第九章光柵傳感器

1、 利用利用莫爾條紋莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)線位移和角位移線位移和角位移測量的一種測量的一種傳感器。傳感器。 按應(yīng)用范圍不同，按應(yīng)用范圍不同，分為透射光柵和反射光柵分為透射光柵和反射光柵； 按用途不同，分為按用途不同，分為長光柵（測量線位移）和圓光柵長光柵（測量線位移）和圓光柵（測量角位移）；（測量角位移）； 按光柵的表面結(jié)構(gòu)不同，分為按光柵的表面結(jié)構(gòu)不同，分為幅值（黑白）光柵和幅值（黑白）光柵和相位（閃耀）光柵。相位（閃耀）光柵。光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理1. 光柵結(jié)構(gòu)（光柵結(jié)構(gòu)（黑白透射型長光柵黑白透射型長光柵） 在長條形鍍膜玻璃上在長條形鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、均勻

2、刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），這就是光這就是光柵。圖中柵。圖中a為柵線的寬度（不透光），為柵線的寬度（不透光），b為柵線間距為柵線間距（透光），（透光）， a+b=W稱為光柵的稱為光柵的 柵距柵距（也稱光柵常數(shù)）。（也稱光柵常數(shù)）。 通常通常a=b=W/2，也可刻成，也可刻成 a b=1.1 0.9。目前常用的光柵每毫米刻成目前常用的光柵每毫米刻成25、50、 100、125、250條線條。條線條。光柵莫爾條紋的形式光柵莫爾條紋的形式 2. 光柵測量原理光柵測量原理投射長光柵投射長光柵 兩塊具有相同柵距的長光柵疊合在一起，中間留有兩

3、塊具有相同柵距的長光柵疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角角 ，則在大致垂直于柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的，則在大致垂直于柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為條紋，稱為莫爾條紋莫爾條紋。 夾角夾角減小時(shí)，條紋間距減小時(shí)，條紋間距BH增大，調(diào)整增大，調(diào)整角的角的大小可以獲得合適的大小可以獲得合適的BH。 莫爾條紋測位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)：莫爾條紋測位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)： (1) 位移的放大作用位移的放大作用 當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度時(shí)，莫爾條紋也跟著移

4、動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH。莫爾條紋的。莫爾條紋的間距間距BH與兩光柵線紋夾角與兩光柵線紋夾角之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 WWBH2sin2 越小，越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了放大了1/倍。倍。例如例如=0.1，則，則1/573，即莫爾條紋寬度，即莫爾條紋寬度BH是柵距是柵距W的的573倍，倍， 這相當(dāng)于把柵距放大了這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，倍，說明光柵具有說明光柵具有位移位移放大作用，放大作用， 從而提高了測量的靈敏度。從而提高了測量的靈敏度。 （2）莫爾條紋移動(dòng)方向莫爾條紋移動(dòng)方向 如光柵如光柵1沿著刻線垂直方向沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵向右移動(dòng)

5、時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動(dòng)；反的柵線向上移動(dòng)；反之，當(dāng)光柵之，當(dāng)光柵1向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向的柵線向下移動(dòng)。下移動(dòng)。 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對光柵因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對光柵1的的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。 (3) 誤差的平均效應(yīng)誤差的平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線形莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。上消除短周期誤差的影響。 0n 計(jì)量光柵的組成計(jì)量光柵的組成 計(jì)量光柵作為一個(gè)完整的測量裝置包括計(jì)量光柵作為

6、一個(gè)完整的測量裝置包括光電轉(zhuǎn)換裝光電轉(zhuǎn)換裝置（光柵讀數(shù)頭）、光柵數(shù)顯表兩大部分。置（光柵讀數(shù)頭）、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號。成響應(yīng)的電信號。光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。統(tǒng)。 1. 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 光電轉(zhuǎn)換裝置（光柵讀數(shù)頭）主要光電轉(zhuǎn)換裝置（光柵讀數(shù)頭）主要由主光柵、指示由主光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。 x123451光源；2透鏡；3標(biāo)尺光柵；4指示光柵；5光電元件光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖光柵

7、讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖 2Wd 主光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比主光主光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比主光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時(shí)兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙，大小為互相重疊，兩者之間有微小的空隙，大小為 主光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起主光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動(dòng)，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元移動(dòng)，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。件固定。x123451光源；2透鏡；3標(biāo)尺光柵；4指示光柵；5光電元件莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶。莫爾條紋是一個(gè)明暗相間

8、的帶。兩條暗帶中心線之兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程再到最暗的漸變過程。主光主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，光強(qiáng)變化一個(gè)周期，若用光電元件，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)，如以電壓信號，接近于正弦周期函數(shù)，如以電壓輸出，即輸出，即 WxUUumoo22sinWxUUumoo22sin 輸出電壓反映了瞬時(shí)位移量的大小。被測輸出電壓

9、反映了瞬時(shí)位移量的大小。被測物體每移動(dòng)一個(gè)柵距，就移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋，物體每移動(dòng)一個(gè)柵距，就移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋，輸出電壓周期性變化一次。將該電壓信號放大、輸出電壓周期性變化一次。將該電壓信號放大、整形、計(jì)數(shù)后便可得知移動(dòng)?xùn)啪嗟臈l數(shù)，從而整形、計(jì)數(shù)后便可得知移動(dòng)?xùn)啪嗟臈l數(shù)，從而可知道移動(dòng)的相對距離?？芍酪苿?dòng)的相對距離。 若計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為若計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為p，光柵的柵線密度為，光柵的柵線密度為n（線（線/mm），則移動(dòng)的相對位移為），則移動(dòng)的相對位移為x=p/n。 2. 辨向辨向與細(xì)分與細(xì)分 光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，實(shí)光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，實(shí)現(xiàn)了位移量大小的確定。

10、但位移是向量，對位移量的測現(xiàn)了位移量大小的確定。但位移是向量，對位移量的測量除了確定大小之外，還應(yīng)量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向確定其方向。 為了辨別位移的方向，為了辨別位移的方向， 進(jìn)一步提高測量的精度，以進(jìn)一步提高測量的精度，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號及實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號送入數(shù)顯表作進(jìn)一步的處理。送入數(shù)顯表作進(jìn)一步的處理。光柵數(shù)顯表由整形放大電光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細(xì)分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成路、細(xì)分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。 （1） 辨向原理辨向原理 為了能夠辨向，需要有相位差為為了能夠辨向，需要有相位差為/

11、2的兩個(gè)電信號的兩個(gè)電信號。莫爾條紋每移動(dòng)一個(gè)間距莫爾條紋每移動(dòng)一個(gè)間距BH，對應(yīng)著光柵移動(dòng)一個(gè)柵，對應(yīng)著光柵移動(dòng)一個(gè)柵距距W，相應(yīng)輸出信號的相位就變化一個(gè)周期，相應(yīng)輸出信號的相位就變化一個(gè)周期2，因此因此在相隔在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個(gè)光電元件間距的位置上，放置兩個(gè)光電元件1和和2，就可以得到兩個(gè)相位差就可以得到兩個(gè)相位差/2的電信號的電信號u1和和u2（圖中波形（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個(gè)是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個(gè)方波信號方波信號u1和和u2。 當(dāng)光柵沿當(dāng)光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，方向移動(dòng)時(shí)，u1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖脈

12、沖, 正好發(fā)生在正好發(fā)生在u2的的“1”電平時(shí)，從而經(jīng)電平時(shí)，從而經(jīng)Y1輸出一輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；而個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；而u1經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2的的“0”電平相遇，與門電平相遇，與門Y2被阻塞，無脈沖輸出。被阻塞，無脈沖輸出。在光柵沿在光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，方向移動(dòng)時(shí)，u1的微分脈沖發(fā)生在的微分脈沖發(fā)生在u2為為“0”電平時(shí)，與門電平時(shí)，與門Y1無脈沖輸出；而無脈沖輸出；而u1的反相的反相微分脈沖則發(fā)生在微分脈沖則發(fā)生在u2 的的“1”電平時(shí)，電平時(shí)， 與門與門Y2輸出一輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。u2的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制在的電平狀態(tài)作為與門

13、的控制信號，來控制在不同的移動(dòng)方向時(shí)，不同的移動(dòng)方向時(shí)，u1所產(chǎn)生的脈沖輸出。所產(chǎn)生的脈沖輸出。 這樣就這樣就可以可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確地正確地給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)數(shù)脈沖，脈沖， 再將其再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器輸入可逆計(jì)數(shù)器，實(shí)時(shí)顯示出相對于實(shí)時(shí)顯示出相對于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。 (2) 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù) 前面以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其前面以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨率為光柵柵距分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測量比柵距更。為了提高分辨率和測量比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。所謂細(xì)分，就是在莫所謂細(xì)分，就是在莫爾條紋信號變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖爾條紋信號變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減，以減小脈沖當(dāng)量，小脈沖當(dāng)量，如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，即可使測個(gè)脈沖，即可使測量精度提高到量精度提高到n倍，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的倍，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。例：例：若某光柵的柵線密度是若某光柵的柵線密度是50線線/mm，主光柵與指示，主