光栅传感器与光电编码器课件

光栅式传感器光栅式传感器|基本工作原理和计量光栅的种类基本工作原理和计量光栅的种类|莫尔条纹莫尔条纹|辨向原理及细分电路辨向原理及细分电路基本工作原理和计量光栅的种类基本工作原理和计量光栅的种类一、基本工作原理一、基本工作原理 光栅栅线放大图光栅栅线放大图二、光栅的种类：二、光栅的种类：光栅的种类很多，若光栅的种类很多，若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于精密测量和精密机械的自后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。动控制中。而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。光栅两类。计量光栅的分类黑白透射长光栅光栅传感器的构成原理图莫尔条纹莫尔条纹横向莫尔条纹横向莫尔条纹 相相邻邻的的两两明明暗暗条条纹纹之之间间的的距距离离B称称为为莫莫尔条纹间距。尔条纹间距。长光栅横向模尔条纹 从图中不难看出。当从图中不难看出。当光栅副光栅副间的夹角间的夹角很小，且两光栅的栅距相等，都为很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫时，莫尔条纹间距尔条纹间距B为为:由于由于值很小，条纹近似与栅线的方向值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。当垂直，故称为横向莫尔条纹。当0、B时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故将这种条纹称为将这种条纹称为光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹。横向莫尔条纹重要特性横向莫尔条纹重要特性:莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹具有平均光栅误差作用莫尔条纹具有平均光栅误差作用辨向原理和细分电路辨向原理和细分电路 一、辨向原理一、辨向原理 在在实实际际应应用用中中，大大部部分分被被测测物物体体的的移移动动往往往往不不是是单单向向的的，既既有有正正向向运运动动，也也可可能能有有反反向向运运动动。单单个个光光电电元元件件接接收收一一固固定定的的莫莫尔尔条条纹纹信信号号，只只能能判判别别明明暗暗的的变变化化而而不不能能辨辨别别莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动方方向向，因因而而就就不不能能判判别别光光栅栅的的运运动动方方向向，以以致致不不能能正正确确测测量量位位移移。如如果果能能够够在在物物体体正正向向移移动动时时，并并将将得得到到的的脉脉冲冲数数累累加加，而而物物体体反反向向移移动动时时就就从从已已累累加加的的脉脉冲冲数数中中减减去去反反向向移移动动所所得得的的脉脉冲冲数数，这这样样就就能能得得到到正正确确的的测测量量结结果果。完完成成这这样样一一个个辨辨向向任任务务的电路就是辨向电路。的电路就是辨向电路。用正弦函数表示为：用正弦函数表示为：式中，式中，u为光电元件输出电压，为光电元件输出电压，U0为输为输出信号中的平均直流分量，出信号中的平均直流分量，Um为输出信号中为输出信号中正弦交流分量的幅值。正弦交流分量的幅值。辨向电路原理框图辨向电路原理框图光栅移动时辨向电路各点波形光栅移动时辨向电路各点波形依次相距依次相距B4的位置安放四个光电元件的位置安放四个光电元件辨向原理和细分电路辨向原理和细分电路 二、细分电路二、细分电路 以移动过的莫尔条纹数量来确定位移以移动过的莫尔条纹数量来确定位移量，能测量的最小位移量就是光栅栅距。量，能测量的最小位移量就是光栅栅距。为了提高分辨率，以测量小于栅距的位为了提高分辨率，以测量小于栅距的位移量，应采用细分技术。光栅信号细分移量，应采用细分技术。光栅信号细分技术主要有光学细分、电子细分和微机技术主要有光学细分、电子细分和微机软件细分方式。软件细分方式。光学细分由于结构复杂、调试困难、成光学细分由于结构复杂、调试困难、成本高等原因，已很少使用。而电子细分的原本高等原因，已很少使用。而电子细分的原理是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出理是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一个周期若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一个周期内发出内发出n个脉冲，就可使分辨率为原来的个脉冲，就可使分辨率为原来的n倍，每个脉冲当量相当于原来栅距的倍，每个脉冲当量相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率为原来的由于细分后计数脉冲频率为原来的n倍，所倍，所以也称为以也称为n倍频。倍频。细分与未细分的比较细分与未细分的比较注意：在电子细分技术中，常采用四倍频细分法，这种细分法也是许多其他细分法的基础。四倍频细分电路四倍频细分电路电阻桥细分电路电阻桥细分电路 电子细分不可能得到高的细分数，且细分数是固定的，所以现在大多数光栅数显表都采用了微机软件细分法。计算机软件细分 光栅信号的计算机软件细分技术是目前应用较为广泛、也比较成熟的细分技术。软件细分法一般是：将二个相差/2的信号通过A/D转换输入微机，再利用一定的算法计算出莫尔信号的相位，即可推算出此时莫尔条纹内的位置点，得到小于栅距的细分值，又称小数。通过辨向电路输出的为大数脉冲，脉冲频率对应于莫尔条纹变化频率，脉冲当量为光栅栅距值。经过大小数合并处理后，再由微机进经过大小数合并处理后，再由微机进行数值计算和码制转换等处理，即可得到行数值计算和码制转换等处理，即可得到测量值。测量值。采用微机软件细分方法，不但可以得采用微机软件细分方法，不但可以得到高细分数，而且可以通过编程改变细分到高细分数，而且可以通过编程改变细分数、结构简单、成本低、可靠性高，非常数、结构简单、成本低、可靠性高，非常适用于智能检测与控制等系统。适用于智能检测与控制等系统。光电编码器编码器概述编码器概述-编码器是将位移量转换成以数字代码形式输出编码器是将位移量转换成以数字代码形式输出的传感器，这类传感器的种类很多，按其结构的传感器，这类传感器的种类很多，按其结构形式有形式有直线式编码器直线式编码器和和旋转式编码器旋转式编码器，直线式，直线式编码器又称为编码尺，旋转式编码器又称为编编码器又称为编码尺，旋转式编码器又称为编码盘。编码尺和编码盘可以分别用于直线位移码盘。编码尺和编码盘可以分别用于直线位移和角位移的测量，但由于许多直线位移是通过和角位移的测量，但由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的，因此旋转式编码器应用更转轴的运动产生的，因此旋转式编码器应用更为广泛。编码器以其高精度、高分辨率和高可为广泛。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而广泛用于各种位移测量。靠性而广泛用于各种位移测量。光电式编码器具有非接触、体积小、光电式编码器具有非接触、体积小、分辨率高的特点，作为精密位移传感器分辨率高的特点，作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用，为科学研究、军事、航天和泛的应用，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。的手段。光电式编码器光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘码圆盘(码盘码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成，其基本结构如图所示。源和光敏元件等组成，其基本结构如图所示。旋旋转转式式编编码码器器又又分分为为增增量量式式编编码码器器和和绝绝对对式式编编码码器器。增增量量式式编编码码器器的的输输出出是是一一系系列列脉脉冲冲，需需要要一一个个计计数数系系统统对对脉脉冲冲进进行行累累计计计计数数，一一般般还还需需要要一一个个基基准准数数据据即即零零位位基基准准才才能能完完成成角角位位移移测测量量。绝绝对对式式编编码码器器不不需需要要基基准准数数据据及及计计数数系系统统，它它在在任任意意位位置置都都可可给给出出与与位位置置相相对对应应的的固固定定的的数数字字码输出。码输出。码盘一般由光学玻璃制成，上面刻有许多同码盘一般由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。码盘构造如图所和不透光部分，即亮区和暗区。码盘构造如图所示，这是一个示，这是一个6位的二进制码盘。位的二进制码盘。当光源将光投射在转动的码盘上时，光当光源将光投射在转动的码盘上时，光线透过亮区和狭缝后，由光敏元件所接收。线透过亮区和狭缝后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者有光区和暗区的光敏元件输出的信号，前者有光照或光照为强，数码输出为照或光照为强，数码输出为“1”，后者无，后者无光照或光照为弱，数码输出为光照或光照为弱，数码输出为“0”。所以，。所以，当码盘旋转至不同的位置时，光敏元件输出当码盘旋转至不同的位置时，光敏元件输出信号的组合将反映出按一定规律编码的数字信号的组合将反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。量，代表了码盘轴的角位移大小。实际应用中，较少采用二进制编码器，实际应用中，较少采用二进制编码器，因为这种传感器的任何微小的制作误差都可因为这种传感器的任何微小的制作误差都可能引起读数的能引起读数的粗误差粗误差。主要是当二进制码在某一较高的数码改主要是当二进制码在某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码需要同时改变，变时，所有比它低的各位数码需要同时改变，即造成编码在一些位置的变化时光电接收元即造成编码在一些位置的变化时光电接收元件输出信号发生件输出信号发生陡变陡变。如果由于刻划误差等。如果由于刻划误差等原因，使得某一较高位提前或延后改变，就原因，使得某一较高位提前或延后改变，就会造成会造成粗误差粗误差。为了清除粗误差，可采用相邻位置的为了清除粗误差，可采用相邻位置的编码无陡变的形式。常用循环码来代替二编码无陡变的形式。常用循环码来代替二进制码，如图所示为一个进制码，如图所示为一个6位的循环码码盘。位的循环码码盘。十进制数二进制循环码十进制数二进制循环码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000 循循环环码码是是一一种种无无权权码码，这这给给译译码码造造成成一一定定困困难难。通通常常先先将将它它转转换换成成二二进进制制码码然然后后再再译译码码。可可以以找找到到循循环环码码和和二二进进制制码码之之间间的转换关系为：的转换关系为：式中，式中，R为循环码；为循环码；C为二进制码。为二进制码。根据上式，可以用与非门构成循环码根据上式，可以用与非门构成循环码/二进制码转换电路。这种转换电路所用元二进制码转换电路。这种转换电路所用元件是比较多的，如采用存储器芯片或软件件是比较多的，如采用存储器芯片或软件编程方式可以方便地实现循环码到二进制编程方式可以方便地实现循环码到二进制码的转换。码的转换。