光柵式位移傳感器課程設(shè)計

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1、 湖南科技大學(xué)課程設(shè)計 題目：光柵式位移傳感器結(jié)構(gòu)及其電路設(shè)計 學(xué)生姓名：孫基 學(xué)號：1003030319 班級：10-03 專業(yè)：測控技術(shù)與儀器 指導(dǎo)教師：楊書儀 余以道 課程設(shè)計時間：2013年6月 一．緒論

2、 傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 這次課程設(shè)計選用的題目為光柵式位移傳感器，光柵式位移傳感器是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置，經(jīng)常用于機(jī)床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和

3、跟蹤走刀誤差，以起到一個補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動誤差的作用。 光柵式位移傳感器在現(xiàn)代工業(yè)中的作用是十分巨大的，不僅進(jìn)一步完善了代加工工業(yè)的精度，同時也提高了其工作效率。隨著國內(nèi)加工業(yè)、制造業(yè)等工業(yè)越來越成熟，對加工的精度要求也日益提高。因此，越來越多的企業(yè)選擇在各種機(jī)床上安裝光柵式位移傳感器，例如：銑床、磨床、車床、線切割、電火花等。其工作環(huán)境相對來說并不很苛刻，操作也很簡單。 二．光柵式位移傳感器的基本原理 光柵式位移傳感器的基本原理是兩片光柵，主光柵和副光柵之間存在一偏角 a，當(dāng)兩主副光柵發(fā)生橫向相對運(yùn)動時，光柵面上出現(xiàn)縱向移動的亮條紋。在光柵面的

4、兩側(cè)分別加上光源和光敏元件（包括硅光電池，光電二極管，光電三極管等。）光源發(fā)出通過透鏡產(chǎn)生一簇平行光照射在副光柵上，主光柵移動時，光源產(chǎn)生的平行光部分透過兩光柵之間的縫隙而產(chǎn)生亮紋，這時光敏器件接受光源的照射使光敏器件的電阻的阻值發(fā)生變化。從而在外部的測控電路中的電流或電壓值發(fā)生變化，再根據(jù)電量的輸出判斷亮紋出現(xiàn)的個數(shù)。根據(jù)亮紋個數(shù)和主光柵位移的關(guān)系科技計算主光柵的位移量。 莫爾條紋簡介： 是18 世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果，當(dāng)人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的

5、條紋，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋。 光柵式位移傳感器分為透射式和反射式光柵位移傳感器兩種。此次課程設(shè)計就透射式光柵位移傳感器進(jìn)行設(shè)計研究。 1. 莫爾條紋的幾何光學(xué)原理 對于柵距較大的黑白光柵，莫爾條紋的形成可以近似的看做是兩塊光柵的柵線的相互擋光作用的結(jié)果。光線在均勻透明的介質(zhì)中是按直線傳播的。在a-a線上的兩個山柵線相互重疊，光線透過間隙形成亮帶。而在b-b線相互遮擋就形成了暗帯。 由以上光學(xué)圖像可知長光柵的條紋斜率為 個條紋間距為

6、 莫爾條紋具有如下特點(diǎn)： （1）莫爾條紋的運(yùn)動與光柵的運(yùn)動一一對應(yīng) 　　當(dāng)指示光柵不動，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ，而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動；光柵反向移動，莫爾條紋也反向移動。主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋也相應(yīng)移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動，就能測量光柵移動的大小和方向，這要比直接對光柵進(jìn)行測量容易得多。 （2）莫爾條紋具有位移放大作用 　　當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距。當(dāng)兩個光柵刻線夾角θ較小時，由式（12.1.1）可知，W一定時，

7、θ愈小，則B愈大，相當(dāng)于把柵距W放大了1/ θ倍。例如，對50條/mm的光柵，W=0.02mm，若取，則莫爾條紋間距，K=573，相當(dāng)于將柵距放大了573倍。因此，莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大，可以實現(xiàn)高靈敏度的位移測量。 （3）莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng) 　　莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對刻線誤差具有平均效應(yīng)，能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達(dá)到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。因此，計量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。 （4）莫爾條紋的間距S隨光柵刻線夾角θ變化 　　由于光柵刻線夾角θ可以調(diào)節(jié)，因此可以根據(jù)需要改變θ的大小來調(diào)節(jié)莫爾條紋的間

8、距，這給實際應(yīng)用帶來了方便。 當(dāng)兩光柵的相對移動方向不變時，改變θ的方向，則莫爾條紋的移動方向改變。 三．總體設(shè)計方案的確定 總體的設(shè)計方案如上，利用光柵產(chǎn)生莫爾條紋的這一現(xiàn)象在主光柵發(fā)生移動時，在特定光源的作用下產(chǎn)生莫爾條紋，在光柵的另一側(cè)置一光敏元件，感受光強(qiáng)變化，從而改變光敏元件的電阻值，光電轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生周期變化的信號。 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方案： 1.簡單一點(diǎn)來說檢測輸出信號為模擬信號，將信號放大，濾波。用示波器顯示模擬信號。信號大致為一類似正余弦的圖像，通過數(shù)波峰個數(shù)來大致確定產(chǎn)生的亮條紋的個數(shù)。再乘以柵距就的

9、主光柵的位移。 主光柵和指示光柵的相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，為了測量莫爾條紋的位移，必須通過光電器件，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 在光柵的適當(dāng)位置放置光電器件，當(dāng)兩光柵作相對移動時，光電器件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動，光強(qiáng)變化為正弦曲線，如圖12.1.4所示。在a位置，兩個光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電器件輸出的電信號也最大；在c位置由于光被遮去一半，光強(qiáng)減小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng)最?。蝗艄鈻爬^續(xù)移動，透射到光電器件上的光強(qiáng)又逐漸增大。光電器件上的光強(qiáng)變化近似于正弦曲線，光柵移動一個柵距W，光強(qiáng)變化一個周期。光電器件的輸出電壓可用公式表示為 式中——輸出信

10、號中的直流分量； ——輸出信號中的交流分量幅值； x——兩光柵的相對位移。 通過整形電路，將正弦信號轉(zhuǎn)變成方波脈沖信號，則每經(jīng)過一個周期輸出一個方波脈沖，這樣脈沖總數(shù)N就與光柵移動的柵距數(shù)相對應(yīng)，因此光柵的位移為 2.細(xì)分電路 　　光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率等于一個柵距。但是，在精密檢測中常常需要測量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實現(xiàn)：1）增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。2）采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n個脈沖，從而得到比柵距更小

11、的分度值，使分辨力提高到。 　　細(xì)分的方法有多種，如直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號細(xì)分、軟件細(xì)分等。下面介紹常用的直接細(xì)分方法。 直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用細(xì)分?jǐn)?shù)為4，因此也稱為四倍頻細(xì)分。圖12.1.7給出了一種四倍頻細(xì)分電路及其波形。在上述辨向電路的基礎(chǔ)上，將獲得的兩個相位相差90的正弦信號分別整形和反相，就可得到4個相位依次為0(S)、90(C)、180()、270()的方波信號，經(jīng)RC微分電路后就可在光柵移動一個柵距時，得到均勻分布的4個計數(shù)脈沖，再送到可逆計數(shù)器進(jìn)行加法或減法計數(shù)，這樣可將分辯率提高4倍。 四倍頻細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，對莫爾條紋信號的波形無嚴(yán)格要

12、求，其缺點(diǎn)是細(xì)分?jǐn)?shù)不高。采用電橋細(xì)分、調(diào)制信號細(xì)分、鎖相細(xì)分等可有效提高細(xì)分?jǐn)?shù)，有關(guān)細(xì)分電路請參閱其他資料。 光柵數(shù)字傳感器的應(yīng)用 　　光柵數(shù)字傳感器具有測量精度高，分辨率高，測量范圍大，動態(tài)特性好，適合于非接觸式動態(tài)測量，易于實現(xiàn)自動控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測量設(shè)備中。但是光柵在工業(yè)現(xiàn)場使用時，對工作環(huán)境要求較高，不能承受大的沖擊和振動，要求密封，以防止塵埃、油污和鐵屑等的污染，成本較高。 　 四．傳感器各部分器件的選擇 光柵式位移傳感器的主要由照明系統(tǒng)，光柵，以及光電接受系統(tǒng)組成。 1.照明系統(tǒng)的選擇：光柵是位移傳感器的光源有單色光和普通光源

13、兩種。對于柵距較小的光柵，單色性不好會降低莫爾條紋的反差。柵距較大的光柵的黑白光柵常用普通白熾電燈照明。 2.光柵的選擇：主光柵材質(zhì)有玻璃和金屬兩種。柵線的寬度略大于縫寬。但不大于0.55W。指示光柵用光學(xué)玻璃制作，和主光柵的柵距相等。 3.光電元件的選擇：硅光電池或者光電二極管或者光電三極管。 五．誤差分析 誤差的分析可以從由光柵式位移傳感器的各個部分來分析。 光源部分：光源對整個傳感器系統(tǒng)的誤差主要來源于柵距不同時，光柵對光的特性好壞來確定的。在本次傳感器這幾種的光源部分產(chǎn)生的影響是可以忽略的。 光柵部分：

14、由計算公式有 可見這部分應(yīng)該是整個系統(tǒng)中出現(xiàn)的誤差的主要來源。包括光柵片材質(zhì)的選擇使的光柵片對各種光的特性不一。 第二個是柵距的選擇，柵距大，莫爾條紋反差大，信號強(qiáng)，光柵副間歇變化的影響小，而且光柵片容易刻畫，成本低，光路簡單。但是分辨率低，要求電子細(xì)分倍數(shù)大，電路復(fù)雜。柵距小時，其結(jié)果則相反。 第三個，因為光柵片上刻畫的柵線的距離是很小的，且刻畫時是很難保證各個柵線之間的距離是完全保持相等的，主副光柵之間的夾角也是難以精確測量的，所以也會帶來誤差。 第四個 ，就是光電接受電路系統(tǒng)中的誤差

15、，轉(zhuǎn)換電路設(shè)計時，因為水平問題，以及沒能預(yù)測到的電路設(shè)計時線路之間的寄生電容，電感的影響。 六．說明書 光柵線位移傳感器概述 開放式光柵線位移傳感器為高精度型，輸出波形為正弦波，主要用于精密儀器的數(shù)字化的改造，最高分辨率可達(dá)0.1um；封閉式光柵線位移傳感器則主要用于普通機(jī)床、儀器的數(shù)字化改造，輸出的波形為方波，按外形可分為小型尺和標(biāo)準(zhǔn)尺，其中標(biāo)準(zhǔn)型最長可做到3000mm，分辨率有1um、5um。 光柵線位移傳感器結(jié)構(gòu) 開放式光柵線位移傳感器的標(biāo)尺光柵裸露在外，微型發(fā)光器件和接收器件都裝在傳感頭里。開放式光柵線位移傳感器的精

16、度較高，要求的工作環(huán)境條件高，通常運(yùn)用于精密儀器及使用條件較好的數(shù)控設(shè)備上。 封閉式光柵線位移傳感器則是發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn)換器件和光柵尺封裝在緊固的鋁合金型材里，其中發(fā)光器件采用紅外發(fā)光二極管、光電轉(zhuǎn)換器件采用光電三極管，在鋁合金型材下部有柔性的密封膠條，可以防止鐵屑、切屑和冷卻劑等污染物進(jìn)入尺體中。電氣連接線經(jīng)過緩沖電路進(jìn)入傳感頭，然后再通過能防止干擾的電纜線送進(jìn)光柵數(shù)顯表，顯示位移的變化。 光柵線位移傳感器工作原理 光柵位移傳感器，是由一對光柵副中的主光柵（即標(biāo)尺光柵）和副光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相間）的規(guī)則條紋

17、圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為90的正弦波或方波，送入示波器顯示波形。 光柵線位移傳感器參數(shù) 測量長度 50+0,5 mm 分辨率 0.1; 0.2; 0.5; 1μm 準(zhǔn)確度 1 μm / 50 mm 柵距 20μm 工作溫度 0-40C 最大測量速度 0.5 m/s 彈簧耐壓 0.4-0.8 N 工作電壓 5Vss 5% 電流(LD 線性差動輸出) max. 130 mA 電流(TTL 輸出) max. 130 mA 防護(hù)等級 IP

18、40 絕緣阻抗 min. 20 MW 輸出信號(LD 線性差動輸出) RS 422, 20 mA 輸出信號(TTL 輸出) L=max. 0.5V at< 10mA H=min. 3.5V at> 2.5mA 尺寸 216.236419.79 線性度 采樣頻率KHZ 2 重量g 400 光柵線位移傳感器的安裝 光柵線位移傳感的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位，一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺(滑板)上，隨機(jī)床走刀而動，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。開放式光柵線位移傳感器的安裝必須注

19、意切屑、切削液及油液的濺落方向。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時，則必須增加輔助密封裝置。一般情況下，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對機(jī)床靜止部件上，此時輸出導(dǎo)線不移動易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對機(jī)床運(yùn)動的部件上(如滑板)。 光柵線位移傳感器常見故障及判斷 1.接電源后數(shù)顯表無顯示 可檢查電源線是否斷線，插頭接觸是否良好；數(shù)顯表電源保險絲是否熔斷；供電電壓是否符合要求。 2.數(shù)顯表不計數(shù) 可檢查傳感器電纜有無斷線、破損或?qū)鞲衅鞑孱^換至另一臺數(shù)顯表，若傳感器能正常工作說明原數(shù)顯表有問題。 3.數(shù)顯表間斷計數(shù) 可檢查光柵尺安裝是否正確，光柵尺所有固定

20、螺釘是否松動，光柵尺是否被污染；插頭與插座是否接觸良好；光柵尺移動時是否與其他部件刮碰、摩擦；機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動副精度是否過低，造成光柵工作間隙變化。 4.數(shù)顯表顯示報警 檢查有無接光柵傳感器；光柵傳感器是否移動速度過快；光柵尺是否被污染。 5.光柵傳感器移動后只有末位顯示器閃爍 檢查A或B相是否無信號或只有一相信號；是否有一路信號線不通；是否光敏三極管損壞。 6.移動光柵傳感器只有一個方向計數(shù)，而另一個方向不計數(shù)（即單方向計數(shù)） 可檢查是否光柵傳感器A、B信號輸出短路；光柵傳感器A、B信號移相不正確；數(shù)顯表有故障。 7.讀數(shù)頭移動發(fā)出吱吱聲或移動困難 檢

21、查是否密封膠條有裂口；指示光柵脫落，標(biāo)尺光柵嚴(yán)重接觸摩擦；下滑體滾珠脫落；上滑體嚴(yán)重變形。 8.新光柵傳感器安裝后，其顯示值不準(zhǔn) 檢查是否安裝基面不符合要求；光柵尺尺體和讀數(shù)頭安裝不合要求；嚴(yán)重碰撞使光柵副位置變化。 七.參考文獻(xiàn) 【1】唐文彥 傳感器 第3版 機(jī)械工業(yè)出版社 【2】楊裕根 諸世敏 現(xiàn)代工程圖學(xué) 第3版 北京郵電大學(xué)出版社 【3】周知進(jìn) 趙又紅 機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 中南大學(xué)出版社 【4】李小堅 趙山林 馮曉君 龍懷冰 protel DXP 電路設(shè)計第2版 人民郵電出版社 【5】張國雄 李醒飛 測控電路 第4版 機(jī)械

22、工業(yè)出版社 【6】張宏潤 傳感器技術(shù)大全 北京航空航天大學(xué)出版社 【7】樊尚春 傳感器技術(shù)及應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社 目錄 第一章 緒論..................................................................................................................1 第二章 光柵位移傳感器的基本理論

23、 2 第3章 總體設(shè)計........................................................................................................................5 第4章 傳感器各部分器件的選 擇...........................................................................................................................10 第

24、五章 誤差分析..................................................................................................... 11 第六章 說明書...........................................................................................................12 第七章 參考文獻(xiàn)........................................................................................................16