傳感器與自動檢測技術 第2版 課件 8 光柵傳感器

8.光柵傳感器

8.光柵傳感器

光柵傳感器根據(jù)莫爾條紋原理制成的脈沖輸出數(shù)字式傳感器。光柵式傳感器應用在程控、數(shù)控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。8.1光柵

8.1.1光柵的結構

1.光柵的分類光柵按其原理和用途可以分為物理光柵和計量光柵。物理光柵刻線細密，利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和波長等的測量。計量光柵主要是利用莫爾現(xiàn)象，用于長度、角度、速度、振動等幾何量的測量。計量光柵按用途可以分為長光柵和圓光柵。長光柵又稱為光柵尺，用于測量長度或線位移。圓光柵又稱為盤柵，用于測量角度或角位移。2.光柵的結構

（1）長光柵光柵是在刻線基面上等距離（或不等間距）地密集刻劃，使刻劃處不透光，未刻線處透光，形成透光與不透光相間排列構成的光電器件。長光柵結構如圖所示。光柵上的刻線稱為柵線。柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，而w=a+b稱為柵距（也稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距），是光柵的重要參數(shù)，柵線密度用每毫米長度內的柵線數(shù)表示，如100線/mm、250線/mm等。（2）圓光柵圓光柵的結構如圖所示。柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，而w=a+b稱為柵距，還有一個參數(shù)是柵距角γ或節(jié)距角，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線的夾角。圓光柵有三種形式，一種是徑向光柵，其柵線的延長線通過圓心；另一種是切向光柵，其柵線的延長線與光柵盤的一個小同心圓相切；還有一種是其柵線為一簇等間距同心圓組成的環(huán)形光柵。圓光柵通常在圓盤上刻有1080-64800條線。圓光柵機線如圖所示。a)徑向光柵b)切向光柵c)環(huán)形光柵8.1.2莫爾條紋

1.莫爾條紋的形成光柵常數(shù)相同的兩塊光柵（分別是主光柵和指示光柵）相互疊合在一起時，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θ，如圖所示。這樣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d-d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f-f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成的。1.莫爾條紋的形成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。（1）位移的放大作用

當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關系為

θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。2.莫爾條紋的基本特性

條紋間距與柵距的關系為：

當θ角較小時，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當大。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，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移。可以實現(xiàn)高靈敏的位移測量。

當兩個等距光柵的柵間夾角θ較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：7.2.1莫爾條紋（2）莫爾條紋移動方向

如主光柵沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著指示光柵的柵線向上移動；反之，當主光柵向左移動時，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線向下移動。因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對主光柵的運動進行辨向。（3）誤差的平均效應

莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，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。

如圖所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產生移動。當主光柵產生位移時，莫爾條紋便隨著產生位移。用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。8.2光柵傳感器的工作原理

8.2.1光電轉換原理

光柵傳感器的光電轉換系統(tǒng)由光源1、聚光鏡2、光柵主尺3、指示光柵4和光電元件5組成，如圖a所示。當兩塊光柵作相對移動時，光電元件上的光強隨莫爾條紋移動而變化，如圖b所示。在a處，兩光柵刻線不重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大；在c處，光被遮去一半，光強減??；在b處，光全被遮去而成全黑，光強為零。若光柵繼續(xù)移動，則透射到光電元件上的光強又逐漸增大，因而形成圖8c所示的輸出波形。

a)組成b)莫爾條紋c)光強分布8.2.1光電轉換原理

8.2.2莫爾條紋測量位移的原理當光元件5接收到明暗相間的正弦信號時，根據(jù)光電轉換原理將光信號轉換為電信號。當主光柵移動一個柵距w時，電信號變化一個周期。這樣，光信號的輸出電壓U可以用光柵位移x的正弦函數(shù)來表示，光電元件輸出的波形為

由上式可知，利用光柵可以測量位移量x的值。輸出信號靈敏度：輸出電壓信號的斜率為

由上式可見，當2

x/w=(2n

1)

/2，即x=w/4，3w/4，5w/4，…時，斜率最大，靈敏度最高，故其輸出信號靈敏度Ku為8.2.3辨向原理位移測量傳感器如果不能辨向，則只能作為增量式傳感器使用。辨向原理如圖所示。為辨別主光柵的移動方向，需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入來辨別方向，且這兩個莫爾條紋信號相差90°相位。實現(xiàn)的方法是在相隔B/4條紋間隔的位置上安裝兩個光電元件，當莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差90°，滯后還是超前完全取決于光柵運動的方向。這種區(qū)別運動方向稱為位置細分辨向原理。8.2.3辨向原理如圖所示為辨向原理電路框圖。AB與CD兩個狹縫在結構上相差90°，所以它們在光電元件上取得的信號必然相差90°。AB為主信號，CD為門控信號。當主光柵作正向運動時，CD產生的信號只允許AB產生的正脈沖通過，門電路在可逆計數(shù)器中作加法運算；當主光柵作反方向移動時，CD產生的負值信號只讓AB產生的負脈沖通過，門電路在可逆計數(shù)器中作減法運算。這樣就完成了辨向過程。8.4常用光學系統(tǒng)

8.4.1透射直讀式光中將圖中光電元件5采用四極硅光電池作為轉換元件，就構成四細分直讀式分光系統(tǒng)。把形成的橫向莫爾條紋寬度B調整到等于四極硅光電池的寬度S如圖c，這樣莫爾條紋變化一個條紋寬度B，四級硅光電池依次輸出四路相位相差90°的電信號，如圖8-11所示波形，四路電信號相當于對莫爾條紋進行四細分。這種光路的結構簡單，位置緊湊，調整使用方便，目前廣泛應用于粗柵距的黑白透射光柵傳感器中。8.4.2反射直讀式光路反射直讀式光路如圖所示。光源1經聚光鏡2成平行光束，并以一定角度通過場鏡3射向指示光柵4，莫爾條紋是金屬制成的標尺光柵5反射回來的光線與指示光柵4相互作用形成的，由光電元件6接收莫爾條紋并將其轉換成電信號。這種光路常用于黑白反射光柵傳感器中。

8.4.3反射積分式光路

反射積分式光路如圖所示。圖中，只用一只閃耀光柵作主光柵，沒有指示光柵。光源1發(fā)出的光經準直透鏡2變成平等光束垂直入射到具有等腰三角形柵線的閃耀光柵4上A、B兩點的線槽面。此時最大強度的衍射光將沿原路反射回分光鏡3。在分光面處相遇產生干涉現(xiàn)象，其干涉條紋經透鏡5由光電元件6接收并轉換成電信號。這種光學系統(tǒng)具有光學四細分的作用，分辨力較高。例如，柵線密度為600線/mm時，干涉條紋變化一個周期就相當于光柵移動量為△w=1/4×1/600=0.42μm。這種光路只用于光柵移動的反射式閃耀光柵傳感器。測量精度高（分辨率為0.1μm），動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm），可進行無接觸測量，容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化。在機械工業(yè)中得到了廣泛的應用，特別