光栅传感器工作原理

1、,数字信号检测系统的组成,数字信号检测系统的组成,光栅数字式传感器,光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。,透射式,反射式,为光栅常数，也称光栅栅距。,数字信号检测系统的组成,光栅的分类,按用途分,利用光的衍射现象，主要用于光谱分析、光波长测量。,利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。,计量光栅,用于长度测量,用于角度测量,按光的走向,按栅线的形式,长光栅 - 直线位移 圆光栅 - 角位移,构成： 主光栅 - 标尺光栅，定光栅 指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围； 刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、

2、125线/mm ),光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的结构,光栅传感器的结构和工作原理,光 路,光栅传感器的结构,按运动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的结构,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,莫尔条纹（Moire）,方向性：垂直于角平分线，当夹角

3、很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距 方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,莫尔条纹（Moire）的特性,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,故 被测物体位移栅距脉冲数,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,光栅传感器特点,精度高： 测长(0.2+210-6L)m， 测角0.1 量程大： 透射式-光栅尺长（米）， 反射式-几十米 响应快： 可用于动态测量 增量式： 增量码测量 计数 断电数据消失 要求高： 对环境要求高温

4、度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度 成本高： 电路复杂,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,光栅传感器的测量电路,信号,数字信号,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,标尺光栅,指示光栅,假如移动了一个栅距,得到四个信号：,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,得到一对相位相差 的正交差分信号,光栅传感器的测量电路,信号放大,可得到相位差分别为 ， ， 的正弦信号,光栅传感器的测量电路,位移信号,光栅传感器的测量电路,电阻链细分电路,设 ， 。则,光栅传感器的测量电路,五细分电路,光栅传感器的测量电路,信号整形,正弦信号通过电压比较器，

5、整形为同周期的方波信号。,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,得到十路方波信号，其相位依次相差,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,信号相位每变化 就产生一个新的方波，所以得到5倍频（细分）。,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,得到五细分（倍频）后的 ， 正交方波。,光栅传感器的测量电路,五细分电路实现：,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,小结：,细分后的一个方波信号是原正弦信号按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 细分后的方波信号仍是一对正交方波信号。,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,关于正交方波信号的讨论：,位移方向信息： 正向移动时，

6、A超前B； 反向移动时，B超前A。,位移大小信息： 相位 。,正交方波信号的状态变化规律：,结论： 正交方波信号的状态变化规律为： 正向时00、10、11、01而反向时相反 一个方波状态改变四次,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,四细分： 一个方波内状态改变四次，记录下状态改变的次数，则一个方波又按相位被细分为四等分。 判向： 根据当前时刻和前一时刻的状态，可以判断出位移的方向。,因此，在整个位移过程中，我们只要记录下信号状态的变化次数，并在正向时做加计数，反向时做减计数。可得,脉冲当量,栅距；,位移长度；,总计数值；,光栅传感器的测量电路,结果显示、打印,光栅栅距,脉冲当量、最小分辨率均为,显示数为,光栅传感器的应用,光栅传感器的应用,日本仓敷KBT-11WA卧式加工中心,光栅传感器的应用,思考与讨论：,问题：怎样制作一个简易的长度、角度、速度测量系统？,3、两光电管之间的距离是多少？怎么调节？,2、长度的最小分辨率怎么考虑？,1、角度的最小最少分辨率约是