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1、光栅数字传感器,2022/11/18,一、光栅的结构和分类1.光栅的结构 光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。 栅线光栅上的刻线，宽度a 缝隙宽度b 栅距w=a+b（也称光栅常数）,2022/11/18,2、分类按原理和用途：物理光栅和计量光栅物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。,2022/11/18,2、分类按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金
2、属材料按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。,2022/11/18,2、分类按应用类型：长光栅和圆光栅,长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移,2022/11/18,构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),2022/11/18,圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.,2022/11/18,栅距,栅线宽度,缝隙
3、宽度,栅距角,2022/11/18,圆光栅分类：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种： 径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅: 一簇等间距同心圆组成.若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。,2022/11/18,2022/11/18,3.莫尔条纹,1).莫尔条纹的形成 如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角时, 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些
4、条纹称为“莫尔条纹”。,ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，dd线区所示。,长光栅莫尔条纹,主光栅,指示光栅,2022/11/18,长光栅横向莫尔条纹,2022/11/18,横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角 很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。,纵向莫尔条纹：当栅线的夹角0，且两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。,光闸莫尔条纹：当栅线的夹角0, 且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。,2022/11/18,横向莫尔条纹,光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹,当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度B
5、。,2) 莫尔条纹的特征,、位移放大作用,2022/11/18,2) 莫尔条纹的特征,、位移放大作用,相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角的关系为：,2022/11/18,结论： 越小, k越大，B越大。例如：=0.1， W=0.02mm时 =0.1=0.12/360=0.00175432rad 则：B=11.4592mm。,莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：,越小，B越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。,2022/11/18
6、,、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性,光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。当移动的刻线数i和角度一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比，即：,2022/11/18, 误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。,莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵
7、向莫尔条纹,播放中,圆弧莫尔条纹,单击准备演示,播放动画,莫尔条纹动画,光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,环形莫尔条纹,播放动画,播放中,单击准备演示,单击准备演示,辐射形莫尔条纹,播放动画,长光栅莫尔条纹,播放动画,长光栅光闸莫尔条纹,播放动画,(1) 莫尔条纹的移动方向：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。(2) 位移的放大作用：当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数：,结
8、论：莫尔条纹测位移具有三个特点,条纹间距与栅距的关系为 ：,当角较小时，例如=30，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。 这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。从而实现高灵敏的位移测量。,(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误差的作用,分辨力 =W =1/50=0.02mm=20m 放大倍数1/= 1/(1.8 3.14/180 ) 31.83 莫尔条纹的宽度 L=W/0.637 mm,例：一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角= 1.8，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？,2022/11/1
9、8,光栅传感器由主光栅、指示光栅、光源和光电器件组成。工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。,二、 光栅传感器的工作原理,2022/11/18,特点： 数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。,二、 光栅传感器的工作原理,透镜,1、装置结构,2022/11/18,1、光电转换原理,1光源；2聚光镜；3光栅主尺；4指示光栅；5光敏元件；6莫尔条纹；7光强
10、分布,2022/11/18,主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的直线位移而产生移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。,W,条纹间距,W,条纹间距,光电元件,W,如何测量微小位移量？,光电元件,光电元件感受的光强变化是否明显？,2022/11/18,传感器原理及应用,1、光闸莫尔条纹光电转换原理,理想情况：三角形,莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图中可看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到
11、最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。,光栅位移与光强、输出电压的关系,2022/11/18,2、光闸莫尔条纹测量位移原理 当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时,根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距w时,电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：,直流分量,交流分量,光栅相对位移量,2022/11/18,当波形重复到原来的相位和幅值时,相当于光栅移动了一个栅距w,如果光栅相对位移了N个栅距,此时位移x=NW。 因此,只要能记录移动过的莫尔条纹数N,就可以知道光栅的
12、位移量x值。这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的原理。,2022/11/18,三、辨向原理及辨向电路,1、辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。,2022/11/18,2、辨向原理与辨向电路,为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个莫尔条纹信号相差90相位。 实现的方法是在相隔B/4条纹间隔的位置上安装两只光敏元件,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规
13、律完全一样,相位相差/2。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。,2022/11/18,图7.5 辨向原理,L,u1,1、2光电元件；3指示光栅；4莫尔条纹； A光栅移动方向；B莫尔条纹移动方向； U01元件AB(1)对应的输出电压； U02元件CD(2)对应的输出电压；,u1,2022/11/18,AB与CD两个狭缝在结构上相差/2,所以它们在光电元件上取得的信号必是相差/2。AB为主信号,CD为门控信号。当主光栅作正向运动时,CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过,门电路在可逆计数器中作加法运算；当主光栅作反方向移动时,则CD产生的负值信号只让
14、AB产生的负脉冲通过,门电路在可逆计数器中作减法运算。,2022/11/18,U1和U2经过整形后得两个方波信号U1和U2 。 U1产生计数脉冲，U2的电平状态作为与门的控制信号, 来控制在不同的移动方向时, U1所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲, 再将其输入可逆计数器, 实时显示出相对于某个参考点的位移量。 ,整形放大,u1,微分,微分,反相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1f,正向移动时,u1,整形放大,u1,微分,微分,反相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1f,u1,正向移动时,u1,u2,u2,u1f,u1,整形放大,微分
15、,微分,反相,Y1,Y2,加法脉冲,减法脉冲,u1,u1f,u1,反向移动时,2022/11/18,当光栅沿A向移动时,莫尔条纹向B向移动。 U2超前U1 90。U1经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）正好发生在U2的“1”电平时, 从而经Y1输出一个加计数脉冲; 而U1经反相并微分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与U2的“0”电平相遇, 与门Y2被阻塞, 无脉冲输出。 当光栅沿A反方向移动时, 莫尔条纹向B反向移动。U1超前U290。U1的微分脉冲发生在U2为“0”电平时, 与门Y1无脉冲输出; 而U1的反相微分脉冲则发生在U2的“1”电平时, 与门Y2输出一个减计数脉冲。,2022/1
16、1/18,四、 莫尔条纹细分技术,目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。细分方法： 1.增加光栅刻线密度； 2.电子细分； 3.机械和光学细分。,2022/11/18,电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内, 发出n个脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频法。通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥细分等。,2022/11/18,1. 四倍频细分 方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，得到四个相差依次为/2的电压信号；或在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相
17、差/2的电压信号。,在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。,采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以提高分辨率。,L,用鉴频器鉴取四个信号的零电平，当每个信号从负到正过零点时发一个计数脉冲,L,2022/11/18,相距B/4放置四个光电元件,2022/11/18,五、 光栅传感器的光学系统,组成：光源、透镜、光栅、光敏元件,光源：白炽灯或其它发光元件；透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件：输出电压信号；,形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头 （与移动部件固
18、定）,扫描头安装孔,可移动电缆,防尘保护罩的内部为长光栅,1、光栅的外形及结构,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,2022/11/18,2、透射直读式,特点：光电元件采用四极硅光电池构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差/2，相当于对莫尔条纹信号进行四细分。,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,2022/11/18,特点：标尺光栅为反射式光栅， 光源经透镜成平行光束并以一定角度射向指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅反射回来的光线与指示光栅相互作用而成。,（b）反射直读式,2、反射直读式,反射式光栅,2022/11/18,特点：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利用光的
19、衍射和干涉现象测量位移。,3、反射积分式,2022/11/18,7.5 光栅传感器的应用,由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。 光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。,2022/11/18,传感器原理及应用,例: 光栅式万能测长仪,2022/11/18,光源：红外发光二极管主光栅：透射式黑白振幅光栅；指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为/2的原始信号；光电元件：光电三极管四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。,
