光栅传感器ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,光栅传感器,光栅传感器,一、光栅的结构及工作原理,1.光栅结构,在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、,等间距分布的细小条纹（又称为刻线），,这就是光栅。,透射光栅示意图,图中,a,为栅线的宽度（不透光），,b,为栅线间宽（透光），,a,+,b,=,W,称为光栅的栅距（也称光栅常数）。,通常,a=b,=,W,/2，也可刻成,a,b,=1.10.9。,一、光栅的结构及工作原理在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、,光栅分类,按检测位移性质,长光栅,：,用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行。,圆光栅,：,用来测量角度或角位移，在圆盘上刻线。,透射光栅,优点,：光源垂直入射，信号幅值较大，信噪比好，光电转换器的结构简单；,光栅每毫米的线纹数多，减轻了电子线路的负担。,缺点,：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。,透射光栅尺的长度,一般都在12m，常见的线纹密度为每毫米,4、10、25、50、100、200、250线。,反射光栅,优点,：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，可用钢带做成长达数米的,长光栅。安装面积小，调整方便，适应于大位移测量场所。,缺点,：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多，,常用线纹,数为4、10、25、40、50。,按光源照射方法,透射光栅,反射光栅,按制造光栅材料,玻璃光栅,金属光栅,光栅分类按检测位移性质长光栅：用于长度或直线位移的测量，刻线,由三大部分组成：,光源和透镜,光栅副(主光栅和指示光栅),光电接收元件,光栅传感器,组成,由三大部分组成：光栅传感器,光栅检测装置基本结构示意图,1光源 2透镜,3指示光栅 6标尺光栅,4光电元件 5驱动电路,光栅检测装置基本结构示意图,透射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,透射式圆光栅固定,反射式光栅,反射式光栅,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头,（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,防尘保护罩的内部为长栅,光栅的外形及结构,尺身尺身安装孔反射式扫描头,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,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,2.光栅测量原理,把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角,，如图示。,这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫,莫尔条纹,。,光栅莫尔条纹的形式,L,在,d,-,d,线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；,在,f-f,线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。,2.光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅,莫尔条纹的形成是由两块,光栅的遮光和透光效应形成的。,2.光栅测量原理,光栅横向移动一个节距,W,，,莫尔条纹正好沿刻线上下移动,一个节距,L,。,用光电元件检测莫尔条纹,信号的变化可测量光栅的位移。,光栅莫尔条纹的形式,L,莫尔条纹的特点：,放大作用,使栅距的节距误差平均化,根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向,莫尔条纹的形成是由两块2.光栅测量原理,莫尔条纹,演示,主光栅,指示光栅,莫尔条纹,移动,均匀刻线,夹角,明暗相间条纹,莫尔条纹演示主光栅指示光栅莫尔条纹移动均匀刻线夹角明暗相间条,（1）莫尔条纹,的光学放大作用,在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角,。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。,光栅的刻线宽度,W,莫尔条纹的宽度,L,L,W,/,（,为主,光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,（1）莫尔条纹的光学放大作用 在透射式直线光,莫尔条纹,光学放大作用举例,有一直线光栅，每毫米,刻线数为,50,，主光栅与指示,光栅的夹角,=,1.8,。,则：分辨力,=栅距,W,=1mm/,50,=0.02mm=20,m,（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）,莫尔条纹,的宽度是栅距的32倍：,L,W,/,=0.02mm/（,1.8,3.14/,180,）,=0.02mm/0.0314=0.637mm,由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”,莫尔条纹,光强的变化。,莫尔条纹光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫,（2）莫尔条纹移动方向,指示光栅沿着,刻线垂直方向,向右,移动时，莫尔条纹,将沿着主光栅栅线,向下,移动；,指示光栅,向左,移动时，莫尔条纹,沿着主光栅的栅线,向上,移动。,（3）误差的平均效应,莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,根据莫尔条纹移动方向,可以对指示光栅的运动进行辨向,主光栅相对指示光栅的,转角方向为顺时针方向,（2）莫尔条纹移动方向（3）误差的平均效应根据莫尔条纹移动方,二、光栅细分技术,根据光栅测量原理可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。,为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。,细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。,所谓,细分,，就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，如一个周期内发出,n,个脉冲，即可使测量精度提高到,n,倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/,n,。,由于细分后计数脉冲频率提高到了,n,倍，因此也称之为,n,倍频,。细分方法有机械细分和电子细分两类。,二、光栅细分技术 根据光栅测量原理可知，以移过,所谓,细分,，就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，如一个周期内发出,n,个脉冲，即可使测量精度提高到,n,倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/,n,。,由于细分后计数脉冲频率提高到了,n,倍，因此也称之为,n,倍频,。细分方法有机械细分和电子细分两类。,细分前,细分后,脉冲细分,二、光栅细分技术,所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，,在相差,B,H,/4位置上安放四个光电元件来实现,四倍频细分,。,采用4细分技术后，计数脉冲的,频率提高了4倍,，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，,测量步距是原来的1/4,，较大地提高了测量精度。,二、光栅细分技术,在相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四,四倍频细分,电路原理框图,四倍频细分,光栅在机床上的安装位置,（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）,光栅在机床上的安装位置,（,3,个自由度）,数显表,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表,3自由度光栅数显表,3自由度光栅数显表,3自由度光栅数显表,3自由度光栅数显表,安装有直线光栅的数控机床加工实况,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器,安装在夹,具的端部,安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅光栅扫描,