數(shù)字式傳感器及應(yīng)用-光柵傳感器（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)7.1角度編碼器任務(wù)7.2光柵傳感器項(xiàng)目7數(shù)字式傳感器及應(yīng)用任務(wù)7.3感應(yīng)同步器7.2光柵傳感器光柵傳感器是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來(lái)測(cè)量位移，它把光柵作為測(cè)量長(zhǎng)度的計(jì)量元件，也稱為計(jì)量光柵。光柵的分類（1）長(zhǎng)光柵和圓光柵（按用途分）

圓光柵用于角位移的測(cè)量，長(zhǎng)光柵用于直線位移的測(cè)量。（2）透射光柵和反射光柵（按光線的走向分）透射光柵是將柵線刻在透明材料上，常用光學(xué)玻璃和制版玻璃。反射光柵的柵條刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬板上，一般用不銹鋼。（3）黑白光柵和相位光柵（按柵線形式分）黑白光柵只對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，相位光柵對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制。主要討論用于長(zhǎng)度測(cè)量的黑白透射光柵。光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖1－LED光源2－聚光透鏡3－掃描光柵（指示光柵）4－主光柵（標(biāo)尺光柵）5－柵狀光電接收元件透射式直線光柵結(jié)構(gòu)及組成直線透射式長(zhǎng)光柵測(cè)量原理圖1－光源2－透鏡3－指示光柵4－主光柵（標(biāo)尺光柵）5－零位光柵6－細(xì)分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件（放大圖見(jiàn)后頁(yè)）光源、透鏡、指示光柵及光敏元件均固定在掃描頭內(nèi)，隨掃描頭一起聯(lián)動(dòng)。1－光源2－透鏡3－指示光柵4－主光柵(標(biāo)尺光柵)5－零位光柵6－細(xì)分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件放大圖透射式光柵光柵傳感器光柵數(shù)字傳感器光柵數(shù)字傳感器主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。光柵數(shù)字傳感器是干什么的？主要用于線位移和角位移的測(cè)量。還可以擴(kuò)展到速度、加速度、振動(dòng)、質(zhì)量和表面輪廓等方面。什么是光柵？在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。透射光柵示意圖

abWa為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。光柵數(shù)字傳感器的原理：莫爾條紋標(biāo)尺光柵指示光柵莫爾條紋形成在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩條光柵的透光線的重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的不透光處，由于相互擋光作用而形成暗帶。

莫爾條紋的光學(xué)放大作用

（暗線到暗線的間距大于刻線的間距）

暗線到暗線的間距柵距透射光線莫爾條紋演示B莫爾條紋莫爾條紋B莫爾條紋的間距B與兩光柵線紋夾角θ(弧度)之間的關(guān)系為：莫爾條紋莫爾條紋特點(diǎn)：(1)位移的放大作用當(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，如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)方向也相反。θ越小，B越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了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。

莫爾條紋光學(xué)放大作用的計(jì)算

例:有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角

=1.8=1.8

×3.14/180

弧度，求：分辨力和莫爾條紋的寬度。解：分辨力

=柵距W=1mm÷50=0.02mm=20

m（由于柵距很小，因此無(wú)法觀察光強(qiáng)的變化）由以下計(jì)算可知，莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

B≈W/θ=0.02mm/(1.8

×3.14/180

)=0.02mm÷0.0314=0.02mm×32=0.64mm

由于莫爾條紋間距有0.64mm，因此可以用小面積的光電池，通過(guò)“狹縫”來(lái)“觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。莫爾條紋特點(diǎn)：(2)位移的移動(dòng)方向如光柵1（指示光柵）沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2（標(biāo)尺光柵）的柵線向下移動(dòng)；反之，當(dāng)光柵1向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向上移動(dòng)。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。光柵1光柵2莫爾條紋莫爾條紋位移測(cè)量原理若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓或電流)輸出。莫爾條紋位移測(cè)量原理莫爾條紋位移測(cè)量原理光柵輸出電壓信號(hào)的幅值為光柵位移量x的函數(shù)，即：U0—輸出信號(hào)中的直流分量；Um—輸出交流信號(hào)的幅值；x—兩光柵間的相對(duì)位移.

莫爾條紋位移測(cè)量原理將該電壓信號(hào)放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積：莫爾條紋位移測(cè)量原理辨向原理1）為什么要辨向？如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論光柵作正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號(hào)，無(wú)法分辨位移的方向。因而必須在測(cè)量電路中加入辨向電路。例：某1024p/r圓光柵，正轉(zhuǎn)10圈，反轉(zhuǎn)4圈，求：采用辨向電路后的計(jì)數(shù)值（脈沖數(shù)）。（若不采取辨向措施，則計(jì)數(shù)器將錯(cuò)誤地得到14336個(gè)脈沖）解：辨向后的計(jì)數(shù)值為

N=10×1024-4×1024＝6144個(gè)脈沖。辨向原理在相隔B/4的莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，獲得相位差為90o的兩個(gè)信號(hào)。通過(guò)判斷兩路信號(hào)的相位差即可判斷出指示光柵的移動(dòng)方向。當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，uos滯后于uoc；當(dāng)指示光柵向左移動(dòng)時(shí)，uos超前于uoc

。辨向原理細(xì)分技術(shù)若以移動(dòng)過(guò)的莫爾條紋的數(shù)目來(lái)確定位移量，其分辨力為光柵柵距W。為了提高分辨力和測(cè)得比柵距W更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。細(xì)分思想：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)計(jì)數(shù)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。脈沖細(xì)分細(xì)分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價(jià)格的情況下提高光柵的分辨力。細(xì)分前，光柵的分辨力只有一個(gè)柵距的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于原光柵的分辨力提高了3倍，較大地提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。細(xì)分前細(xì)分后光柵細(xì)分舉例

例：有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，采用4細(xì)分技術(shù)，求：細(xì)分前、后的分辨力