第7章光栅传感器ppt课件

1、第七章第七章 光栅传感器光栅传感器第七章第七章 光栅传感器光栅传感器第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 7.1 7.1 光栅基础光栅基础1.1.光栅的结构光栅的结构 光栅是在一块长条型圆形光光栅是在一块长条型圆形光学玻璃或金属上均匀刻上许多宽度相学玻璃或金属上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。光电器件。 栅线栅线光栅上的刻线，宽度光栅上的刻线，宽度a a 缝隙宽度缝隙宽度b b 栅距栅距w=a+bw=a+b也称光栅常数）也称光栅常数）第七章第七章 光栅传感器光栅传感器2 2、分类、分类按原理和用途：物理光栅和计量光栅按原理和用途

2、：物理光栅和计量光栅物理光栅：刻线细密物理光栅：刻线细密, ,利用光的衍射现利用光的衍射现象象, ,主要用于光谱分析和光波长等量主要用于光谱分析和光波长等量的测量。的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。的测量。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器2 2、分类、分类按光的走向：透射式玻璃和反射式金属）按光的走向：透射式玻璃和反射式金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料按栅线形式：黑白光栅幅值

3、光栅和闪耀光按栅线形式：黑白光栅幅值光栅和闪耀光栅相位光栅）栅相位光栅）黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成, ,其栅其栅线与缝隙为黑白相间结构；线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状相位光栅：横断面呈锯齿状, ,常用刻划工艺加常用刻划工艺加工而成。工而成。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器2 2、分类、分类按应用类型：长光栅和圆光栅按应用类型：长光栅和圆光栅 长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移刻线相互平行；用于测量长度或线位移第七章第七章 光栅传感器光栅传感器构成

4、：主光栅构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅动光栅长度长度 - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm )第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移. .wab放 大(a) 长 光 栅(b) 圆 光 栅放 大wab第七章第七章 光栅传感器光栅传感器栅距栅距栅线宽度栅线宽度缝隙宽度缝隙宽度栅距角栅距角第七章第七章 光栅传感器光栅传感器圆光栅分类：圆光栅分类：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：根据栅线

5、刻划的方向，圆光栅分三种： 径向光栅径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；的圆心； 切向光栅切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅环形光栅: 一簇等间距同心圆组成一簇等间距同心圆组成.若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器(a) 径向光栅(b) 切向光栅(c) 环形光栅第七章第七章 光栅传感器光栅传感器3.3.莫尔条纹莫尔条纹1).1).莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其

6、特征 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角夹角时时, , 光源照射光栅尺，由于挡光效应，光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上方向上, , 产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条纹, , 这些条纹称这些条纹称为为“莫尔条纹莫尔条纹”。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器莫尔条纹演示莫尔条纹演示第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹第七章第七章 光栅传感器光栅传感器

7、横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角 很小，条很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：当栅线的夹角纵向莫尔条纹：当栅线的夹角0，且两光栅栅距，且两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。不等时产生的莫尔条纹。光闸莫尔条纹：当栅线的夹角光闸莫尔条纹：当栅线的夹角0, 且两光栅栅距相且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。等时产生的莫尔条纹。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器横向莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹第七章第七章 光栅传感器光栅传感器2) 2) 莫尔条纹的特征莫尔条

8、纹的特征、位移放大作用、位移放大作用2sin2wWB相邻两条莫尔条纹间距相邻两条莫尔条纹间距B B与栅距与栅距w w及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为：的关系为：wababaababaBw2 1B第七章第七章 光栅传感器光栅传感器1WBBkW结论：结论： 越小越小, k, k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1， W=0.02mmW=0.02mm时时 =0.1=0.1=0.1=0.12/360=0.00175432rad2/360=0.00175432rad 那么：那么：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令莫尔条纹间距放大了光栅间距，

9、令k k为放大系数，为放大系数，那么：那么：第七章第七章 光栅传感器光栅传感器、运动对应关系、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。当移动的刻线数当移动的刻线数i i和角度和角度一定时，莫尔条纹间距一定时，莫尔条纹间距B B与移动距离与移动距离x x成正比，即：成正比，即： /Wx ixBi第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对

10、光栅的栅距误差具有平均消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, , 几条刻线的栅距误差或断裂几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。期误差的影响。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 工作原理：工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电件把

11、这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。信号的变化即可获得光栅的相对移动量。 特点：特点： 数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力强力强, ,稳定性强稳定性强; ;易于微机接口易于微机接口, ,便于信号处理和实现便于信号处理和实现自动化测量。自动化测量。7.2 光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理第七章第七章 光栅传感器光栅传感器一、光电转换原理一、光电转换原理 1 1光源；光源；2 2聚光镜；聚光镜；3 3光栅主尺；光

12、栅主尺；4 4指示光栅；指示光栅；5 5光敏元件；光敏元件；6 6莫尔条纹；莫尔条纹；7 7光强分布光强分布 第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 光闸莫尔条纹光电转换原理光闸莫尔条纹光电转换原理理想情况：理想情况：三角形三角形第七章第七章 光栅传感器光栅传感器0022sin()sin , ()WmmUUUxUUxW二、光闸莫尔条纹测量位移原理二、光闸莫尔条纹测量位移原理 当光电元件当光电元件5 5接收到明暗相间的正弦信号时接收到明暗相间的正弦信号时, ,根据光根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距个栅距w w时时, ,电信号则变

13、化了一个周期。光电元件输出电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：波形为：直流分量直流分量交流分量交流分量光栅相对光栅相对位移量位移量第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 当波形重复到原当波形重复到原来的相位和幅值时来的相位和幅值时, ,相当于光栅移动了相当于光栅移动了一个栅距一个栅距w,w,如果光如果光栅相对位移了栅相对位移了N N个个栅距栅距, ,此时位移此时位移x=NWx=NW。 因而因而, ,只要能记录只要能记录移动过的莫尔条纹移动过的莫尔条纹数数N,N,就可以知道光就可以知道光栅的位移量栅的位移量x x值。值。这就是利用光闸莫这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的尔条纹测量位移的原理。原

14、理。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器三、辨向原理及辨向电路三、辨向原理及辨向电路1 1辨向的原因辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。电路。第七章第七章 光栅传感器光栅传

15、感器2 2辨向原理与辨向电路辨向原理与辨向电路 为辨别主光栅的移动方向为辨别主光栅的移动方向, ,需要有两个具有相差需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向, ,且两个且两个莫尔条纹信号相差莫尔条纹信号相差9090相位。相位。 实现的方法是在相隔实现的方法是在相隔B B4 4条纹间隔的位置上安条纹间隔的位置上安装两只光敏元件装两只光敏元件, ,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样度变化规律完全一样, ,相位相差相位相差2 2。滞后还是。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动超前完全取决于光栅的运

16、动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。方向的方法称为位置细分辨向原理。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器图7.5 辨向原理 M1M2莫尔条纹ACBDBB4第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 1 1、2 2光电元件；光电元件；3 3指示光栅；指示光栅；4 4莫尔条纹；莫尔条纹； A A光栅移动方向；光栅移动方向；B B莫尔条纹移动方向；莫尔条纹移动方向； U1U1元件元件ABAB对应的输出电压；对应的输出电压； U2U2元件元件CDCD对应的输出电压；对应的输出电压；第七章第七章 光栅传感器光栅传感器 ABAB与与CDCD两个狭缝在结构上相差两个狭缝在结构上相差2,2,所以它们所以

17、它们在光电元件上取得的信号必是相差在光电元件上取得的信号必是相差2 2。 ABAB为主信号为主信号,CD,CD为门控信号。为门控信号。 当主光栅作正向运动时当主光栅作正向运动时,CD,CD产生的信号只允许产生的信号只允许ABAB产生的正脉冲通过产生的正脉冲通过, ,门电路在可逆计数器中门电路在可逆计数器中作加法运算；作加法运算； 当主光栅作反方向移动时当主光栅作反方向移动时, ,则则CDCD产生的负值信产生的负值信号只让号只让ABAB产生的负脉冲通过产生的负脉冲通过, ,门电路在可逆计门电路在可逆计数器中作减法运算。数器中作减法运算。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器辨向电路辨向电路第七章第七

18、章 光栅传感器光栅传感器 U1 U1和和U2U2经过整形后得两个方波信号经过整形后得两个方波信号U1U1和和U2U2 。 U1U1产生计数脉冲，产生计数脉冲， U2U2的电平状态作为与门的控的电平状态作为与门的控制信号制信号, , 来控制在不同的移动方向时来控制在不同的移动方向时, U1, U1所产生的所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向正确的给脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲出加计数脉冲或减计数脉冲, , 再将其输入可逆计数再将其输入可逆计数器器, , 实时显示出相对于某个参考点的位移量。实时显示出相对于某个参考点的位移量。 第七章第七章 光栅传感

19、器光栅传感器当光栅沿当光栅沿A A向移动时向移动时, ,莫尔条纹向莫尔条纹向B B向移动。向移动。 U2U2超前超前U1 90U1 90。U1U1经微分电路后产生的脉冲如图中实线经微分电路后产生的脉冲如图中实线所示正好发生在所示正好发生在U2U2的的“1 1电平时电平时, , 从而经从而经Y1Y1输出输出一个加计数脉冲一个加计数脉冲; ; 而而U1U1经反相并微分后产生的脉冲经反相并微分后产生的脉冲如图中虚线所示则与如图中虚线所示则与U2U2的的“0 0电平相遇电平相遇, , 与门与门Y2Y2被阻塞被阻塞, , 无脉冲输出。无脉冲输出。 当光栅沿当光栅沿A A反方向移动时反方向移动时, , 莫

20、尔条纹向莫尔条纹向B B反向移动。反向移动。U1U1超前超前U290U290。U1U1的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在U2U2为为“0 0电电平时平时, , 与门与门Y1Y1无脉冲输出无脉冲输出; ; 而而U1U1的反相微分脉冲则的反相微分脉冲则发生在发生在U2U2的的“1 1电平时电平时, , 与门与门Y2Y2输出一个减计数脉输出一个减计数脉冲。冲。 第七章第七章 光栅传感器光栅传感器辨向电路各点波形第七章第七章 光栅传感器光栅传感器第七章第七章 光栅传感器光栅传感器7.3 7.3 莫尔条纹细分技术莫尔条纹细分技术 目的：提高分辨力测量更小的位移量）。目的：提高分辨力测量更小的位移量）。 细

21、分方法：细分方法： 1.1.增加光栅刻线密度；增加光栅刻线密度； 2.2.电子细分；电子细分； 3.3.机械和光学细分。机械和光学细分。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内期内, , 发出发出n n个脉冲个脉冲, , 每个脉冲代表原来栅距的每个脉冲代表原来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了。由于细分后计数脉冲频率提高了n n倍倍, , 因此因此也称之为也称之为n n倍频法。倍频法。通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥细通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥细分等。分等。第七章第七章

22、 光栅传感器光栅传感器1. 1. 四倍频细分四倍频细分 方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，得到四个相差依次为件，得到四个相差依次为/2/2的电压信号；或在相的电压信号；或在相差差B/4B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相差个依次相差/2/2的电压信号。的电压信号。 在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲加计数脉冲）；反向运动时，得到四

23、个微分脉冲加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲减计数脉冲）。动时，得到四个微分脉冲减计数脉冲）。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器相距相距B/4B/4放置四个光电元件放置四个光电元件 第七章第七章 光栅传感器光栅传感器四倍频细分电路原理框图第七章第七章 光栅传感器光栅传感器细分前后比较第七章第七章 光栅传感器光栅传感器7.4 7.4 光栅传感器的光学系统光栅传感器的光学系统组成：光源、透镜、光栅、光敏元件组成：光源、透镜、光栅、光敏元件光源：白炽灯或其它发光元件；光源：白炽灯或其它发光元件；透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件：输出电压信号；光敏元件：输出电压信号；形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等第七章第七章 光栅传感器光栅传感器1 1、透透射射直直读读式式特点：光电元件采用四极硅光电池构成四细分直读式分光特点：光电元件采用四极硅光电池构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差系统，输出的四路电信号相位依次相差/2/2，相当于对莫，相当于对莫尔条纹信号进行四细分。尔条纹信号进行四细分。第七章第七章 光栅传感器光栅传感器特点：标尺光栅为反射式特点：标尺光栅为反射式光栅，光栅， 光源经透镜成平行光光源经透镜成平行