傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第二章-光柵

傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第二章-光柵第一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六

長(zhǎng)光柵圓光柵第二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理什么是光柵？在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱(chēng)為刻線(xiàn)），這就是光柵。第三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六a為柵線(xiàn)的寬度（不透光），b為柵線(xiàn)間寬（透光），a+b=W稱(chēng)為光柵的柵距（也稱(chēng)光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線(xiàn)條。1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六運(yùn)動(dòng)固定1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理第五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六光柵位移傳感器主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六光柵數(shù)字傳感器是干什么的？主要用于線(xiàn)位移和角位移的測(cè)量。1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線(xiàn)紋相交一個(gè)微小的夾角時(shí)由于光的干涉效應(yīng)，兩塊光柵的刻線(xiàn)相交處，光會(huì)從縫隙透過(guò)，形成亮帶（如圖a-a線(xiàn)），而在一塊光柵的刻線(xiàn)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(chēng)為莫爾條紋。條紋方向與刻線(xiàn)方向近似垂直。第八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六若光柵柵距為W，兩個(gè)相鄰莫爾條紋的間距為BH（即莫爾條紋中兩條暗紋或兩條亮紋之間的距離）則有莫爾條紋這里θ是弧度，如果夾角為0.10，則θ=0.1/180*π,則BH=573W,相當(dāng)于把柵距放大了573倍。第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線(xiàn)垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線(xiàn)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。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。莫爾條紋的特點(diǎn)第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六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；莫爾條紋的特點(diǎn)第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六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/θ,θ越小，則BH越大。這相當(dāng)于把柵距W放大了1/θ倍。如對(duì)于25線(xiàn)/mm長(zhǎng)光柵而言，W=0.04mm,若θ=0.016rad，則BH=2.5mm(這樣，可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵的位移?？梢詫?shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量)莫爾條紋的特點(diǎn)第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線(xiàn)形成，對(duì)線(xiàn)紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。例W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內(nèi)有500條刻線(xiàn)參與工作，某幾條刻線(xiàn)誤差對(duì)莫爾條紋位置和形狀基本無(wú)影響。莫爾條紋的特點(diǎn)第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六按正弦規(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(guò)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。其電壓為：莫爾條紋的特點(diǎn)當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線(xiàn)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)近似第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六莫爾條紋的特點(diǎn)第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六

當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線(xiàn)垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線(xiàn)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，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，通過(guò)測(cè)量莫爾條紋移過(guò)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第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六2.長(zhǎng)光柵位移傳感器根據(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。透射光柵的柵線(xiàn)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。反射光柵的柵線(xiàn)刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六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：(1)透射式光路(2)反射式光路3.光學(xué)系統(tǒng)第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六（1）透射式光路光源5發(fā)出的光線(xiàn)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(guò)指示光柵3和標(biāo)尺光柵2，再透射到光敏元件1上。一般標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而光源、指示光柵和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(guò)光敏元件時(shí)，有一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)輸出。第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六透射式光柵第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六（2）反射式光路光源1發(fā)出的光線(xiàn)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(guò)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.當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵有相對(duì)位移時(shí)，光敏元件可接收到移動(dòng)的莫爾條紋信號(hào)。第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六反射式光柵第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六長(zhǎng)光柵式位移傳感器的特點(diǎn)長(zhǎng)光柵位移傳感器的測(cè)長(zhǎng)精度可達(dá)0.5～3m(3000mm范圍內(nèi))，分辨力可達(dá)0.1m,可進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六用兩塊刻線(xiàn)數(shù)目相同，切線(xiàn)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其條紋間距為4.圓光柵第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六環(huán)形莫爾條紋播放動(dòng)畫(huà)播放中……單擊準(zhǔn)備演示第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六用兩塊刻線(xiàn)數(shù)目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.圓光柵其條紋間距為動(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(guò)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。第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六播放中……圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示播放動(dòng)畫(huà)第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六由前面分析，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2π，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.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劃密度的方法來(lái)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(xiàn)1萬(wàn)條，這是目前工藝水平無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。5.細(xì)分技術(shù)第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六另一種方法是采用柵距細(xì)分技術(shù)，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(chēng)之為n倍頻。細(xì)分后可以在不增加刻線(xiàn)數(shù)的情況下較大地提高光柵的分辨力?！Ｓ玫募?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)第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六四倍頻細(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π/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(chēng)為四倍頻細(xì)分法。5.細(xì)分技術(shù)第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六光柵傳感器的應(yīng)用長(zhǎng)度計(jì)第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六長(zhǎng)度計(jì)光柵傳感器的應(yīng)用第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六長(zhǎng)度計(jì)光柵傳感器的應(yīng)用計(jì)量和生產(chǎn)控制第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六長(zhǎng)度計(jì)光柵傳感器的應(yīng)用位置測(cè)量第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六數(shù)控機(jī)床位置控制框圖光柵傳感器的應(yīng)用第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六課堂練習(xí)第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六1、在下述位移傳感器中，適宜于測(cè)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、光柵式傳感器第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六2、若光柵式位移傳感器的光柵柵距為0.04mm,柵線(xiàn)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第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六3、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（）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第三十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六4、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，如果柵線(xiàn)為50線(xiàn)/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（）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(guò)四倍細(xì)分后，則光柵柵距為分辨力的4倍。分辨力為0.02/4=0.005mm第四十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六5、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）細(xì)分第四十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期六6、已知光柵式位移傳感器的柵線(xiàn)為50線(xiàn)/mm，主光柵和指示光柵的柵線(xiàn)的夾角為0.2o。（1）求光柵莫爾條