7.7光电式_光栅(改)

7.7光栅式传感器,光栅是由许多具有等节距刻线分布的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。光栅式传感器有如下特点：1.精度高。2.大量程测量兼有高分辨力。3.可实现动态测量。4.具有较强的抗干扰能力。,按原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。1）物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。2）计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物理量。本节主要介绍计量光栅的原理与应用。,一、计量光栅的结构及工作原理1.光栅结构在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。计量光栅按刻线表面的结构可分为幅值光栅和相位光栅。幅值光栅也称为黑白光栅，表面刻线如图所示，其特点是栅线与缝隙黑白相间。相位光栅也称为闪耀光栅，表面刻划如图，其横截面呈锯齿形。,2、光栅测量原理把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。,在a-a线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成亮带；在b-b线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带。,莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用当光栅每移动一个栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度B，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹间距B与栅线夹角之间的关系为,（2）莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,越小，B越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。,二、光栅传感器的组成由标尺光栅（主光栅）、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者有同样的栅距，使用时标尺光栅固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。,三、测量电路莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图中可看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，再到最亮，又从最亮到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，只要测出光强变化的次数即能得到位移的大小。若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数，如以电压输出，即,uo光电元件输出的电压信号；Uo输出信号中的直流分量；Um输出信号中正弦交流分量的幅值。,（1）辨向原理采用一个光电元件的光栅，无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。,为实现辨向，在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。,1，2光电元件3，4光栅A位移移动方向B对应莫尔条纹移动方向,当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的正脉冲,正好发生在u2的“1”电平时，从而经与门Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，莫尔条纹移动方向也相反。u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲，则说明u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。,(2)细分技术在前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。,四倍频细分法在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实