45光栅传感器ppt课件

1、4.5.1 光栅传感器的结构光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路光栅的光路4.5.5 辨向原理辨向原理4.5.6 细分技术细分技术上一页下一页返 回1.1.构造构造透明玻璃上刻平行等宽又等间距的条纹透明玻璃上刻平行等宽又等间距的条纹a-a-线宽透光），线宽透光）， b-b-缝宽缝宽( (不透光不透光) )W=a+bW=a+b栅距）栅距） ，a=b=W/2 a=b=W/2 2.2.分类分类物理光栅：物理光栅：计量光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用

2、光的莫尔条纹现象测量精密位移利用光的莫尔条纹现象测量精密位移反射光栅：反射光栅：透射光栅：透射光栅：在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹形成在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹形成在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成实际应用中，计量光栅又分为：实际应用中，计量光栅又分为：3.3.光栅传感器的组成光栅传感器的组成 主光栅和指示光栅之间的距离主光栅和指示光栅之间的距离d d可根据光栅的栅距来选择。主光栅和指可根据光栅的栅距来选择。主光栅和指示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅的精度决定了整个装置示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹

3、。主光栅的精度决定了整个装置的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，主要有光电池和光敏晶体管。主要有光电池和光敏晶体管。a+b=W称为光栅的栅距或光栅常数）称为光栅的栅距或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 上一页下一页返 回莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度BH由光栅常数与光栅夹角决由光栅常数与光栅夹角决定定上一页下一页返 回 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。当有光照射时，由于挡光效应50条/m

4、m以下或光的衍射作用100/mm以上），在与光栅刻线大致垂直方向上形成明暗相间的条纹。两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 BHW/ （为主光栅和为主光栅和指示光栅刻线的夹角）指示光栅刻线的夹角） 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与，主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 =1.8，那么：，那么： 分辨力分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：倍： B

5、H W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“察看莫察看莫尔条纹光强的变化。尔条纹光强的变化。上一页下一页返 回（1位移放大位移放大放大性：夹角放大性：夹角很小很小BW 光学放大光学放大提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角条纹间距条纹间距B灵敏灵敏（2运动对应关系运动对应关系 莫尔条纹移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方莫尔条纹移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有严格的对应关系。向有严格的对应关系。 （3误差平均效应误差平均效

6、应 光电元件接收的光信号是进入指示光栅视场的线纹数的综合光电元件接收的光信号是进入指示光栅视场的线纹数的综合平均结果，可以克服局部误差和周期误差对测量结果的影响，平均结果，可以克服局部误差和周期误差对测量结果的影响，得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。普通标尺测量的主要差别。当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。 上一页下一

7、页返 回l透射光路透射光路l反射光路反射光路 上一页下一页返 回1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。上一页下一页返 回1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。上一页下一页返 回上一页下一页返 回 如果传感器只安装一套光电元件，则在

8、实如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。分辨位移的方向。 例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反转圈，反转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将错圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到误地得到14336个脉冲，而正确值为：个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。在相距在相距BH/4的位置上设置两个光电元件的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差，以得到两个相位互差90的

9、正弦信号的正弦信号 上一页下一页返 回正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。上一页下一页返 回上一页下一页返 回辨向电路各点波形图辨向电路各点波形图余弦信号余弦信号（超前）（超前）正弦信号正弦信号零位信号零位信号细分点细分点余弦信号余弦信号正弦信号正弦信号零位信号零位信号上一页下一页返 回1.光栅数字传感器的测量分辨率光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。等于一个栅距。2.提高分辨力方法：提高分辨力方法：a.增加刻线密度减小

10、栅距。但受增加刻线密度减小栅距。但受刻线工艺的限制。刻线工艺的限制。b.采用细分技术，使光栅每移采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到的分度值，使分辨率提高到W/n。常用的细分方法有：直。常用的细分方法有：直接细分、电桥细分、锁相细分接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等、调制信号细分、软件细分等。l直接细分又称位置细分，常用的细分数为直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期

11、内将产生条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现个计数脉冲，实现了四细分。了四细分。 l优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。简单，可用于静态和动态测量系统。l缺陷：光电元件安放困难，细分数不能太缺陷：光电元件安放困难，细分数不能太高。高。上一页下一页返 回上一页下一页返 回未细分未细分(a)与细分与细分(b)的波形比较的波形比较22111212eRRReRRRUsccossin)sin(AUsc用此信号去触发施密特电路 上一页下一页返 回电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分 上一页下一页返 回等电阻链细分电路等电阻链细分电路 本质：用电阻衰减器来进行细分。本质：用电阻衰减器来进行细分。上一页返 回扫描头与移动部件固定）扫描头与移动部件固定） 光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆优点：测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态性能好，适合优点：测量精度高，分辨率高，测量