傳感器與檢測技術課件第二章-4光柵ppt課件

1、第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵式位移傳感器有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。光柵。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理什么是光柵？什么是光柵？第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

2、 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理32411.標 尺 光 柵 2.指 示 光 柵3.光 電 元 件 4.光 源第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵數字傳感器是干什么的？光柵數字傳感器是干什么的？1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

3、 若光柵柵距為若光柵柵距為W，兩個相鄰，兩個相鄰莫爾條紋的間距為莫爾條紋的間距為BH即即莫爾條紋中兩條暗紋或兩條莫爾條紋中兩條暗紋或兩條亮紋之間的距離則有亮紋之間的距離則有2(sin /2)HWWB莫爾條紋莫爾條紋這里這里是弧度，如果夾角是弧度，如果夾角為為0.100.10，則，則=0.1/180=0.1/180* *,則則BH=573W,BH=573W,相當于把柵相當于把柵距放大了距放大了573573倍。倍。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 運動方向：當兩個光柵沿刻線垂直方運動方向：當兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光向作相對移動時，莫爾條紋則沿光

4、柵刻線方向移動兩者的運動方向柵刻線方向移動兩者的運動方向相互垂直）。光柵運動方向改變，相互垂直）。光柵運動方向改變，莫爾條紋的運動方向也作相應改變。莫爾條紋的運動方向也作相應改變。 因此根據莫爾條紋移動方向就可以因此根據莫爾條紋移動方向就可以對光柵對光柵1的運動進行辨向。的運動進行辨向。莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋的位移與光柵的移動成莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例：光柵每移動一個柵距比例：光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距莫爾條紋移動一個條紋間距BH；莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三

5、節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋具有位移放大作用：莫莫爾條紋具有位移放大作用：莫爾條紋的間距爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角與兩光柵條紋夾角之間關系為之間關系為BH= W/,越小，越小， 則則BH越大。這相當于把柵距越大。這相當于把柵距 W放放大了大了 1/倍。倍。如對于如對于25線線/mm長光柵而言，長光柵而言，W=0.04mm,若若=0.016rad，那么，那么 BH =2.5mm(這樣，可把肉眼看不這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移?？梢缘囊苿觼頇z測光柵的位移?？梢詫?/p>

6、現高靈敏的位移測量實現高靈敏的位移測量)莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 U0UW/2oUm2W3W/2Wx按正弦規(guī)律變化。光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。WxUUUm2sin0莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點當兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋的光強度隨條紋移動近似當兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋的光強度隨條紋移動近似第二章 位移檢測傳感器第三

7、節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 u 當兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋當兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動兩者的運動方向相互垂直）。光柵則沿光柵刻線方向移動兩者的運動方向相互垂直）。光柵每移動一個柵距每移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距，莫爾條紋移動一個條紋間距BH，通過，通過測量莫爾條紋移過的數目，即可得出光柵的位移量。測量莫爾條紋移過的數目，即可得出光柵的位移量。 u 光柵運動方向改變，莫爾條紋的運動方向也作相應改變。光柵運動方向改變，莫爾條紋的運動

8、方向也作相應改變。查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向向.u 莫爾條紋的光強度隨條紋移動近似按正弦規(guī)律變化。莫爾條紋的光強度隨條紋移動近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動一個柵距光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。，光強變化一個周期。u 因此可根據莫爾條紋移動的條紋數和方向，測出光柵移因此可根據莫爾條紋移動的條紋數和方向，測出光柵移動的距離和方向。光柵傳感器就是根據這一原理，實現對位動的距離和方向。光柵傳感器就是根據這一原理，實現對位移的檢測。移的檢測。1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器

9、第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 2. 長光柵位移傳感器長光柵位移傳感器 根據不同的設計要求，光柵可以制成透射光柵和反射光柵。根據不同的設計要求，光柵可以制成透射光柵和反射光柵。 透射光柵的柵線刻制在透明材料上，要求較高時，可以采透射光柵的柵線刻制在透明材料上，要求較高時，可以采用光學玻璃；而指示光柵最好采用光學玻璃。用光學玻璃；而指示光柵最好采用光學玻璃。 反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。膜的玻璃上。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 由于采用不同形式的光柵，光學系統(tǒng)也各不相同，常

10、采用由于采用不同形式的光柵，光學系統(tǒng)也各不相同，常采用的光學系統(tǒng)有：的光學系統(tǒng)有： (1)透射式光路透射式光路 (2)反射式光路反射式光路3. 光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 （1） 透射式光路透射式光路 光源光源5發(fā)出的光線經發(fā)出的光線經準直透鏡準直透鏡4變成平行變成平行光，入射到指示光柵光，入射到指示光柵3上，經過指示光柵上，經過指示光柵3和標尺光柵和標尺光柵2，再，再透射到光敏元件透射到光敏元件1上。上。一般標尺光柵固定不動，而光源、指示光柵和光敏元件固定一般標尺光柵固定不動，而光源、指示光柵和光敏元件固定在被測位移體上，莫爾條紋的移動信號被

11、光敏元件接收。每當在被測位移體上，莫爾條紋的移動信號被光敏元件接收。每當亮帶通過光敏元件時，有一個相應的電信號輸出。亮帶通過光敏元件時，有一個相應的電信號輸出。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 透射式光柵透射式光柵第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 （2） 反射式光路反射式光路 光源光源1發(fā)出的光線經發(fā)出的光線經聚光鏡聚光鏡2及場鏡及場鏡4后后以平行光束射向指示以平行光束射向指示光柵光柵5上，再經標尺上，再經標尺光柵光柵6反射后形成莫反射后形成莫爾條紋，通過反射鏡爾條紋，通過反射鏡3和物鏡系統(tǒng)和物鏡系統(tǒng)7把莫把莫爾條紋的信號送入光爾條紋的信

12、號送入光敏元件敏元件8上上. 當指示光柵與標尺光當指示光柵與標尺光柵有相對位移時，光柵有相對位移時，光敏元件可接收到移動敏元件可接收到移動的莫爾條紋信號。的莫爾條紋信號。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 反射式光柵反射式光柵第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 長光柵式位移傳感器的特點長光柵式位移傳感器的特點長光柵位移傳感器的測長精度可達長光柵位移傳感器的測長精度可達0.53m (3000mm范圍內范圍內)，分辨力可達，分辨力可達0.1m,可進行無接觸測量可進行無接觸測量第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 用兩塊刻線

13、數目相同，切線圓半徑分別為用兩塊刻線數目相同，切線圓半徑分別為r1、r2的切向圓的切向圓光柵同心放置，所產生的環(huán)形莫爾條紋如圖所示光柵同心放置，所產生的環(huán)形莫爾條紋如圖所示 其條紋間距為其條紋間距為21rrWRHB4. 圓光柵圓光柵第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放動畫播放中播放中單擊準備演示單擊準備演示第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 用兩塊刻線數目相同的徑向圓光柵偏心放置，偏心量為用兩塊刻線數目相同的徑向圓光柵偏心放置，偏心量為e，這時形成不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋如圖所示這時形成不同曲率半徑的圓

14、弧形莫爾條紋如圖所示4. 圓光柵圓光柵 其條紋間距為其條紋間距為eWRHB 動光柵固定在轉軸上，因此，可將軸旋轉的角度量變換成動光柵固定在轉軸上，因此，可將軸旋轉的角度量變換成莫爾條紋信號。通過光電轉換元件，將莫爾條紋的變化轉莫爾條紋信號。通過光電轉換元件，將莫爾條紋的變化轉換成近似于正弦波形的電信號。測角精度可達換成近似于正弦波形的電信號。測角精度可達0.15”，分，分辨力可達辨力可達0.1”，甚至更高。，甚至更高。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 播放中播放中圓弧莫爾條紋圓弧莫爾條紋單擊準備演示單擊準備演示播放動畫播放動畫第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位

15、移傳感器大位移傳感器 n由前面分析，光柵每移動一個柵距由前面分析，光柵每移動一個柵距W W，莫爾條紋移動，莫爾條紋移動一個條紋間距一個條紋間距BHBH，光電元件輸出就變化一個周期，光電元件輸出就變化一個周期22，經信號轉換電路輸出一個脈沖，若按此進行計數，則經信號轉換電路輸出一個脈沖，若按此進行計數，則它的分辨力只有一個光柵柵距它的分辨力只有一個光柵柵距W.W.n為了能夠分辨比為了能夠分辨比W W更小的位移量，就要提高分辨力，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劃密度的方法來減少柵距，一種方法是可以采用增加刻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

16、讀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出位移為0.10.1m m，勢必要求每毫米刻線，勢必要求每毫米刻線1 1萬條，這是萬條，這是目前工藝水平無法實現的。目前工藝水平無法實現的。5. 細分技術細分技術第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 n另一種方法是采用柵距細分技術，在一個柵距即另一種方法是采用柵距細分技術，在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周期內一個莫爾條紋信號變化周期內, , 發(fā)出發(fā)出n n脈沖脈沖, , 每個每個脈沖代表原來柵距的脈沖代表原來柵距的1/n1/n。由于細分后計數脈沖頻。由于細分后計數脈沖頻率提高了率提高了n n倍倍, , 因此也稱之

17、為因此也稱之為n n倍頻。倍頻。n細分后可以在不增加刻線數的情況下較大地提高細分后可以在不增加刻線數的情況下較大地提高光柵的分辨力。光柵的分辨力。n常用的細分方法有四倍頻細分法、十六倍頻常用的細分方法有四倍頻細分法、十六倍頻細分法、計算機細分法等。細分法、計算機細分法等。 5. 細分技術細分技術第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 四倍頻細分法：在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元四倍頻細分法：在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，如右下圖件，如右下圖(a)(a)所示，得到相位分別相差所示，得到相位分別相差/2/2四個正弦周四個正弦周期信號。用適當電路處理這些信號

18、，使其合并得到如右下圖期信號。用適當電路處理這些信號，使其合并得到如右下圖 所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期反應了應，則電脈沖的周期反應了1/41/4個莫爾條紋寬度。用計數器個莫爾條紋寬度。用計數器對這一列脈沖信號計數，就可以讀到對這一列脈沖信號計數，就可以讀到1/41/4個莫爾條紋寬度的個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分法。倍頻細分法。5. 細分技術細分技術第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移

19、傳感器 光柵傳感器的應用光柵傳感器的應用第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應用光柵傳感器的應用第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應用光柵傳感器的應用計量和生產控制計量和生產控制第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應用光柵傳感器的應用位置測量位置測量第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應用光柵傳感器的應用第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 課堂練習課堂練習第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

20、1、在下述位移傳感器中，適宜于測量大位移的傳感器是A、電阻式傳感器B、電感式傳感器C、壓電式傳感器D、光柵式傳感器第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 2、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、3.99mmmmWHB27.1*180/8 .104.0第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 3 3、四倍細分式光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，當用、四倍細分式光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，當用4 4個光電元件個光電元件接收莫爾條紋的移動信號時，分辨力為接收莫爾條紋的移動信號時，分辨力為0.004/mm0.004/mm脈沖，則光脈沖，則光柵的柵距為（柵的柵距為（ ）用四倍細分，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第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 4 4、四倍細分光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，如果柵線為、四倍細分光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，如果柵線為5050線線/mm,/mm,當用當用4 4個光電元件接收莫爾條紋的移動信號時個光電元件接收莫爾條紋的移動信號時, ,則分辨率為則分辨率為（ ）分辨率是一個光柵柵距，即1/50=0.02mm，若用四個光電元件，即經過四倍細分后