《光柵傳感器》PPT課件

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1、4.5 光 柵 傳 感 器4.5.1 光 柵 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu)4.5.2 莫 爾 條 紋 形 成 的 原 理4.5.3 莫 爾 條 紋 技 術(shù) 的 特 點(diǎn)4.5.4 光 柵 的 光 路4.5.5 辨 向 原 理4.5.6 細(xì) 分 技 術(shù) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器 數(shù) 控 機(jī) 床 上 用 計(jì) 量 光 柵 。 計(jì) 量 光 柵 可 分 為 透 射 式 光 柵 和反 射 式 光 柵 兩 大 類 ， 均 由 光 源 、 光 柵 副 、 光 敏 元 件 三 大 部分 組 成 。 計(jì) 量 光 柵 按 形 狀 又 可 分 為 長(zhǎng) 光 柵 和 圓

2、 光 柵 。尺 身 尺 身 安 裝 孔 掃 描 頭 （ 與 移 動(dòng) 部 件 固 定 ） 可 移 動(dòng) 電 纜4.5.1 光 柵 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 分 類 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器反 射 式 光 柵 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器透 射 式 光 柵 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器透 射 式 圓 光 柵固 定 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器1.結(jié) 構(gòu)透 明 玻 璃 上 刻 平 行 等 寬 又 等 間 距 的 條 紋a-線 寬 （ 透 光 ） ， b-縫 寬 (不 透 光 )W=a+b（ 柵 距 ） ， a=b=W/2 2.分 類物 理 光 柵 ：計(jì) 量 光 柵 ： 利 用 光 的 衍 射 現(xiàn) 象 分

3、 析 光 譜 、 測(cè) 定 波 長(zhǎng)利 用 光 的 莫 爾 條 紋 現(xiàn) 象 測(cè) 量 精 密 位 移 反 射 光 柵 ：透 射 光 柵 ： 在 不 透 光 的 金 屬 載 體 上 刻 制 出 等 間 距 的 條 紋 形 成在 透 明 光 學(xué) 玻 璃 上 均 勻 刻 制 出 平 行 等 間 距 的 條 紋 形 成實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 計(jì) 量 光 柵 又 分 為 ：4.5.1 光 柵 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 分 類 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器透 射 光 柵 的 結(jié) 構(gòu) 在 直 光 柵 中 ， 若 a為 刻 線 寬 度 ， b為 縫 隙 寬 度 ， 則 a+b稱為 光 柵 的 柵 距 (也 稱 光

4、柵 常 數(shù) )。 通 常 a b， 或 a:b 1.1:0.9。線 紋 密 度 一 般 為 每 毫 米 100、 50、 25和 10線 。 光 柵 傳 感 器 是 由 光源 、 透 鏡 、 主 光 柵 、 指 示 光 柵 和 光 電 接 收 元 件 組 成 主 光 柵 ， 是 測(cè) 量 的 基準(zhǔn) ， 另 一 塊 光 柵 為 指 示 光柵 ， 在 使 用 長(zhǎng) 光 柵 尺 的 數(shù)控 機(jī) 床 中 ， 標(biāo) 尺 光 柵 往 往固 定 在 床 身 上 不 動(dòng) ， 而 指示 光 柵 隨 拖 板 一 起 移 動(dòng) 。標(biāo) 尺 光 柵 的 尺 寸 常 由 測(cè) 量 范 圍 確 定 ， 指 示 光 柵 則 為一 小 塊

5、 ， 只 要 能 滿 足 測(cè) 量所 需 的 莫 爾 條 紋 數(shù) 量 即 可 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器 主 光 柵 和 指 示 光 柵 之 間 的 距 離 d可 根 據(jù) 光 柵 的 柵 距 來(lái) 選 擇 。 主 光柵 和 指 示 光 柵 在 平 行 光 的 照 射 下 ， 形 成 莫 爾 條 紋 。 主 光 柵 的 精 度 決定 了 整 個(gè) 裝 置 的 精 度 。 光 電 元 件 把 光 柵 形 成 的 莫 爾 條 紋 的 明 暗 強(qiáng) 弱變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 量 輸 出 ， 主 要 有 光 電 池 和 光 敏 晶 體 管 。4.5.1 光 柵 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 與 分 類3.光 柵

6、傳 感 器 的 組 成 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 副 ： 指 示 光 柵 主 光 柵 a+b=W稱 為 光 柵 的 柵 距 （ 或 光 柵 常 數(shù) ）通 常 情 況 下 ， a=b=W/2 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器4.5.2 莫 爾 條 紋 形 成 的 原 理莫 爾 條 紋 間 距 莫 爾 條 紋 寬 度 BH由 光 柵 常 數(shù) 與 光 柵 夾 角 決 定 在 透 射 式 直 線 光 柵 中 ， 把 主 光 柵 與 指 示 光 柵 的 刻 線 面 相 對(duì) 疊 合 在一 起 ， 中 間 留 有 很 小 的 間 隙 ， 并 使 兩 者 的 柵 線 保 持 很 小 的 夾 角 。當(dāng) 有 光

7、 照 射 時(shí) ， 由 于 擋 光 效 應(yīng) （ 50條 /mm以 下 ） 或 光 的 衍 射 作 用（ 100/mm以 上 ） ， 在 與 光 柵 刻 線 大 致 垂 直 方 向 上 形 成 明 暗 相 間 的 條紋 。 兩 光 柵 的 刻 線 重 合 處 ， 光 從 縫 隙 透 過(guò) ， 形 成 亮 帶 ； 在 兩 光 柵 刻線 的 錯(cuò) 開 處 ， 由 于 相 互 擋 光 作 用 而 形 成 暗 帶 。 BH W/ （ 為 主 光 柵和 指 示 光 柵 刻 線 的 夾 角 ） 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器莫 爾 條 紋 的 產(chǎn) 生均 勻 刻 線主 光 柵指 示光 柵 夾 角 明 暗 相 間條 紋

8、莫 爾 條 紋移 動(dòng)條 紋 寬 度 ： )2/sin(2W W 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器莫 爾 條 紋 演 示 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器莫 爾 條 紋 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 位 移W光強(qiáng)度光 柵 尺 的 輸 出 信 號(hào) 與 測(cè) 量 電 路 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 變 過(guò) 程光 柵 位 移輸出電壓 光 柵 位 移放大后的輸出電壓 光 柵 位 移整形后的輸出電壓 光 柵 位 移微分后的輸出電壓 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器莫 爾 條 紋 放 大 作 用 舉 例 有 一 直 線 光 柵 ， 每 毫 米 刻 線 數(shù) 為 50， 主 光 柵 與 指 示 光柵 的 夾 角 =1.8， 則 ： 分 辨 力

9、 =柵 距 W =1mm/50=0.02mm=20m （ 由 于 柵距 很 小 ， 因 此 無(wú) 法 觀 察 光 強(qiáng) 的 變 化 ） 莫 爾 條 紋 的 寬 度 是 柵 距 的 32倍 ： B H W/ = 0.02mm/（ 1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由 于 較 大 ， 因 此 可 以 用 小 面 積 的 光 電 池 “ 觀 察 ” 莫 爾 條紋 光 強(qiáng) 的 變 化 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器莫 爾 條 紋 的 特 性 放 大 性 ： W= / ， 夾 角 很 小 W 光 學(xué) 放 大 提 高 靈 敏 度 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) 與 柵

10、 距 成 比 例 ： 光 柵 移 動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 莫 爾 條 紋 沿 垂 直 方 向 移 動(dòng)一 個(gè) 間 距 W 準(zhǔn) 確 性 ： 大 量 刻 線 誤 差 平 均 效 應(yīng) 克 服 個(gè) 別 /局 部 誤差 提 高 精 度 在 一 個(gè) 柵 距 內(nèi) ， 光 電 元 件 所 檢 測(cè) 的 光 強(qiáng) 變 化 為 正弦 （ 或 余 弦 ） 變 化 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器徑 向 光 柵 進(jìn) 行 角 度 測(cè) 量 當(dāng) 標(biāo) 尺 光 柵 相 對(duì) 于 指 示 光 柵 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 條 紋 即 沿 徑 向 移 動(dòng) ， 測(cè) 出 條 紋 移 動(dòng) 數(shù) 目 ， 即 可 得 到 標(biāo) 尺 光 柵 相 對(duì) 指 示 光 柵 轉(zhuǎn)

11、動(dòng) 的角 度 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器4.5.4 光 柵 的 光 路 透 射 光 路 反 射 光 路 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器（ 1） 透 射 式 光 路 1-光 源2-準(zhǔn) 直 透 鏡3-主 光 柵4-指 示 光 柵5-光 電 元 件 此 光 路 適 合 于 粗 柵 距 的 黑 白 透 射 光 柵 。 特 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 位 置 緊 湊 ， 調(diào) 整 使 用 方 便 ， 應(yīng) 用 廣 泛 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器（ 2） 反 射 式 光 路 1反 射 主 光 柵2-指 示 光 柵3-場(chǎng) 鏡4-反 射 鏡5-聚 光 鏡6-光 源7-物 鏡8-光 電 電 池 。該 光 路 適

12、 用 于 黑 白 反 射 光 柵 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器4.5.5 辨 向 原 理 如 果 傳 感 器 只 安 裝 一 套 光 電 元 件 ， 則 在 實(shí) 際應(yīng) 用 中 ， 無(wú) 論 光 柵 作 正 向 移 動(dòng) 還 是 反 向 移 動(dòng) ，光 敏 元 件 都 產(chǎn) 生 相 同 的 正 弦 信 號(hào) ， 無(wú) 法 分 辨位 移 的 方 向 。 例 ： 某 1024p/r 圓 光 柵 ， 正 轉(zhuǎn) 10圈 ， 反 轉(zhuǎn) 4 圈 ， 若 不 采 取 辨 向 措 施 ， 則 計(jì) 數(shù) 器 將 錯(cuò)誤 地 得 到 14336個(gè) 脈 沖 ， 而 正 確 值 為 ： (10 4) 1024 6144個(gè) 脈 沖 。 傳

13、感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 尺 的 輸 出 信 號(hào) 與 測(cè) 量 電 路 光 柵 讀 數(shù) 頭 組 成 ： 光 源 、 聚 光 透 鏡 、 指 示 光 柵 、 光 敏元 件 、 信 號(hào) 處 理 電 路 （ 包 括 放 大 、 整 形 和 鑒 向 倍 頻 ） 。 光 柵 讀 數(shù) 頭 作 用 ： 將 莫 爾 條 紋 的 光 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 電 脈沖 信 號(hào) 。 在 相 距 BH/4的 位 置 上 設(shè) 置 兩 個(gè) 光 電 元 件 1和 2， 以 得 到 兩個(gè) 相 位 互 差 90 的 正 弦 信 號(hào) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器辨 向 電 路正 向 移 動(dòng) 時(shí) 脈 沖 數(shù) 累 加 ， 反 向 移

14、動(dòng) 時(shí) ， 便 從 累 加 的 脈 沖 數(shù) 中 減 去 反 向 移 動(dòng) 所 得 到 的 脈 沖 數(shù) ， 這 樣 光 柵 傳 感 器 就 可 辨 向 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器4.5.5 辨 向 原 理 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 尺 的 輸 出 信 號(hào) 與 測(cè) 量 電 路 辨 向W 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器4.5.6 細(xì) 分 技 術(shù) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器4.5.6 細(xì) 分 技 術(shù)1.光 柵 數(shù) 字 傳 感 器 的 測(cè) 量 分 辨 率等 于 一 個(gè) 柵 距 。2.提 高 分 辨 力 方 法 ：a.增 加 刻 線 密 度 減 小 柵 距 。 但 受刻 線 工 藝 的 限 制 。b

15、.采 用 細(xì) 分 技 術(shù) ， 使 光 柵 每 移動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 時(shí) 輸 出 均 勻 分 布 的 n個(gè) 脈 沖 ， 從 而 得 到 比 柵 距 更 小的 分 度 值 ， 使 分 辨 率 提 高 到W/n。 常 用 的 細(xì) 分 方 法 有 ： 直接 細(xì) 分 、 電 橋 細(xì) 分 、 鎖 相 細(xì) 分 、 調(diào) 制 信 號(hào) 細(xì) 分 、 軟 件 細(xì) 分 等。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器（ 1） 直 接 細(xì) 分 直 接 細(xì) 分 又 稱 位 置 細(xì) 分 ， 常 用 的 細(xì) 分 數(shù) 為 4。四 細(xì) 分 可 用 4個(gè) 依 次 相 距 的 光 電 元 件 ， 在 莫 爾條 紋 的 一 個(gè) 周 期 內(nèi) 將 產(chǎn) 生

16、4個(gè) 計(jì) 數(shù) 脈 沖 ， 實(shí) 現(xiàn)了 四 細(xì) 分 。 優(yōu) 點(diǎn) ： 對(duì) 莫 爾 條 紋 信 號(hào) 波 形 要 求 不 嚴(yán) 格 ， 電 路簡(jiǎn) 單 ， 可 用 于 靜 態(tài) 和 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 系 統(tǒng) 。缺 點(diǎn) ： 光 電 元 件 安 放 困 難 ， 細(xì) 分 數(shù) 不 能 太 高 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器未細(xì)分(a) 與細(xì)分(b) 的波形比較 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器（ 2） 電 阻 電 橋 細(xì) 分 法 （ 矢 量 和 法 ） 2 21 1121 2 eRR ReRR RUsc cossin )sin( AUsc用 此 信 號(hào) 去 觸 發(fā) 施 密 特 電 路 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器 電 阻 電

17、橋 細(xì) 分 法 用 于 10細(xì) 分 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器（ c） 電 阻 鏈 細(xì) 分 法 （ 電 阻 分 割 法 ） 等 電 阻 鏈 細(xì) 分 電 路 實(shí) 質(zhì) ： 用 電 阻 衰 減 器 來(lái) 進(jìn) 行 細(xì) 分 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光柵傳感器的應(yīng)用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器掃 描 頭 （ 與 移 動(dòng) 部 件 固 定 ） 光 柵 尺可 移 動(dòng) 電 纜光柵的外形及結(jié)構(gòu) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢

18、測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光 柵 應(yīng) 用 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器長(zhǎng) 度 計(jì) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器光柵傳感器的應(yīng)用優(yōu) 點(diǎn) ： 測(cè) 量 精 度 高 ， 分 辨 率 高 ， 測(cè) 量 范 圍 大 ， 動(dòng) 態(tài) 性 能 好 ， 適 合 非 接 觸動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 ， 易 于 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 控 制 ， 廣 泛 用 于 數(shù) 控 機(jī) 床 和 精 密 測(cè) 量 設(shè) 備 中 。缺 點(diǎn) ： 對(duì) 工 作 環(huán) 境 要 求 較 高 ， 不 能 承 受 大 沖 擊 和 振 動(dòng) ， 要 求 密 封 ， 防 止塵 埃 、 油 污 、 鐵 屑 的 污 染 ， 成 本 高 。 傳感器與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感器數(shù)顯表光柵傳感器的應(yīng)用