项目二光栅传感器PPT学习教案

1、会计学1第1页/共46页第2页/共46页 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，刻线相互平行；用于测量长度或线位移长度或线位移第3页/共46页构成：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4页/共46页 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wa

2、b第5页/共46页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6页/共46页圆光栅分类：圆光栅分类：根据根据栅线刻划的方向栅线刻划的方向，圆光栅分三种：，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的圆心；其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只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.若按若按光线的走向光线的走向，圆光栅只有透射光栅。，圆光栅只有透射光栅。第7页/共46页(a) 径向光栅(b)

3、切向光栅(c) 环形光栅第8页/共46页第9页/共46页第10页/共46页 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹第11页/共46页横向莫尔条纹：横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角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，故称为纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：纵向莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0，且两光栅栅距且两光栅栅距不等时产生的莫不等时产生的莫尔条纹尔条纹。光闸莫尔条纹：光闸莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0, 且两光栅栅距相且两光栅栅距相等时等时产生的莫尔条纹。产生的莫尔条纹。第12页/共46页横向莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔

4、条纹光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹第13页/共46页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14页/共46页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 则：则：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

5、距，令k k为放大系数，为放大系数，则：则：第15页/共46页光栅移动一个栅距，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成正比，即：成正比，即： /Wx ixBi第16页/共46页 误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差消差作用。作用。u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, , 几条刻线的几条

6、刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上微。能在很大程度上消除短周期误差消除短周期误差的影响。的影响。第17页/共46页第18页/共46页一、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19页/共46页 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：三角形理想情况：三角形第20页/共46页0022sin()sin , ()WmmUUUxUUxW二、光闸莫尔条纹测

7、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, ,根据根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移光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动一个栅距w w时时, ,电信号则变化了一个周期。光电元电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：件输出波形为：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21页/共46页 当波形重复到当波形重复到原来的相位和幅值原来的相位和幅值时时, ,相当于光栅移相当于光栅移动了一个栅距动了一个栅距w,w,如如果光栅相对位移了果光栅相对位移了N N个栅距个栅距

8、, ,此时位移此时位移x=NWx=NW。 因此因此, ,只要能记只要能记录移动过的莫尔条录移动过的莫尔条纹数纹数N,N,就可以知道就可以知道光栅的位移量光栅的位移量x x值值。这就是。这就是利用光闸利用光闸莫尔条纹测量位移莫尔条纹测量位移的原理。的原理。第22页/共46页第23页/共46页 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差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向, ,且两且两个莫尔条纹信号相差个莫尔条纹信号相差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

9、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动方向。这种区别运动方向的方法称为方向的方法称为位置细分辨向原理位置细分辨向原理。第24页/共46页图7.5 辨向原理 M1M2莫尔条纹ACBDBB4第25页/共46页 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AB

10、AB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26页/共46页第27页/共46页第28页/共46页 U U1 1和和U U2 2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的电平状态作为与门的控制信号控制信号, , 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所产生所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向正确的的脉冲输出路线。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给出加计数脉冲或减计数脉冲, , 再将其输入可逆

11、计再将其输入可逆计数器数器, , 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29页/共46页当光栅沿当光栅沿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超超前前U1 90U1 90。U1U1经微分电路后产生的脉冲（如图中经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）正好发生在实线所示）正好发生在U2U2的的“1 1”电平时电平时, , 从而经从而经Y1Y1输出一个加计数脉冲输出一个加计数脉冲; ; 而而U1U1经反相并微分后产生的经反相并微分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与脉冲（如图中虚线所示）则与U2U2的的“0 0”电平相遇

12、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, , 莫尔条纹向莫尔条纹向B B反向移动反向移动。U U1 1超前超前U U2 29090。U U1 1的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在U U2 2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U U2 2的的“1 1”电平时电平时, , 与门与门Y Y2 2输出一个输出一个减计数脉减计数脉冲冲。 第30页/共46页辨向电路各点波形第31页/共46页第32页/共46页第33页/共46

13、页第34页/共46页1. 1. 四倍频细分四倍频细分 方案：方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个四个光电光电元件，得到四个相差依次为元件，得到四个相差依次为/2/2的的电压信号；或在电压信号；或在相差相差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）；反运动时，得到四个微

14、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）。向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。第35页/共46页相距相距B/4B/4放置四个光电元件放置四个光电元件 第36页/共46页四倍频细分电路原理框图第37页/共46页细分前后比较第38页/共46页2.4 2.4 光栅传感器的光学系统光栅传感器的光学系统组成组成：光源、透镜、光栅、光敏元件：光源、透镜、光栅、光敏元件光源光源：白炽灯或其它发光元件；：白炽灯或其它发光元件；透镜透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件光敏元件：输出电压信号；：输出电压信号；形式形式：透射直读式、反射直读式

15、、反射积分式等：透射直读式、反射直读式、反射积分式等第39页/共46页特点：特点：光电元件采用光电元件采用四极硅光电池四极硅光电池构成四细分直读式分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光系统，输出的四路电信号相位依次相差/2/2，相当于，相当于对莫尔条纹信号进行四细分。对莫尔条纹信号进行四细分。第40页/共46页特点特点：标尺光栅为反射式：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光束并以一定角度射向指示束并以一定角度射向指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅，莫尔条纹是由标尺光栅反射回来的光线与指光栅反射回来的光线与指示光栅相互作用而成。示光栅相互作用而成。（b）反射直读式）反射直读式2 2、反射直读式、反射直读式第41页/共46页特点特点：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利用光的衍射和干涉现象测量位移。用光的衍射和干涉现象测量位移。3 3、反射积分式、反射积分式第42页/共46页 由于光栅