磁扁柵、囑容柵低等大孕位移搏測量聯(lián)傳感宮器的陜輸出貫信號覺進(jìn)行魚（句）姓（模部擬四題）3923、為襖了提葉高檢筐測系凍統(tǒng)的村分辨賠率，脊需要升對磁更柵、月容柵輝等大光位移山測量般傳感勉器的大輸出曠信號眾進(jìn)行陣（也細(xì)分淋）毒（模執(zhí)擬四傭）4031、已粥知光鋸柵式賺位移杯傳感泡器的遼柵線縮慧為50線/m船m，主售光柵全和指食示光嚼柵的廣柵線鵲的夾現(xiàn)角為0.副2o。(模擬拿四）（1）求藏光柵倘莫爾唐條紋桂的間盜距，心及莫咱爾條蹦紋的透放大斷