光栅传感器工作原理

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,*,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,传,感,器,整,形,电,路,放,大,器,细,分,电,路,脉冲,当量,变,换,电,路,计,数,器,寄,存,器,计,算,机,显示,执行,机,构,辨向电路,数字信号检测系统的组成,细,分,电,路,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。,20,线,-150,线,/mm,25,线,-50,线,/mm,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,物理光栅,计量光栅,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,长光栅,圆光栅,用于长度测量,用于角度测量,按光的走向,透射式光栅,反射式光栅,按栅线的形式,黑白光栅,（幅值光栅）,闪耀光栅,（相位光栅）,径向光栅,切向光栅,环形光栅,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,光源,透镜,主光栅,指示光栅,光电元件,光栅副,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,莫尔条纹的形成,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,+,-,位移,正弦波,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,均匀刻线,主光栅,指示光栅,夹角,明暗相间条纹,莫尔条纹,移动,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,被,测,物,体,位,移,莫,尔,条,纹,移,动,正,弦,波,方,波,脉,冲,通过光栅 转 换,通过光电 元件转移,整 形 转 换,逻辑电压 转 换,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,-6,L)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,光栅传感器的工作原理,光栅传感器的测量电路,信号,各种接口,放,大,细,分,整,形,四,倍,频,、,判,向,加,减,计,数,正弦,(,余弦,),信号,方波信号,数字信号,信,号,转,换,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,W,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,正弦差分信号,余弦差分信号,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,一对正交位移信号：和,位移的方向：,正向时 超前,反向时 超前,位移的大小：,可见位移大小的信息包含在信号的,相位,中。,光栅传感器的测量电路,电阻链细分电路,设 ，。则,注：,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。,电压比较器,电压比较器,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：,74LS86,异或门,74LS86,异或门,2,1,3,5,11,13,9,6,4,13,8,12,10,5,11,10,4,12,8,9,6,2,3,1,注：异或门,74LS86,：,真值表：,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,小结：,光栅,相对位移,莫尔条纹,正交,正弦信号,五细分,正交,方波信号,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：,正交方波信号,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：,10,11,00,01,正向移动时,反向移动时,结论：,正交方波信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,正交方波信号,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,位移长度：,总细分数,显示,打印,其它处理,例：一光栅数显系统，选用 的,光栅传感器，电子处理系统的电阻链细分数,为,25,，后接,4,细分判向电路。问该系统的光,栅栅距是多少？脉冲当量和最小分辨率分别,是多少？当光栅移动了 个栅距时，显示,数应该是多少？,线,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,密封式,开启式,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。,