《光柵傳感器》PPT課件.ppt

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1、第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用第 七 章 光 柵 傳 感 器 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 7.1 光 柵 基 礎(chǔ)1.光 柵 的 結(jié) 構(gòu) 光 柵 是 在 一 塊 長 條 型 （ 圓 形 ） 光 學(xué) 玻 璃 （ 或金 屬 ） 上 均 勻 刻 上 許 多 寬 度 相 等 的 刻 線 ， 形 成 透光 與 不 透 光 相 間 排 列 的 光 電 器 件 。 柵 線 光 柵 上 的 刻 線 ， 寬 度 a 縫 隙 寬 度 b 柵 距 w=a+b（ 也 稱 光 柵 常 數(shù) ） 第 七 章 光 柵 傳

2、 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 2、 分 類 按 原 理 和 用 途 ： 物 理 光 柵 和 計 量 光 柵 物 理 光 柵 ： 刻 線 細 密 ,利 用 光 的 衍 射 現(xiàn) 象 ,主要 用 于 光 譜 分 析 和 光 波 長 等 量 的 測 量 。 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 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 2、 分 類 按 光 的 走 向 ： 透 射 式 （ 玻 璃 ） 和 反 射 式 （

3、 金 屬 ） 透 射 式 光 柵 ： 刻 劃 基 面 采 用 玻 璃 材 料 反 射 式 光 柵 ： 刻 劃 基 面 采 用 金 屬 材 料 按 柵 線 形 式 ： 黑 白 光 柵 （ 幅 值 光 柵 ） 和 閃 耀 光 柵 （ 相 位 光柵 ） 黑 白 光 柵 ： 利 用 照 相 復(fù) 制 工 藝 加 工 而 成 ,其 柵 線 與 縫 隙為 黑 白 相 間 結(jié) 構(gòu) ； 相 位 光 柵 ： 橫 斷 面 呈 鋸 齒 狀 ,常 用 刻 劃 工 藝 加 工 而 成 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 2、 分 類 按 應(yīng) 用 類 型 ： 長 光 柵

4、和 圓 光 柵 長 光 柵 ： 刻 劃 在 玻 璃 尺 上 的 光 柵 ， 也 稱 為 光 柵 尺 ，刻 線 相 互 平 行 ； 用 于 測 量 長 度 或 線 位 移 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用構(gòu)成：主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動光柵長度 - 測量范圍；刻線密度 - 測量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm ) 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 圓 光 柵 ： 在 圓 盤 玻 璃 上 刻 線 ， 用 來 測 量 角 度 或 角 位 移 . w a b 放大

5、(a) 長光柵 (b) 圓光柵 放大 w a b 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用柵 距柵 線 寬 度縫 隙 寬 度柵 距 角 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 圓 光 柵 分 類 ：根 據(jù) 柵 線 刻 劃 的 方 向 ， 圓 光 柵 分 三 種 ： 徑 向 光 柵 : 其 柵 線 的 延 長 線 全 部 通 過 光 柵 盤 的 圓 心 ； 切 向 光 柵 : 其 全 部 柵 線 與 一 個 和 光 柵 盤 同 心 的 直 徑 只有 零 點 兒 或 幾 個 毫 米 的 小 圓 相 切 ; 環(huán) 形

6、 光 柵 : 一 簇 等 間 距 同 心 圓 組 成 .若 按 光 線 的 走 向 ， 圓 光 柵 只 有 透 射 光 柵 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用(a) 徑向光柵 (b) 切向光柵 (c) 環(huán)形光柵 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 3.莫 爾 條 紋1).莫 爾 條 紋 的 形 成 及 其 特 征 當(dāng) 指 示 光 柵 和 主 光 柵 的 刻 線 相 交 一 個 微 小 的夾 角 時 , 光 源 照 射 光 柵 尺 ， 由 于 擋 光 效 應(yīng) ， 兩塊 光 柵 刻 線 的 相 交

7、處 形 成 暗 帶 ， 而 在 刻 線 彼 此錯 開 處 形 成 亮 帶 。 在 與 光 柵 線 紋 大 致 垂 直 的 方向 上 , 產(chǎn) 生 出 亮 暗 相 間 的 條 紋 , 這 些 條 紋 稱 為“ 莫 爾 條 紋 ” 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 莫 爾 條 紋 演 示 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 長 光 柵 橫 向 莫 爾 條 紋 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角 很小，條紋近似與柵線的

8、方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋?？v向莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角0，且兩光柵柵距不等時產(chǎn)生的莫爾條紋。光閘莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角0, 且兩光柵柵距相等時產(chǎn)生的莫爾條紋。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋 縱向莫爾條紋 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 2) 莫 爾 條 紋 的 特 征 、 位 移 放 大 作 用2sin 2w WB 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 ： w a b a b a a b a b a B

9、w 2 1 B 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 1W BB k W 結(jié) 論 ： 越 小 , k越 大 ， B越 大 。例 如 ： =0.1 ， W=0.02mm時 =0.1 =0.1 2 /360=0.00175432rad 則 ： B=11.4592mm。莫 爾 條 紋 間 距 放 大 了 光 柵 間 距 ， 令 k為 放 大 系 數(shù) ，則 ： 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 、 運 動 對 應(yīng) 關(guān) 系 通 過 莫 爾 條 紋 的 運 動 特 性 判 別 光 柵 的 運 動 特 性光 柵

10、移 動 一 個 柵 距 ， 莫 爾 條 紋 移 動 一 個 條 紋 間 隔 ；光 柵 改 變 運 動 方 向 ， 莫 爾 條 紋 隨 之 改 變 運 動 方 向 。當(dāng) 移 動 的 刻 線 數(shù) i和 角 度 一 定 時 ， 莫 爾 條 紋 間 距 B與 移 動 距 離 x成 正 比 ， 即 ： /W x i xB i 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 誤 差 的 平 均 效 應(yīng) 光 電 元 件 對 光 柵 的 柵 距 誤 差 具 有 平 均 消 差 作 用 。u莫 爾 條 紋 由 光 柵 的 大 量 刻 線 形 成 , 幾 條 刻 線 的 柵距

11、誤 差 或 斷 裂 對 莫 爾 條 紋 的 位 置 和 形 狀 影 響 甚 微 。能 在 很 大 程 度 上 消 除 短 周 期 誤 差 的 影 響 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 工 作 原 理 ： 利 用 光 柵 的 莫 爾 條 紋 現(xiàn) 象 實 現(xiàn) 幾 何 量 的 測 量 ： 光 柵的 相 對 移 動 使 透 射 光 強 度 呈 周 期 性 變 化 ， 光 電 元 件把 這 種 光 強 信 號 變 為 周 期 性 變 化 的 電 信 號 ， 由 電 信號 的 變 化 即 可 獲 得 光 柵 的 相 對 移 動 量 。 特 點 ： 數(shù)

12、字 式 傳 感 器 ： 能 把 被 測 的 模 擬 量 直 接 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字量 。 與 模 擬 傳 感 器 相 比 ， 數(shù) 字 式 傳 感 器 抗 干 擾 能 力強 ,穩(wěn) 定 性 強 ;易 于 微 機 接 口 ,便 于 信 號 處 理 和 實 現(xiàn) 自動 化 測 量 。7.2 光柵傳感器的工作原理 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 一 、 光 電 轉(zhuǎn) 換 原 理 1 光 源 ； 2 聚 光 鏡 ； 3 光 柵 主 尺 ； 4 指 示 光 柵 ；5 光 敏 元 件 ； 6 莫 爾 條 紋 ； 7 光 強 分 布 第 七 章 光 柵 傳 感 器

13、 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 光 閘 莫 爾 條 紋 光 電 轉(zhuǎn) 換 原 理 理 想 情 況 ：三 角 形 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用0 02 2sin( ) sin , ( )Wm mU U U x U U xW 二 、 光 閘 莫 爾 條 紋 測 量 位 移 原 理 當(dāng) 光 電 元 件 5接 收 到 明 暗 相 間 的 正 弦 信 號 時 ,根 據(jù)光 電 轉(zhuǎn) 換 原 理 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

14、電 元 件 輸出 波 形 為 ：直 流 分 量 交 流 分 量 光 柵 相 對位 移 量 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 當(dāng) 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 能 記 錄移 動 過 的 莫 爾 條 紋數(shù) N,就 可 以 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 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳

15、 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 三 、 辨 向 原 理 及 辨 向 電 路1） 辨 向 的 原 因 當(dāng) 指 示 光 柵 無 論 向 前 或 向 后 移 動 時 ， 在一 固 定 點 安 裝 的 光 電 元 件 只 能 接 收 到 莫 爾 條紋 明 暗 交 替 的 變 化 ， 后 面 的 數(shù) 字 電 路 都 將 發(fā)生 同 樣 的 計 數(shù) 脈 沖 ， 從 而 無 法 辨 別 光 柵 移 動的 方 向 ， 也 不 能 正 確 測 量 出 有 往 復(fù) 移 動 時 位移 的 大 小 。 因 而 必 須 在 測 量 電 路 中 加 入 辨 向電 路 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳

16、 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 2） 辨 向 原 理 與 辨 向 電 路 為 辨 別 主 光 柵 的 移 動 方 向 ,需 要 有 兩 個 具 有 相 差的 莫 爾 條 紋 信 號 同 時 輸 入 來 辨 別 移 動 方 向 ,且 兩 個莫 爾 條 紋 信 號 相 差 90 相 位 。 實 現(xiàn) 的 方 法 是 在 相 隔 B 4條 紋 間 隔 的 位 置 上 安裝 兩 只 光 敏 元 件 ,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

17、動方 向 的 方 法 稱 為 位 置 細 分 辨 向 原 理 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用圖7.5 辨向原理 M1 M2 莫爾條紋 A C B D BB 4 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 1、 2 光 電 元 件 ； 3 指 示 光 柵 ； 4 莫 爾 條 紋 ； A 光 柵 移 動 方 向 ； B 莫 爾 條 紋 移 動 方 向 ； U1 元 件 AB對 應(yīng) 的 輸 出 電 壓 ； U2 元 件 CD對 應(yīng) 的 輸 出 電 壓 ； 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22

18、 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 AB與 CD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。 AB為 主 信 號 ,CD為 門 控 信 號 。 當(dāng) 主 光 柵 作 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 值 信 號 只讓 AB產(chǎn) 生 的 負 脈 沖 通 過 ,門 電 路 在 可 逆 計 數(shù) 器 中 作減 法 運 算 。 第 七 章 光

19、柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 辨 向 電 路 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 U1和 U2經(jīng) 過 整 形 后 得 兩 個 方 波 信 號 U1和 U2 。 U1產(chǎn) 生 計 數(shù) 脈 沖 ， U2的 電 平 狀 態(tài) 作 為 與 門 的 控制 信 號 , 來 控 制 在 不 同 的 移 動 方 向 時 , U1所 產(chǎn) 生 的脈 沖 輸 出 路 線 。 這 樣 就 可 以 根 據(jù) 運 動 方 向 正 確 的 給出 加 計 數(shù) 脈 沖 或 減 計 數(shù) 脈 沖 , 再 將 其 輸 入 可 逆 計 數(shù)器 , 實 時 顯

20、 示 出 相 對 于 某 個 參 考 點 的 位 移 量 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 當(dāng) 光 柵 沿 A向 移 動 時 ,莫 爾 條 紋 向 B向 移 動 。 U2超 前U1 90 。 U1經(jīng) 微 分 電 路 后 產(chǎn) 生 的 脈 沖 （ 如 圖 中 實 線所 示 ） 正 好 發(fā) 生 在 U2的 “ 1” 電 平 時 , 從 而 經(jīng) Y1輸 出一 個 加 計 數(shù) 脈 沖 ; 而 U1經(jīng) 反 相 并 微 分 后 產(chǎn) 生 的 脈 沖（ 如 圖 中 虛 線 所 示 ） 則 與 U2的 “ 0” 電 平 相 遇 , 與 門Y2被 阻 塞 , 無

21、 脈 沖 輸 出 。 當(dāng) 光 柵 沿 A反 方 向 移 動 時 , 莫 爾 條 紋 向 B反 向 移 動 。U1超 前 U290 。 U1的 微 分 脈 沖 發(fā) 生 在 U2為 “ 0” 電 平時 , 與 門 Y1無 脈 沖 輸 出 ; 而 U1的 反 相 微 分 脈 沖 則 發(fā)生 在 U 2的 “ 1” 電 平 時 , 與 門 Y2輸 出 一 個 減 計 數(shù) 脈 沖 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用辨 向 電 路 各 點 波 形 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 第 七 章 光 柵 傳 感

22、 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 7.3 莫 爾 條 紋 細 分 技 術(shù) 目 的 ： 提 高 分 辨 力 （ 測 量 更 小 的 位 移 量 ） 。 細 分 方 法 ： 1.增 加 光 柵 刻 線 密 度 ； 2.電 子 細 分 ； 3.機 械 和 光 學(xué) 細 分 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 電 子 細 分 ： 在 一 個 柵 距 即 一 個 莫 爾 條 紋 信 號 變 化 周期 內(nèi) , 發(fā) 出 n個 脈 沖 , 每 個 脈 沖 代 表 原 來 柵 距 的1/n。 由 于 細 分 后 計 數(shù) 脈 沖 頻 率 提

23、 高 了 n倍 , 因 此也 稱 之 為 n倍 頻 法 。通 常 采 用 的 電 子 細 分 方 法 有 ： 四 倍 頻 細 分 和 電 橋 細分 等 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 1. 四 倍 頻 細 分 方 案 ： 在 一 個 莫 爾 條 紋 寬 度 上 并 列 放 置 四 個 光 電元 件 ， 得 到 四 個 相 差 依 次 為 /2的 電 壓 信 號 ； 或 在相 差 B/4位 置 上 安 放 兩 個 光 電 元 件 ， 得 到 兩 個 相 差 /2電 壓 信 號 ， 將 這 兩 個 信 號 整 形 、 反 相 后 得 到 四個

24、 依 次 相 差 /2的 電 壓 信 號 。 在 光 柵 作 相 對 運 動 時 ， 經(jīng) 過 微 分 電 路 ， 在 正 向 運動 時 ， 得 到 四 個 微 分 脈 沖 （ 加 計 數(shù) 脈 沖 ） ； 反 向 運動 時 ， 得 到 四 個 微 分 脈 沖 （ 減 計 數(shù) 脈 沖 ） 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用相 距 B/4放 置 四 個 光 電 元 件 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用四 倍 頻 細 分 電 路 原 理 框 圖 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳

25、感 器 原 理 及 應(yīng) 用細 分 前 后 比 較 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 7.4 光 柵 傳 感 器 的 光 學(xué) 系 統(tǒng)組 成 ： 光 源 、 透 鏡 、 光 柵 、 光 敏 元 件光 源 ： 白 熾 燈 或 其 它 發(fā) 光 元 件 ；透 鏡 ： 把 光 線 變 成 平 行 光 束 照 射 在 光 尺 上 ；光 敏 元 件 ： 輸 出 電 壓 信 號 ；形 式 ： 透 射 直 讀 式 、 反 射 直 讀 式 、 反 射 積 分 式 等 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 1、透射直讀式特

26、 點 ： 光 電 元 件 采 用 四 極 硅 光 電 池 構(gòu) 成 四 細 分 直 讀 式 分 光系 統(tǒng) ， 輸 出 的 四 路 電 信 號 相 位 依 次 相 差 /2， 相 當(dāng) 于 對 莫爾 條 紋 信 號 進 行 四 細 分 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 特 點 ： 標(biāo) 尺 光 柵 為 反 射 式光 柵 ， 光 源 經(jīng) 透 鏡 成 平 行 光束 并 以 一 定 角 度 射 向 指 示光 柵 ， 莫 爾 條 紋 是 由 標(biāo) 尺光 柵 反 射 回 來 的 光 線 與 指示 光 柵 相 互 作 用 而 成 。（b）反射直讀式2、 反 射

27、直 讀 式 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 特 點 ： 只 用 一 個 閃 耀 光 柵 作 主 光 柵 ， 沒 有 指 示 光 柵 ， 利用 光 的 衍 射 和 干 涉 現(xiàn) 象 測 量 位 移 。3、 反 射 積 分 式 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 7.5 光 柵 傳 感 器 的 應(yīng) 用 由 于 光 柵 傳 感 器 測 量 精 度 高 、 動 態(tài) 測 量 范 圍廣 、 可 進 行 無 接 觸 測 量 、 易 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 的 自 動 化 和數(shù) 字 化 ， 因 而 在 機 械 工 業(yè) 中

28、 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 光 柵 傳 感 器 通 常 作 為 測 量 元 件 應(yīng) 用 于 機 床 定位 、 長 度 和 角 度 的 計 量 儀 器 中 ， 并 用 于 測 量 速 度 、加 速 度 、 振 動 等 。 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 例 : 光柵式萬能測長儀 第 七 章 光 柵 傳 感 器 2021-4-22 傳 感 器 原 理 及 應(yīng) 用 光 源 ： 紅 外 發(fā) 光 二 極 管 主 光 柵 ： 透 射 式 黑 白 振 幅 光 柵 ； 指 示 光 柵 ： 四 裂 相 光 柵 ， 得 到 四 路 相 位 差 依 次 為 /2的 原 始 信 號 ； 光 電 元 件 ： 光 電 三 極 管 四 路 原 始 信 號 經(jīng) 差 分 放 大 器 放 大 、 移 相 電 路 分 相 、整 形 電 路 整 形 、 倍 頻 電 路 細 分 、 辯 相 電 路 辯 相 后進 入 可 逆 計 數(shù) 器 計 數(shù) ， 由 顯 示 器 顯 示 讀 出 。