光柵傳感器PPT課件

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1、 光 柵 作 為 一 種 光 學(xué) 器 件 ， 很 早 就 有 ， 但 早 期 人們 是 利 用 光 柵 的 衍 射 效 應(yīng) 進(jìn) 行 光 譜 分 析 和 光 波 波 長(zhǎng)測(cè) 量 ， 直 到 了 近 代 才 開(kāi) 始 利 用 光 柵 的 莫 爾 條 紋 現(xiàn) 象進(jìn) 行 精 密 測(cè) 量 ， 它 的 突 出 特 點(diǎn) 是 精 度 非 常 高 ， 分 辨力 特 別 強(qiáng) （ 長(zhǎng) 度 可 達(dá) 0.05， 角 度 可 達(dá) 0.1 ） ， 所以 廣 泛 應(yīng) 用 于 精 密 加 工 ， 光 學(xué) 加 工 ， 大 規(guī) 模 集 成 電路 的 設(shè) 計(jì) 、 檢 測(cè) 等 方 面 ,尤 其 是 目 前 軍 事 領(lǐng) 域 。 光柵是在一塊

2、長(zhǎng)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)）光柵的結(jié)構(gòu) 按原理和用途：物理光柵和計(jì)量光柵 物理光柵：刻線細(xì)密,利用光的衍射現(xiàn)象,主要用于光譜分析和光波長(zhǎng)等量的測(cè)量。 計(jì)量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。分類按 光 的 走 向 ： 透 射 式 （ 玻 璃 ） 和 反 射 式 （ 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 按應(yīng)用類型：長(zhǎng)

3、光柵和圓光柵長(zhǎng) 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(cè) 量 長(zhǎng) 度 或 線 位 移 構(gòu)成：主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動(dòng)光柵長(zhǎng)度 - 測(cè)量范圍；刻線密度 - 測(cè)量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm ) 圓 光 柵 ： 在 圓 盤(pán) 玻 璃 上 刻 線 ， 用 來(lái) 測(cè) 量 角 度 或 角 位 移 . w a b 放大 (a ) 長(zhǎng)光柵 (b ) 圓光柵 放大 w a b 柵 距柵 線 寬 度縫 隙 寬 度柵 距 角 圓 光 柵 分 類 ：根 據(jù) 柵 線 刻 劃 的 方 向 ， 圓 光

4、 柵 分 三 種 ： 徑 向 光 柵 : 其 柵 線 的 延 長(zhǎng) 線 全 部 通 過(guò) 光 柵 盤(pán) 的 圓 心 ； 切 向 光 柵 : 其 全 部 柵 線 與 一 個(gè) 和 光 柵 盤(pán) 同 心 的 直 徑 只 有 零 點(diǎn) 兒或 幾 個(gè) 毫 米 的 小 圓 相 切 ; 環(huán) 形 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 。 (a ) 徑向光柵 (b ) 切向光柵 (c) 環(huán)形光柵 按柵線形式：黑白光柵和閃耀光柵 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

5、而成。 4.5.1 光 柵 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 光柵副 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 。 光 電 元 件 包括有光電池和光敏三極管等部分。 在采用固態(tài)光源時(shí)，需要選用敏感波長(zhǎng)與光源 相接近的光敏元件，以

6、獲得高的轉(zhuǎn)換效率。 在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過(guò)放 大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響。 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 光柵的外形及結(jié)構(gòu) 光柵的外形及結(jié)構(gòu) 4.5.2.莫 爾 條 紋 的 形 成 當(dāng)指示光柵和主光柵的刻線相交一個(gè)微小 的夾角時(shí), 光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)， 兩塊光柵刻線的相交處形成暗帶，而在刻線彼此 錯(cuò)開(kāi)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”。 長(zhǎng) 光 柵 橫 向 莫 爾 條 紋 2 si

7、n 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 ： 莫爾條紋演示 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(shí)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(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋。 橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋 縱向莫爾條紋 4.5.3 莫 爾 條 紋 的 特 征 1.位移放大作用2 sin 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

8、 b a B w 2 1 B 1W BB k W 結(jié) 論 ： 越 小 , k越 大 ， B越 大 。例 如 ： =0.1 ， W=0.02mm時(shí) =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 ： 2. 可以進(jìn)行細(xì)分，提高精度 莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信 號(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高 測(cè)量精度或可以采用較粗的光柵。3.誤 差 的 平 均 效 應(yīng) 光 電 元 件 對(duì) 光 柵 的 柵 距 誤 差 具 有 平 均 消 差 作 用

9、 。莫 爾 條 紋 由 光 柵 的 大 量 刻 線 形 成 , 幾 條 刻 線 的 柵 距誤 差 或 斷 裂 對(duì) 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 。 （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。 光源1發(fā)出光線準(zhǔn)直透鏡2平行光束光柵副3、4光電元件5接收 透射式長(zhǎng)光柵 透射式圓光柵固定 （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。

10、該光路適用于黑白反射光柵。 光源6聚集透鏡5場(chǎng)鏡3平行光呈某角度照射反射光柵副1、2上反射鏡4物鏡7光電池8。 反射式光柵 4.5.5辨 向 原 理 單個(gè)光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)， 只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方 向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以致不 能正確測(cè)量位移。 如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù) 累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減 去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測(cè)量結(jié) 果。 辨向光路設(shè)置 在相距1/4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) 辨向電路 正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去

11、反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。 辨向電路各點(diǎn)波形圖 2u 是元件1輸出的波形，超前 90 是元件2輸出的波形； 是 波經(jīng)整形放大后的脈沖方波； 是 波形經(jīng)整形放大后的脈沖方波，仍超前 90； 是 反相后得到的脈沖方波； 是 經(jīng)微分電路后得到的脈沖波； 是 經(jīng)微分電路后得到的脈沖波1u2u 2u2u 2u1u1u 2u1u 1u1u 1u wu1wu1對(duì)于“與門(mén) ”： 當(dāng) 高電平時(shí)， 總是處于低電平，所以 輸出為零（0）對(duì)于“與門(mén) ”： 當(dāng) 高電平時(shí), 總是處于高電平，所以 輸出為高（1）此時(shí)觸發(fā)器： 置“1”，（控制）“可逆計(jì)數(shù)器”作 加法計(jì)數(shù) 1y2ywu1 2u1y wu

12、1 2u2y 4.5.6 細(xì) 分 技 術(shù) 目的：提高分辨力（測(cè)量更小的位移量）。 細(xì)分方法： 1.增加光柵刻線密度； 2.電子細(xì)分； 3.機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。 每個(gè)輸出脈沖間隔代表一個(gè)柵距 電子細(xì)分：在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號(hào) 變化周期內(nèi), 發(fā)出n個(gè)脈沖, 每個(gè)脈沖代表原來(lái)柵 距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍, 因 此也稱之為n倍頻法。 通常采用的電子細(xì)分方法有：直接細(xì)分和電阻 電橋細(xì)分、電阻鏈細(xì)分等。 1.直接細(xì)分 直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?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)

13、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?jǐn)?shù)不能太高。 四 倍 頻 細(xì) 分 方 案 ： 在 一 個(gè) 莫 爾 條 紋 寬 度 上 并 列 放 置 四 個(gè) 光 電 元 件 ， 得 到 四 個(gè)相 差 依 次 為 /2的 電 壓 信 號(hào) ； 或 在 相 差 B/4位 置 上 安 放 兩 個(gè) 光 電 元 件 ，得 到 兩 個(gè) 相 差 /2電 壓 信 號(hào) ， 將 這 兩 個(gè) 信 號(hào) 整 形 、 反 相 后 得 到 四 個(gè) 依次 相 差 /2的 電 壓 信 號(hào) 。 在 光 柵 作 相 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 經(jīng) 過(guò) 微 分 電 路 ， 在 正 向 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 得 到 四 個(gè)微

14、分 脈 沖 （ 加 計(jì) 數(shù) 脈 沖 ） ； 反 向 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 得 到 四 個(gè) 微 分 脈 沖 （ 減 計(jì)數(shù) 脈 沖 ） 。 相 距 B/4放 置 四 個(gè) 光 電 元 件 細(xì) 分 前 后 比 較 4.5.7 光 柵 傳 感 器 的 應(yīng) 用 由 于 光 柵 傳 感 器 測(cè) 量 精 度 高 、 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 范 圍 廣 、 可 進(jìn) 行 無(wú) 接 觸測(cè) 量 、 易 實(shí) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 的 自 動(dòng) 化 和 數(shù) 字 化 ， 因 而 在 機(jī) 械 工 業(yè) 中 得 到 了 廣泛 的 應(yīng) 用 。 光 柵 傳 感 器 通 常 作 為 測(cè) 量 元 件 應(yīng) 用 于 機(jī) 床 定 位 、 長(zhǎng) 度 和 角 度 的計(jì) 量 儀

15、 器 中 ， 并 用 于 測(cè) 量 速 度 、 加 速 度 、 振 動(dòng) 等 。 例 : 光柵式萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀 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(hào)； 光電元件：光電三極管 四路原始信號(hào)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(xì)分、辯相電路辯相 后進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由顯示器顯示讀出。 光柵應(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。

16、數(shù)顯表 光 電 元 件 包括有光電池和光敏三極管等部分。 在采用固態(tài)光源時(shí)，需要選用敏感波長(zhǎng)與光源 相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。 在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過(guò)放 大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響。 光柵的外形及結(jié)構(gòu) （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。 光源1發(fā)出光線準(zhǔn)直透鏡2平行光束光柵副3、4光電元件5接收 反射式光柵 辨向光路設(shè)置 在相距1/4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) 電子細(xì)分：在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號(hào) 變化周期內(nèi), 發(fā)出n個(gè)脈沖, 每個(gè)脈沖代表原來(lái)柵 距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍, 因 此也稱之為n倍頻法。 通常采用的電子細(xì)分方法有：直接細(xì)分和電阻 電橋細(xì)分、電阻鏈細(xì)分等。 1.直接細(xì)分 直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?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?jǐn)?shù)不能太高。 相 距 B/4放 置 四 個(gè) 光 電 元 件