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1、光栅测量系统,数字信号检测系统的组成,数字信号检测系统的组成,光栅数字式传感器,光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。,透射式,反射式,为光栅常数,也称光栅栅距。,数字信号检测系统的组成,光栅的分类,按用途分,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析、光波长测量。,利用莫尔条纹现象,主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。,计量光栅,用于长度测量,用于角度测量,按光的走向,按栅线的形式,长光栅-直线位移圆光栅-角位移,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),光栅
2、传感器的结构和工作原理,光栅传感器的结构,光栅传感器的结构和工作原理,光 路,光栅传感器的结构,按运动形式分:直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分:透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的结构,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,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 纵向莫尔条纹,莫尔条纹(Moire),方向性:垂直于角平分线,当夹角很小时 与光栅移动方向垂直同步性:光栅移动一
3、个栅距 莫尔条纹移动一个间距 方向对应放大性:夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度可调性:夹角 条纹间距B 灵活准确性:大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,莫尔条纹(Moire)的特性,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,故 被测物体位移栅距脉冲数,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,光栅传感器特点,精度高:测长(0.2+210-6L)m,测角0.1量程大:透射式-光栅尺长(米),反射式-几十米响应快:可用于动态测量增量式:增量码测量 计数 断电数据消失要求高:对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高:电路复杂,光栅传感器的结构和工作原理
4、,光栅传感器的工作原理,光栅传感器的测量电路,信号,数字信号,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,标尺光栅,指示光栅,假如移动了一个栅距,得到四个信号:,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,得到一对相位相差 的正交差分信号,光栅传感器的测量电路,信号放大,可得到相位差分别为,的正弦信号,光栅传感器的测量电路,位移信号,光栅传感器的测量电路,电阻链细分电路,设,。则,光栅传感器的测量电路,五细分电路,光栅传感器的测量电路,信号整形,正弦信号通过电压比较器,整形为同周期的方波信号。,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,得到十路方波信号,其相
5、位依次相差,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,信号相位每变化 就产生一个新的方波,所以得到5倍频(细分)。,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,得到五细分(倍频)后的,正交方波。,光栅传感器的测量电路,五细分电路实现:,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,小结:,细分后的一个方波信号是原正弦信号按相位等分的五分一,因此,分辨率提高了五倍。细分后的方波信号仍是一对正交方波信号。,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,关于正交方波信号的讨论:,位移方向信息:正向移动时,A超前B;反向移动时,B超前A。,位移大小信息:相位。,正交方波信号的状态变化规律:,结论:正交方波信
6、号的状态变化规律为:正向时00、10、11、01而反向时相反一个方波状态改变四次,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,四细分:一个方波内状态改变四次,记录下状态改变的次数,则一个方波又按相位被细分为四等分。判向:根据当前时刻和前一时刻的状态,可以判断出位移的方向。,因此,在整个位移过程中,我们只要记录下信号状态的变化次数,并在正向时做加计数,反向时做减计数。可得,脉冲当量,栅距;,位移长度;,总计数值;,光栅传感器的测量电路,结果显示、打印,光栅栅距,脉冲当量、最小分辨率均为,显示数为,光栅传感器的应用,光栅传感器的应用,日本仓敷KBT-11WA卧式加工中心,光栅传感器的应用,思考与讨论:,问题:怎样制作一个简易的长度、角度、速度测量系统?,3、两光电管之间的距离是多少?怎么调节?,2、长度的最小分辨率怎么考虑?,1、角度的最小最少分辨率约是多少?,4、怎样得到速度?,思考,1、什么叫正交信号?有什么特点?2、光栅产生的莫尔条纹有那些特点?3、光栅测量位移(大小、方向)的原理。4、拟对一位移量进行测量,试给出测量方案,并说明其道理。,