位移檢測(cè)傳感器之光柵傳感器

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1、第 三 節(jié) 大 位 移 檢 測(cè) 傳 感 器二 、 光 柵 位 移 傳 感 器 二 、 光 柵 式 位 移 傳 感 器n 光 柵 式 位 移 傳 感 器 有 測(cè) 量 線 位 移 的 長(zhǎng) 光 柵 和 測(cè)量 角 位 移 的 圓 光 柵 。 光 柵 式 位 移 傳 感 器 的 分 類1 測(cè) 量 線 位 移 的 長(zhǎng) 光 柵 2 測(cè) 量 角 位 移 的 圓 光 柵 n 由 大 量 等 寬 等 間 距 的 平 行 狹 縫 組 成 的 光 學(xué) 器 件 稱 為 光 柵 ，如 圖 所 示 。n 用 玻 璃 制 成 的 光 柵 稱 為 透 射 光 柵 ， 它 是 在 透 明 玻 璃 上 刻出 大 量 等 寬 等 間

2、 距 的 平 行 刻 痕 ， 每 條 刻 痕 處 是 不 透 光 的 ，而 兩 刻 痕 之 間 是 透 光 的 。n 光 柵 的 刻 痕 密 度 一 般 為 每 厘 米 10、 25、 50、 100線 。 刻痕 之 間 的 距 離 為 柵 距 W。莫 爾 條 紋 光 柵 結(jié) 構(gòu) 放 大 圖 n 長(zhǎng) 光 柵 是 在 兩 塊 光 學(xué) 玻 璃 上 或 具 有 強(qiáng) 反 射 能力 的 金 屬 表 面 上 ， 刻 上 相 同 的 均 勻 密 集 的 平 行 細(xì)線 。 如 果 將 這 兩 塊 玻 璃 板 或 金 屬 板 重 疊 放 置 ， 并使 它 們 的 刻 線 間 有 一 微 小 夾 角 ， 此 時(shí)

3、， 由 于 光的 干 涉 效 應(yīng) ， 兩 塊 光 柵 的 刻 線 相 交 處 ， 光 會(huì) 從 縫隙 透 過 ， 形 成 亮 帶 （ 如 圖 a-a線 ） ， 而 在 一 塊 光柵 的 刻 線 與 另 一 塊 光 柵 的 縫 隙 相 交 處 形 成 暗 帶（ b-b） ， 這 種 亮 帶 和 暗 帶 形 成 明 暗 相 間 的 條 紋 ，這 些 條 紋 稱 為 莫 爾 條 紋 。 條 紋 方 向 與 刻 線 方 向近 似 垂 直 。莫 爾 條 紋 n 根 據(jù) 莫爾 條 紋效 應(yīng) 設(shè)計(jì) 光 柵傳 感 器 。 莫 爾 條 紋 若 光 柵 柵 距 為 W， 兩 個(gè) 相 鄰 莫 爾 條 紋 的 間 距

4、為 BH， （ 即莫 爾 條 紋 中 兩 條 暗 紋 或 兩 條 亮 紋 之 間 的 距 離 ） 則 有2(sin /2)H W WB 莫 爾 條 紋這 里 是 弧 度 ， 如 果 夾 角 為 0.10， 則 =0.1/180* ,則 BH=573W,相 當(dāng) 于 把 柵 距 放大 了 573倍 。 運(yùn) 動(dòng) 方 向 ： 當(dāng) 兩 個(gè) 光 柵 沿 刻 線 垂 直 方 向 作 相 對(duì) 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫爾 條 紋 則 沿 光 柵 刻 線 方 向 移 動(dòng) （ 兩 者 的 運(yùn) 動(dòng) 方 向 相 互 垂 直 ） 。光 柵 運(yùn) 動(dòng) 方 向 改 變 ， 莫 爾 條 紋 的 運(yùn) 動(dòng) 方 向 也 作 相 應(yīng) 改 變

5、。莫 爾 條 紋 的 位 移 與 光 柵 的 移 動(dòng) 成 比 例 ： 光 柵 每 移 動(dòng) 一 個(gè) 柵距 W， 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) 一 個(gè) 條 紋 間 距 BH；莫 爾 條 紋 具 有 位 移 放 大 作 用 ： 莫 爾 條 紋 的 間 距 B與 兩 光 柵條 紋 夾 角 之 間 關(guān) 系 為 BH= W/ , 越 小 ， 則 BH越 大 。 這 相當(dāng) 于 把 柵 距 W放 大 了 1/ 倍 。 如 對(duì) 于 25線 /mm長(zhǎng) 光 柵 而 言 ，W=0.04mm,若 =0.016rad， 則 BH =2.5mm(這 樣 ， 可 把 肉 眼 看 不 見 的 光 柵 位 移 變 成 為 清 晰 可

6、見 的 莫 爾 條 紋移 動(dòng) ， 可 以 用 測(cè) 量 條 紋 的 移 動(dòng) 來 檢 測(cè) 光 柵 的 位 移 。 可 以 實(shí) 現(xiàn)高 靈 敏 的 位 移 測(cè) 量 )莫 爾 條 紋 有 如 下 特 點(diǎn) 當(dāng) 兩 個(gè) 光 柵 沿 刻 線 垂 直 方 向 作 相 對(duì) 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫 爾 條 紋的 光 強(qiáng) 度 隨 條 紋 移 動(dòng) 近 似 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 。 光 柵 移 動(dòng) 一個(gè) 柵 距 W， 光 強(qiáng) 變 化 一 個(gè) 周 期 。 通 過 光 電 元 件 ， 可 將 莫爾 條 紋 移 動(dòng) 時(shí) 光 強(qiáng) 的 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 近 似 正 弦 變 化 的 電 信 號(hào) ，如 圖 所 示 。 U0U W/

7、2o Um 2W3W/2W x WxUUU m 2sin0 莫 爾 條 紋 有 如 下 特 點(diǎn) 莫 爾 條 紋 具 有 平 均 光 柵 誤 差 的 作 用 ： 莫 爾 條 紋由 大 量 的 光 柵 柵 線 共 同 形 成 ， 所 以 對(duì) 光 柵 柵 線 的刻 劃 誤 差 有 平 均 作 用 。 通 過 莫 爾 條 紋 所 獲 得 的 精度 可 以 比 光 柵 本 身 柵 線 的 刻 劃 精 度 還 要 高 。莫 爾 條 紋 有 如 下 特 點(diǎn)莫 爾 條 紋 移 過 的 條 紋 數(shù) 等 于 光 柵 移 過 的 柵 線 數(shù) 。如 采 用 100線 /mm光 柵 時(shí) ， 若 光 柵 移 動(dòng) 了 xm

8、m(即移 過 100 x條 光 柵 柵 線 時(shí) ） ， 則 從 光 電 元 件 前 掠 過的 莫 爾 條 紋 也 是 100 x條 。 由 于 莫 爾 條 紋 間 距 比 柵 距 寬 的 多 ， 所 以 能 夠 被 光敏 元 件 識(shí) 別 。 將 此 莫 爾 條 紋 產(chǎn) 生 的 電 脈 沖 信 號(hào) 計(jì)數(shù) ， 就 可 知 道 移 動(dòng) 的 實(shí) 際 位 移 。 當(dāng) 兩 個(gè) 光 柵 沿 刻 線 垂 直 方 向 作 相 對(duì) 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫 爾 條 紋 則沿 光 柵 刻 線 方 向 移 動(dòng) （ 兩 者 的 運(yùn) 動(dòng) 方 向 相 互 垂 直 ） 。 光 柵 每移 動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 W， 莫 爾 條 紋 移

9、 動(dòng) 一 個(gè) 條 紋 間 距 BH， 通 過 測(cè) 量莫 爾 條 紋 移 過 的 數(shù) 目 ， 即 可 得 出 光 柵 的 位 移 量 。 光 柵 運(yùn) 動(dòng) 方 向 改 變 ， 莫 爾 條 紋 的 運(yùn) 動(dòng) 方 向 也 作 相 應(yīng) 改 變 。查 看 莫 爾 條 紋 的 上 下 移 動(dòng) 方 向 ， 即 可 確 定 主 光 柵 左 右 移 動(dòng) 方向 . 莫 爾 條 紋 的 光 強(qiáng) 度 隨 條 紋 移 動(dòng) 近 似 按 正 弦 規(guī) 律 變 化 。 光柵 移 動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 W， 光 強(qiáng) 變 化 一 個(gè) 周 期 。 因 此 可 根 據(jù) 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) 的 條 紋 數(shù) 和 方 向 ， 測(cè) 出 光 柵

10、移 動(dòng)的 距 離 和 方 向 。 光 柵 傳 感 器 就 是 根 據(jù) 這 一 原 理 ， 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 位 移的 檢 測(cè) 。1. 長(zhǎng) 光 柵 位 移 傳 感 器 的 工 作 原 理 n 在 作 直 線 位 移 測(cè) 量 時(shí) ， 常 把 前 面 介 紹 的 兩 塊 光 柵作 成 一 個(gè) 標(biāo) 尺 光 柵 和 一 個(gè) 指 示 光 柵 。n 標(biāo) 尺 光 柵 是 一 個(gè) 長(zhǎng) 條 形 光 柵 ， 光 柵 長(zhǎng) 度 由 所 需 量程 決 定 。 指 示 光 柵 較 短 ， 通 常 根 據(jù) 測(cè) 量 光 學(xué) 系 統(tǒng)的 需 要 而 定 ， 一 般 與 光 學(xué) 系 統(tǒng) 物 鏡 直 徑 相 同 。n 光 柵 條 紋 密 度

11、 有 25條 /mm， 50條 /mm、 100條/mm或 更 密 ， 柵 線 長(zhǎng) 度 一 般 為 6 12mm。2. 長(zhǎng) 光 柵 位 移 傳 感 器 3 2 4 11.標(biāo) 尺 光 柵 2.指 示 光 柵3.光 電 元 件 4.光 源 2. 長(zhǎng) 光 柵 位 移 傳 感 器n 根 據(jù) 不 同 的 設(shè) 計(jì) 要 求 ， 光 柵 可 以 制 成 透 射 光 柵和 反 射 光 柵 。n 透 射 光 柵 的 柵 線 刻 制 在 透 明 材 料 上 ， 要 求 較 高時(shí) ， 可 以 采 用 光 學(xué) 玻 璃 ； 而 指 示 光 柵 最 好 采 用光 學(xué) 玻 璃 。n 反 射 光 柵 的 柵 線 刻 制 在 具

12、 有 反 射 率 很 高 的 金 屬或 鍍 以 金 屬 膜 的 玻 璃 上 。 n 由 于 采 用 不 同 形 式 的 光 柵 ， 光 學(xué) 系 統(tǒng) 也 各 不 相同 ， 常 采 用 的 光 學(xué) 系 統(tǒng) 有 ：n (1)透 射 式 光 路 n (2)反 射 式 光 路3. 光 學(xué) 系 統(tǒng) （ 1） 透 射 式 光 路 n 光 源 5發(fā) 出 的 光 線 經(jīng) 準(zhǔn) 直透 鏡 4變 成 平 行 光 ， 入 射到 指 示 光 柵 3上 ， 經(jīng) 過 指示 光 柵 3和 標(biāo) 尺 光 柵 2，再 透 射 到 光 敏 元 件 1上 。n 一 般 標(biāo) 尺 光 柵 固 定 不 動(dòng) ，而 光 源 、 指 示 光 柵 和

13、 光敏 元 件 固 定 在 被 測(cè) 位 移體 上 ， 莫 爾 條 紋 的 移 動(dòng)信 號(hào) 被 光 敏 元 件 接 收 。每 當(dāng) 亮 帶 通 過 光 敏 元 件時(shí) ， 有 一 個(gè) 相 應(yīng) 的 電 信號(hào) 輸 出 。 透 射 式 光 柵 （ 2） 反 射 式 光 路 n 光 源 1發(fā) 出 的 光 線 經(jīng) 聚 光鏡 2及 場(chǎng) 鏡 4后 以 平 行 光束 射 向 指 示 光 柵 5上 ， 再經(jīng) 標(biāo) 尺 光 柵 6反 射 后 形 成莫 爾 條 紋 ， 通 過 反 射 鏡 3和 物 鏡 系 統(tǒng) 7把 莫 爾 條 紋的 信 號(hào) 送 入 光 敏 元 件 8上 .n 當(dāng) 指 示 光 柵 與 標(biāo) 尺 光 柵有 相 對(duì)

14、 位 移 時(shí) ， 光 敏 元件 可 接 收 到 移 動(dòng) 的 莫 爾條 紋 信 號(hào) 。 反 射 式 光 柵 長(zhǎng) 光 柵 式 位 移 傳 感 器 的 特 點(diǎn)n 長(zhǎng) 光 柵 位 移 傳 感 器 的 測(cè) 長(zhǎng) 精 度 可 達(dá) 0.53m (3000mm范 圍 內(nèi) )， 分 辨 力 可 達(dá) 0.1m,可 進(jìn) 行 無 接 觸 測(cè) 量 n 用 兩 塊 刻 線 數(shù) 目 相 同 ， 切 線 圓 半 徑 分 別 為 r1、r2的 切 向 圓 光 柵 同 心 放 置 ， 所 產(chǎn) 生 的 環(huán) 形 莫 爾條 紋 如 圖 所 示4. 圓 光 柵n 其 條 紋 間 距 為 21 rr WRHB n 用 兩 塊 刻 線 數(shù) 目

15、 相 同 的 徑 向 圓 光 柵 偏 心 放 置 ，偏 心 量 為 e， 這 時(shí) 形 成 不 同 曲 率 半 徑 的 圓 弧 形莫 爾 條 紋 如 圖 所 示4. 圓 光 柵n 其 條 紋 間 距 為 eWRHB n 動(dòng) 光 柵 固 定 在 轉(zhuǎn) 軸 上 ， 因 此 ， 可 將 軸 旋 轉(zhuǎn) 的 角度 量 變 換 成 莫 爾 條 紋 信 號(hào) 。 通 過 光 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 ，將 莫 爾 條 紋 的 變 化 轉(zhuǎn) 換 成 近 似 于 正 弦 波 形 的 電信 號(hào) 。 測(cè) 角 精 度 可 達(dá) 0.15”， 分 辨 力 可 達(dá) 0.1”，甚 至 更 高 。4. 圓 光 柵 二 、 光 柵 式 位 移

16、傳 感 器4. 圓 光 柵n (1)切 向 圓 光 柵n (2)徑 向 圓 光 柵徑 向 圓 光 柵 切 向 圓 光 柵4. 圓 光 柵 n由 前 面 分 析 ， 光 柵 每 移 動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 W， 莫 爾 條 紋 移動(dòng) 一 個(gè) 條 紋 間 距 BH ， 光 電 元 件 輸 出 就 變 化 一 個(gè) 周 期2， 經(jīng) 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 電 路 輸 出 一 個(gè) 脈 沖 ， 若 按 此 進(jìn) 行 計(jì) 數(shù) ，則 它 的 分 辨 力 只 有 一 個(gè) 光 柵 柵 距 W.n為 了 能 夠 分 辨 比 W更 小 的 位 移 量 ， 就 要 提 高 分 辨 力 ，一 種 方 法 是 可 以 采 用 增 加 刻

17、 劃 密 度 的 方 法 來 減 少 柵 距 ，但 這 種 方 法 受 到 制 造 工 藝 或 成 本 的 限 制 ， 如 倘 若 要 讀出 位 移 為 0.1m， 勢(shì) 必 要 求 每 毫 米 刻 線 1萬 條 ， 這 是目 前 工 藝 水 平 無 法 實(shí) 現(xiàn) 的 。5.細(xì) 分 技 術(shù) 常 用 的 細(xì) 分 方 法 有 四 倍 頻 細(xì) 分 法 、 十 六 倍頻 細(xì) 分 法 、 計(jì) 算 機(jī) 細(xì) 分 法 等 。 5.細(xì) 分 技 術(shù)n另 一 種 方 法 是 采 用 柵 距 細(xì) 分 技 術(shù) ， 由 于 細(xì)分 后 計(jì) 數(shù) 脈 沖 提 高 了 n倍 ， 所 以 細(xì) 分 又 稱 倍頻 ， 細(xì) 分 后 可 以

18、在 不 增 加 刻 線 數(shù) 的 情 況 下 較大 地 提 高 光 柵 的 分 辨 力 。 四 倍 頻 細(xì) 分 法 在 一 個(gè) 莫 爾 條 紋 寬 度 上 并 列 放 置 四 個(gè) 光 電 元 件 ， 如 右 下圖 (a)所 示 ， 得 到 相 位 分 別 相 差 /2四 個(gè) 正 弦 周 期 信 號(hào) 。 用 適當(dāng) 電 路 處 理 這 些 信 號(hào) ， 使 其 合 并 得 到 如 右 下 圖 所 示 的 脈 沖信 號(hào) 。 每 個(gè) 脈 沖 分 別 和 四 個(gè) 周 期 信 號(hào) 的 零 點(diǎn) 相 對(duì) 應(yīng) ， 則 電 脈沖 的 周 期 反 應(yīng) 了 1/4個(gè) 莫 爾 條 紋 寬 度 。 用 計(jì) 數(shù) 器 對(duì) 這 一

19、 列 脈沖 信 號(hào) 計(jì) 數(shù) ， 就 可 以 讀 到 1/4個(gè) 莫 爾 條 紋 寬 度 的 位 移 量 ， 這將 是 光 柵 固 有 分 辨 率 的 四 倍 。 此 種 方 法 被 稱 為 四 倍 頻 細(xì) 分 法 。 n課 堂 練 習(xí) 4、 在 下 述 位 移 傳 感 器 中 ， 適 宜 于 測(cè) 量 大 位 移的 傳 感 器 是 （ 單 一 ） A、 電 阻 式 傳 感 器B、 電 感 式 傳 感 器C、 壓 電 式 傳 感 器D、 光 柵 式 傳 感 器 4、 在 下 述 位 移 傳 感 器 中 ， 適 宜 于 測(cè) 量 大 位 移的 傳 感 器 是 （ 單 一 ） D、 光 柵 式 傳 感 器

20、 1、 若 光 柵 式 位 移 傳 感 器 的 光 柵 柵 距 為 0.04mm,柵 線的 夾 角 為 1.80， 則 相 鄰 莫 爾 條 紋 的 間 距 為 （ 單 一 ） A、 0.022mmB、 0.07mmC、 1.27mmD、 3.99mm 11、 若 光 柵 式 位 移 傳 感 器 的 光 柵 柵 距 為 0.04mm,柵線 的 夾 角 為 1.80， 則 相 鄰 莫 爾 條 紋 的 間 距 為 （ 單 一 ） C、 1.27mm mmWHB 27.1*180/8.1 04.0 23、 四 倍 細(xì) 分 式 光 柵 式 位 移 傳 感 檢 測(cè) 系 統(tǒng) ， 當(dāng) 用 4個(gè) 光 電 元件

21、接 收 莫 爾 條 紋 的 移 動(dòng) 信 號(hào) 時(shí) ， 分 辨 力 為 0.004/mm脈 沖 ， 則光 柵 的 柵 距 為 （ ） （ 模 擬 一 ） 23、 四 倍 細(xì) 分 式 光 柵 式 位 移 傳 感 檢 測(cè) 系 統(tǒng) ， 當(dāng) 用 4個(gè) 光 電 元件 接 收 莫 爾 條 紋 的 移 動(dòng) 信 號(hào) 時(shí) ， 分 辨 力 為 0.004/mm脈 沖 ， 則光 柵 的 柵 距 為 （ ） （ 模 擬 一 ）用 四 倍 細(xì) 分 ， 則 分 辨 力 是 光 柵 柵 距 的 1/4， 則 光 柵 柵 距 為 分辨 力 的 4倍 。 4*0.004=0.016mm 9、 四 倍 細(xì) 分 光 柵 式 位 移 傳

22、 感 檢 測(cè) 系 統(tǒng) ， 如 果 柵 線 為 50線 /mm,當(dāng) 用 4個(gè) 光 電 元 件 接 收 莫 爾 條 紋 的 移 動(dòng) 信 號(hào) 時(shí) ,則 分 辨 率 為（ ） （ 模 擬 一 ） 9、 四 倍 細(xì) 分 光 柵 式 位 移 傳 感 檢 測(cè) 系 統(tǒng) ， 如 果 柵 線 為 50線 /mm,當(dāng) 用 4個(gè) 光 電 元 件 接 收 莫 爾 條 紋 的 移 動(dòng) 信 號(hào) 時(shí) ,則 分 辨 率 為（ ） （ 模 擬 一 ）分 辨 率 是 一 個(gè) 光 柵 柵 距 ， 即 1/50=0.02mm， 若 用 四 個(gè) 光 電 元件 ， 即 經(jīng) 過 四 倍 細(xì) 分 后 ， 則 光 柵 柵 距 為 分 辨 力 的

23、 4倍 。 分 辨力 為 0.02/4=0.005mm 23、 為 了 提 高 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 的 分 辨 率 ， 需 要 對(duì) 磁 柵 、 容 柵 等 大 位移 測(cè) 量 傳 感 器 的 輸 出 信 號(hào) 進(jìn) 行 （ ） （ 模 擬 四 ） 23、 為 了 提 高 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 的 分 辨 率 ， 需 要 對(duì) 磁 柵 、 容 柵 等 大 位移 測(cè) 量 傳 感 器 的 輸 出 信 號(hào) 進(jìn) 行 （ 細(xì) 分 ） （ 模 擬 四 ） 31、 已 知 光 柵 式 位 移 傳 感 器 的 柵 線 為 50線 /mm， 主光 柵 和 指 示 光 柵 的 柵 線 的 夾 角 為 0.2。 (模 擬 四 ）（ 1

24、） 求 光 柵 莫 爾 條 紋 的 間 距 ， 及 莫 爾 條 紋 的 放 大系 數(shù) ；（ 2） 測(cè) 量 時(shí) ， 若 光 電 元 件 接 收 到 莫 爾 條 紋 10個(gè) 周期 的 光 強(qiáng) 信 號(hào) ， 求 測(cè) 得 的 位 移 是 多 少 ？（ 3） 若 采 用 四 倍 細(xì) 分 電 路 ， 可 得 到 的 分 辨 力 是 多少 ？ 31、 已 知 光 柵 式 位 移 傳 感 器 的 柵 線 為 50線 /mm， 主光 柵 和 指 示 光 柵 的 柵 線 的 夾 角 為 0.2。（ 1） 求 光 柵 莫 爾 條 紋 的 間 距 ， 及 莫 爾 條 紋 的 放 大系 數(shù) ；（ 2） 測(cè) 量 時(shí) ， 若

25、 光 電 元 件 接 收 到 莫 爾 條 紋 10個(gè) 周期 的 光 強(qiáng) 信 號(hào) ， 求 測(cè) 得 的 位 移 是 多 少 ？（ 3） 若 采 用 四 倍 細(xì) 分 電 路 ， 可 得 到 的 分 辨 力 是 多少 ？ mmWHB 73.5*180/2.0 50/1 5.28650/1 73.5 A mm005.04501/ 分 辨 率 10、 若 某 光 柵 柵 線 為 25線 /mm， 則 四 倍 細(xì) 分 后 ， 其分 辨 力 是 多 少 ？A、 0.001mm/脈 沖B、 0.005mm/脈 沖C、 0.01mm/脈 沖D、 0.02mm/脈 沖 10、 若 某 光 柵 柵 線 為 25線 /mm， 則 四 倍 細(xì) 分 后 ， 其分 辨 力 是 多 少 ？ (密 押 二 ）=1/25/4=0.01mmC、 0.01mm/脈 沖