光电传感与检测第七章

1、光栅传感与检测技术,在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种,具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。从理论上讲，平,行等宽而又等间隔的多狭缝就可视为光栅，任何装置只要能起,到等间隔地分割波阵面都可以称作光栅。,长度或直线位移的测量,测量角度或角位移,光栅位移传感器,1,、,光栅的种类和特点,透射光栅,的特点,光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接接,受，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器,结构简单，常用的光栅可做到每毫米,100,条线，再,经过电路细分，可以做到微米级的分辨率。,金属,反射光栅,的特点,金属反射光栅的线膨胀系数很容易做到与机床用,的普通钢或铸铁一致，接长

2、方便。,长光栅有时也称为,光栅尺,刻划在玻璃圆盘上的光栅称为,圆光栅,开放式,封闭式,2,、,光栅工作原理,莫尔条纹：如果将指示光栅在其自身的平面内转,过一个很小的角度，由于光的衍射作用，就会,产生明暗交替的干涉条纹。,主光栅,指示光栅,叠合,夹角,移动,明暗相间条纹,莫尔条纹,莫尔条纹的特点,：,a),信息变换,当标尺光栅对应于指示光栅沿着与刻,线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹也移动，,若光栅移动一个栅距,t,，莫尔条纹正好移动一个,宽度,T,。若光栅向相反方向移动，条纹也向相反,方向移动。,b),放大作用,莫尔条纹间距,W,及光栅间的夹角有,如下关系：,c),误差的平均效应,d),光栅信

3、号与位移的对应关系,e),信号波形的正弦性,W,W,B,?,?,2,sin(,?,/,2,),?,标尺光栅,光源,光敏元件,驱,动,电,路,透镜,指示光栅,光栅传感器,的构成图,提高光栅位移测量系统的精度,:,?,采用高精度的光栅传感器,?,采用中等精度的光栅传感器，通过细分技术提高光栅数显装置,的细分数,?,采用误差修正,光栅测量系统,基于零位光栅传感器的线位移测量系统设计,硬件设计,X,向导轨系统,光,栅,传,感,器,工,作,台,向,导,轨,系,统,信,号,细,分,电,路,辨,向,电,路,信,号,计,数,电,路,微,处,理,器,电,路,LED,A,Y,X-Y,显,示,电,路,光,栅,传,感

4、,器,线位移测量系统的结构,B,正弦波信号,滤波,相移,比较,组合,脉冲信号,四倍频,两路正交方波,信号细分电路原理图,XCP-,与非门,D,触发器,XCP+,X,2,CP+,X,2,CP-,对工作台移动进行辨向的单元结构,U,T1,U,T5,U,T6,U,T10,U,B1,U,B2,U,B3,U,B4,U,B5,U,B6,微处理器,存储器,通讯单元,微处理器,电路,结构,通讯单元,LED,显示电路的原理,软件设计,开始,初始化,进入中断子程序,查询测量状态,字,保护现场,标志位,=,1,yes,no,测量状态,修正参数输入态,查询按下的键值,调相应的应用子程序,采集、存储位移数据,恢复现场,

5、应用子程序,b),a),退出中断,LED,进行数据显示,a,）,主程序流程,b,）中断子程序流程,微处理器程序流程图,基于增量式旋转编码器的角度测量系统设计,透镜,指示光栅盘上狭缝,光源,光敏,元件,信号,处理,驱动,输出,A,B,Z,圆光栅盘,转轴,增量式旋转编码器构成图,T,X,1,X,2,X,3,X,4,a,a,b,b,增量式,旋转编码器输出,a,、,b,两路信号的,示意图,增量式旋转编码器,辨向电路,信号计数电路,旋转屏幕,按键驱动电路,微处理器电路,LED,显示电路,角度测量系统,结构,按键驱动电路原理图,辨向电路原理图,主程序,机,械,转,角,数,据,采,进,制,转,换,集,多,圈,累,加,处,理,当,前,测,量,值,置,零,数,据,单,位,转,换,数,据,误,差,修,正,按,键,中,断,软件的