傳感器第7章光柵傳感器

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1、 第7章 光柵傳感器 利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量測量； 利用光柵的相對移動，使透射光的光強度呈周期性變化，再由光電元件變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘枺色@得光柵的相對移動量。 光柵傳感器精度高（測量直線精度最高可達(dá)到0.5m——3m/3000mm；測量角度精度最高可達(dá)0.15”）、分辨率高(可達(dá)0.05m和0.1”)、動態(tài)范圍大，廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測量、主動測量及自動化等領(lǐng)域。 7.1 光柵基礎(chǔ) 7.1.1 光柵分類及結(jié)構(gòu) 1．光柵分類 光柵按其原理和用途可分為: 物理光柵和計量光柵； ① 物理光柵 物理光柵刻線細(xì)密，利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析

2、和光波長等量的測量； ② 計量光柵 主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。 按其透射形式，光柵可分為: ① 透射式光柵 刻劃基面采用玻璃材料； ② 反射式光柵 刻劃基面采用金屬材料。 按柵線形式，光柵可分為: ① 黑白光柵（幅值光柵） 利用照相復(fù)制加工而成，柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)； ② 相位光柵(閃耀光柵) 橫斷面呈三角狀或鋸齒狀。 圖 閃耀光柵線槽斷面 按其應(yīng)用類型可分為: ① 長光柵又稱為光柵尺 用于測量長度或線位移； ② 圓光柵又稱盤柵 用于測量角度或角位移。 長光柵有透射式和反射式，均有黑白光柵和閃耀光柵

3、； 圓光柵一般只有透射式黑白光柵。 還有激光全息光柵和偏振光柵等新型光柵，本章介紹透射式的計量光柵。 2．光柵結(jié)構(gòu) 光柵 在刻劃基面（玻璃尺或金屬尺或玻璃圓盤）上等間距(或不等間距)地密集刻劃線（叫柵線），使刻柵線處不透光（或不反光），沒刻柵線處透光（或反光），形成黑白相間(透光與不透光)、排列間隔細(xì)小條紋構(gòu)成的光電器件； 柵線 光柵上的刻線叫柵線，其寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，也可以做成a：b=1.1:0.9,而w=a + b稱為柵距； 柵距 又叫光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)表示柵線密度，如100線/mm、250線/m

4、m； 柵距角 圓光柵上相鄰兩條柵線的夾角叫柵距角y或稱節(jié)距角。 圖7.1 光柵結(jié)構(gòu) 圓光柵有三種柵線形式： ① 徑向光柵 其柵線的延長線通過圓心（圖a）； ② 切向光柵 其柵線的延長線與光柵盤的一個小同心圓相切； ③ 環(huán)形光柵 其柵線為一簇等間距同心圓組成。 圓光柵通常在圓盤上刻有1080～64800條線。 圖7.2 圓光柵柵線 7．1．2 莫爾條紋原理 莫爾條紋成因 由主光柵和指示光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的(兩只光柵參數(shù)相同)。

5、 ① 主光柵（標(biāo)尺光柵）用于滿足測量范圍，可以移動，也可以固定； ② 指示光柵(通常是從主尺上截一段)用于拾取信號，可以移動，也可以固定。 ③ 將主光柵與指示光柵的刻劃面相向放置（片間縫隙很小）并且使兩者柵線有很小的夾角，組成光柵副，在與柵線垂直方向出現(xiàn)明暗相間的條紋： a--a線上兩只光柵柵線彼此重合，光線從縫隙中透過形成亮帶（一系列棱形圖案構(gòu)成）； b—b線上兩只光柵柵線相互交疊（錯開），遮擋縫隙，光線不能透過形成暗帶。 這種亮帶、暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。 由于莫爾條紋的方向與柵線方向近似垂直，故該莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。 光閘莫爾條紋 當(dāng)主尺與指示光柵間刻線

6、夾角等于零時，莫爾條紋的寬度呈無限大，當(dāng)兩者相對移動時入射光的作用就像閘門一樣時啟時閉，故稱為光閘莫爾條紋。兩光柵相對移動一個柵距，光閘莫爾條紋明暗變化一次。 7.1.3 莫爾條紋特點 1．位移放大作用 圖7.3 莫爾條紋原理 相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角的關(guān)系為 令k為放大系數(shù)，則 一般很小，所以放大系數(shù)k很大。若兩光柵的光柵常數(shù)相等，莫爾條紋具有放大作用。例如W=0.02mm，=0.1度，則B=11.4592mm，其k值約為573，其它方法不易得到如此大的放大倍數(shù)。所以盡管柵距很小，難以觀察，但莫爾條紋卻清晰可見，這有利于安裝接收莫爾條紋的

7、光電元件。 莫爾條紋的寬度B由給定的光柵常數(shù)W和光柵夾角決定。對于給定的兩光柵，夾角愈小，條紋寬度愈大，即條紋越稀。通過調(diào)整夾角可使條紋達(dá)到所需要求。 在安裝調(diào)節(jié)時，通過調(diào)整角，可以改變莫爾條紋寬度，從而使電接收元件能正確接收光信號。對于100線/mm的光柵，柵距為O.01 mm，當(dāng)夾角O.06時，莫爾條紋間距B可達(dá)10 mm，放大了1000倍。 2．運動對應(yīng)的關(guān)系 莫爾條紋運動與光柵運動之間具有對應(yīng)性： 莫爾條紋的移動量和移動方向與主光柵相對于指示光柵的位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，圖7.3所示。 主光柵向右運動一個柵距W時，莫爾條紋向下移動一個條紋間距B；

8、 主光柵向左運動一個柵距W時，莫爾條紋向上移動一個條紋間距B； 由此可判斷主光柵或指示光柵的位移量和位移方向。 ? 若光柵柵距為w，i為刻線數(shù)，x為移動距離，則 （7.3） 將式(7.3)代入式(7.1)中，有 （7.4） 當(dāng)i和一定時，莫爾條紋間距B與移動距離x成正比。 ? 當(dāng)很小時，光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動時，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的方向運動。 ? 當(dāng)光柵移動一個柵距w時，莫爾條紋就移動一個條紋間隔B； ? 當(dāng)光柵

9、改變運動方向時，莫爾條紋也隨之改變運動方向，兩者具有相互對應(yīng)的關(guān)系。因此可以通過測量莫爾條紋的運動來判別光柵的運動。 3．誤差減小作用 光電元件獲取的莫爾條紋是光柵的大量柵線（數(shù)百條）共同形成的，對柵線的刻劃誤差平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周期誤差的影響。個別柵線的柵距誤差或斷線以及瑕疵對莫爾條紋的影響微小，這是光柵傳感器精度高的一個重要原因。 刻劃誤差是隨機誤差。設(shè)單個柵距誤差為，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條刻線，則方差為 (7.5) 7.2 光柵傳感

10、器的工作原理 利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，將被測幾何量轉(zhuǎn)換為莫爾條紋的變化，再將莫爾條紋的變化經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)精密測量。 7.2.1光電轉(zhuǎn)換原理 █ 光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 由光源1、聚光鏡（透鏡）2、光柵主尺3、指示光柵4（光柵主尺或主光柵和指示光柵合起來組成光柵副）和光敏元件5組成。 光柵副是光柵傳感器的主要組成部分。二者刻線面相對，中間留有很小的間隙相疊合，變組成了光柵副。 指示光柵比主光柵短得多，通常刻有與主光柵一樣密度的柵線，一般為每毫米10、25、50、100線。 光電轉(zhuǎn)換原理 當(dāng)兩塊光柵作相對移動時，光敏元

11、件上的光強隨莫爾條紋移動而變化： 在a處，兩光柵刻線不重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號最大； 在c處，由于光被遮去一半，光強減小； 在b處，光全被遮去而成全黑，光強為零。 若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強又逐漸增大，形成圖7.4(b)的輸出波形。 下圖中的光電接收元件，5為4極硅光電池。 圖7.4 透射直讀式光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 在理想情況下，當(dāng)a=b=w時，光強亮度變化曲線呈三角形分布，如圖7.4(c)虛線所示。但實際上因為刻劃誤差的存在造成亮度不均，使三角波形呈近似正弦波曲線。 7.2.2 莫爾條紋測量位移原理 當(dāng)光電元件接收到明暗相間的正弦

12、信號時，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 當(dāng)主光柵移動一個柵距w時，電信號則變化了一個周期； 光電信號的輸出電壓可以用光柵位移x的正弦函數(shù)來表示，光敏元件輸出的波形為 式中：——輸出信號的直流分量； ——交流信號的幅值； x——光柵的相對位移量。 當(dāng)檢測到的光電信號波形重復(fù)到原來的相位和幅值時，相當(dāng)于光柵移動了一個柵距w，如果光柵相對位移了N個柵距，此時位移x=Nw。因此，只要記錄移動過的莫爾條紋數(shù)N，就知道光柵的位移量x值。這就是利用光閘莫爾條紋測量位移的原理。 7.2.3 辨向原理 ? 位移測量傳感器必須能辨向，否則只能作為增量式位移傳感器使用； ? 為

13、辨別主光柵的移動方向，需在莫爾條紋信號取兩個具有相位差90的信號來辨別移動方向； ? 實現(xiàn)——在相隔B/4條紋間隔的兩個狹縫AB和CD位置安裝兩只光敏元件，兩個狹縫在結(jié)構(gòu)上相差/2，所以它們在光電元件上取得的信號必是相差/2。 當(dāng)莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差/2。滯后還是超前完全取決于光柵的運動方向。這種區(qū)別運動方向的方法稱為位置細(xì)分辨向。 圖7.5 辨向原理 ? 設(shè)AB為主信號，CD為門控信號。 差動放大器是為了消除光電信號的直流分量，施密特電路起整形作用；兩路微分電路和門電路畫在了一起。 當(dāng)主光柵作

14、正向運動時，CD產(chǎn)生的信號只允許AB產(chǎn)生的正脈沖通過，門電路在可逆計數(shù)器中作加法運算； 當(dāng)主光柵作反方向移動時，則CD產(chǎn)生的負(fù)值信號只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過； 門電路在可逆計數(shù)器中作減法運算,完成了辨向過程。 圖7.6 辨向原理電路框圖 7.3 莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 目前工藝水平，若進(jìn)行高精度幾何量測量(如納米測量)無法實現(xiàn)。需要對柵距進(jìn)一步細(xì)分，才可能獲得更高的測量精度。 7.3.1 細(xì)分方法 目前使用的細(xì)分方法有： (1)增加光柵刻線密度； (2)倍頻法 對電信號進(jìn)行電子插值，把一個周期變化的莫爾條紋信號再細(xì)分，即增大一個周期的脈沖數(shù)。在電子細(xì)分

15、中又可分為直接細(xì)分、電橋細(xì)分、示波管細(xì)分和鎖相細(xì)分等。 (3)機械和光學(xué)細(xì)分。 7.3.2 光電元件直接細(xì)分 在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件,如圖7.4(c)，得到相位分別相差/2的四個正弦周期信號,如下圖。 圖7.7四路電信號波形 用下圖（a）邏輯電路處理這一列信號：AB和CD兩光電元件輸出的和經(jīng)方波發(fā)生器后變成方波，并相差/2。在1、3點的方波經(jīng)倒相器倒相一次，便得到2、4點兩個方波倒相電壓。 經(jīng)微分后獲得5、6、7、8四點的正脈沖，同時送到與非門得到9點的12個輸出脈沖為原來任意一路的四倍，實現(xiàn)了四倍頻細(xì)分，如圖(b)。 圖7.8

16、四倍頻細(xì)分 (a)四倍邏輯；(b)波形圖 四倍頻細(xì)分法 用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以得到1/4個莫爾條紋寬度的位移量(即光柵固有分辨率的四倍)。 7.3.4 光柵傳感器的誤差 ? 單件光柵的誤差是由刻劃工藝和設(shè)備決定的。 ? 計量光柵大多數(shù)是在構(gòu)成莫爾條紋的情況下使用。由于莫爾條紋的平均誤差作用，使局部刻劃誤差的影響大大減小。 ? 設(shè)光電接收元件所覆蓋的光柵刻線總數(shù)為N，單個柵距誤差為，則可利用式(7.3) 粗略地描述平均誤差與單個柵距誤差之間的關(guān)系。 因為常用柵距叫為O.05～O.01 mm，若取光電池尺寸為10 mm，則 平

17、均誤差△為 因此，其平均誤差△很小。實際上莫爾條紋變化一周，只移動一個柵距，也就是在200～1000條柵線中只改變了一條柵線，因此單個柵距誤差的影響比式(7.3) 的還小。 ? 長光柵柵距誤差一般水平為微米(m)數(shù)量級，圓光柵為秒(”)數(shù)量級。 7.4 常用光學(xué)系統(tǒng) 在光柵傳感器中，由于光柵的種類和制作材料不同，故用來照明和接收莫爾條紋信號的光學(xué)系統(tǒng)有多種形式。 7．4．1透射直讀式光路 ? 將圖7.4中光電元件采用四極硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件，就構(gòu)成四細(xì)分直讀式分光系統(tǒng)。 ? 把形成的橫向莫爾條紋寬度B調(diào)整到等于四極硅光電池的寬度S(見圖7.4

18、(c))，這樣莫爾條紋變化一個條紋寬度B，四極硅光電池依次就輸出四路相位依次相差/2的電信號(如圖7.7所示波形)，四路電信號相當(dāng)于對莫爾條紋信號進(jìn)行四細(xì)分。 ? 這種光路的結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，廣泛應(yīng)用于粗柵距的黑白透射光柵傳感器中。 7．4．2反射直讀式光路 反射直讀式光路如圖7.10所示。 ? 光源經(jīng)聚光鏡成平行光束并以一定角度通過場鏡3射向指示光柵，莫爾條紋是金屬制成的標(biāo)尺光柵5反射回來的光線與指示光柵4相互作用形成的，由光電元件6接收莫爾條紋并將其轉(zhuǎn)換成電信號。 ? 這種光路常用于黑白反射光柵傳感器中。 圖7.10 反射直讀

19、式光路 7．4．3反射積分式光路 反射積分式光路如圖7.11所示。 ? 只用一只閃耀光柵作主光柵，沒有指示光柵。光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變成平行光束垂直入射到分光鏡上，經(jīng)過半透分光面時被分成CD、CE兩束光并垂直射到具有等腰三角形柵線的閃耀光柵上A、B兩點的線槽面時，最大強度的衍射光將沿原路反射回分光鏡,在分光面處相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，其干涉條紋經(jīng)透鏡由光電元件接收并轉(zhuǎn)換成電信號。 ? 這種光學(xué)系統(tǒng)具有光學(xué)四細(xì)分的作用，分辨力較高。例如，柵線密度為600線/mm時，干涉條紋變化一個周期就相當(dāng)于光柵移動量為w=1/41/600=0.42m。 ? 這種光路只用于細(xì)柵距的反射式閃耀光柵傳感器

20、中。 圖7.11 反射積分式光路 ? 光柵傳感器的光源有單色光和普通白光兩種。 ? 對于柵距較大的黑自光柵常用普通白熾燈照明，對于柵距較小的閃耀光柵需用單色光源。光源的波長應(yīng)與光電接收元件的峰值波長匹配，是為了提高光電轉(zhuǎn)換靈敏度。 ? 光柵傳感器常用的光電元件有硅光電池、光電二極管和光電三極管等，但用得最多的還是硅光電池。 思考題與習(xí)題 1. 透射式光柵傳感器的莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的? 條紋間距、柵距和夾角的關(guān)系是什么? 一個200線/mm的透射式光柵的莫爾條紋放大倍數(shù)是多少? 2．怎樣理解光柵的誤差平均特性? 3. 如何判別譽柵傳感器的運動方向? 4．如何實現(xiàn)提高光電式編碼器的分辨率? 5．查閱資料，對計量光柵的軟、硬件細(xì)分各提出一種方案。