傳感器與檢測技術(shù)課件第二章-4光柵ppt課件

1、第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 二、光柵式位移傳感器二、光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵式位移傳感器有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。光柵。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理什么是光柵？什么是光柵？第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

2、 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理32411.標(biāo) 尺 光 柵 2.指 示 光 柵3.光 電 元 件 4.光 源第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵數(shù)字傳感器是干什么的？光柵數(shù)字傳感器是干什么的？1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

3、 若光柵柵距為若光柵柵距為W，兩個(gè)相鄰，兩個(gè)相鄰莫爾條紋的間距為莫爾條紋的間距為BH即即莫爾條紋中兩條暗紋或兩條莫爾條紋中兩條暗紋或兩條亮紋之間的距離則有亮紋之間的距離則有2(sin /2)HWWB莫爾條紋莫爾條紋這里這里是弧度，如果夾角是弧度，如果夾角為為0.100.10，則，則=0.1/180=0.1/180* *,則則BH=573W,BH=573W,相當(dāng)于把柵相當(dāng)于把柵距放大了距放大了573573倍。倍。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光

4、柵刻線方向移動(dòng)兩者的運(yùn)動(dòng)方向柵刻線方向移動(dòng)兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，相互垂直）。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵對(duì)光柵1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例：光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距比例：光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH；莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三

5、節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋具有位移放大作用：莫莫爾條紋具有位移放大作用：莫爾條紋的間距爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為之間關(guān)系為BH= W/,越小，越小， 則則BH越大。這相當(dāng)于把柵距越大。這相當(dāng)于把柵距 W放放大了大了 1/倍。倍。如對(duì)于如對(duì)于25線線/mm長光柵而言，長光柵而言，W=0.04mm,若若=0.016rad，那么，那么 BH =2.5mm(這樣，可把肉眼看不這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測量條紋莫爾條紋移動(dòng)，可以用測量條紋的移動(dòng)來檢測光柵的位移?？梢缘囊苿?dòng)來檢測光柵的位移?？梢詫?shí)

6、現(xiàn)高靈敏的位移測量實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量)莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 U0UW/2oUm2W3W/2Wx按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。WxUUUm2sin0莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似第二章 位移檢測傳感器第三

7、節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 u 當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵則沿光柵刻線方向移動(dòng)兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，通過，通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。 u 光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)

8、方向也作相應(yīng)改變。查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向向.u 莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。u 因此可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測出光柵移因此可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測出光柵移動(dòng)的距離和方向。光柵傳感器就是根據(jù)這一原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)位動(dòng)的距離和方向。光柵傳感器就是根據(jù)這一原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的檢測。移的檢測。1.長光柵位移傳感器的工作原理長光柵位移傳感器的工作原理第二章 位移檢測傳感器

9、第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 2. 長光柵位移傳感器長光柵位移傳感器 根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，光柵可以制成透射光柵和反射光柵。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，光柵可以制成透射光柵和反射光柵。 透射光柵的柵線刻制在透明材料上，要求較高時(shí)，可以采透射光柵的柵線刻制在透明材料上，要求較高時(shí)，可以采用光學(xué)玻璃；而指示光柵最好采用光學(xué)玻璃。用光學(xué)玻璃；而指示光柵最好采用光學(xué)玻璃。 反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。膜的玻璃上。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 由于采用不同形式的光柵，光學(xué)系統(tǒng)也各不相同，常

10、采用由于采用不同形式的光柵，光學(xué)系統(tǒng)也各不相同，常采用的光學(xué)系統(tǒng)有：的光學(xué)系統(tǒng)有： (1)透射式光路透射式光路 (2)反射式光路反射式光路3. 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 （1） 透射式光路透射式光路 光源光源5發(fā)出的光線經(jīng)發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直透鏡4變成平行變成平行光，入射到指示光柵光，入射到指示光柵3上，經(jīng)過指示光柵上，經(jīng)過指示光柵3和標(biāo)尺光柵和標(biāo)尺光柵2，再，再透射到光敏元件透射到光敏元件1上。上。一般標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而光源、指示光柵和光敏元件固定一般標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而光源、指示光柵和光敏元件固定在被測位移體上，莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)被

11、光敏元件接收。每當(dāng)在被測位移體上，莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)被光敏元件接收。每當(dāng)亮帶通過光敏元件時(shí)，有一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)輸出。亮帶通過光敏元件時(shí)，有一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)輸出。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 透射式光柵透射式光柵第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 （2） 反射式光路反射式光路 光源光源1發(fā)出的光線經(jīng)發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡聚光鏡2及場鏡及場鏡4后后以平行光束射向指示以平行光束射向指示光柵光柵5上，再經(jīng)標(biāo)尺上，再經(jīng)標(biāo)尺光柵光柵6反射后形成莫反射后形成莫爾條紋，通過反射鏡爾條紋，通過反射鏡3和物鏡系統(tǒng)和物鏡系統(tǒng)7把莫把莫爾條紋的信號(hào)送入光爾條紋的信

12、號(hào)送入光敏元件敏元件8上上. 當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵有相對(duì)位移時(shí)，光柵有相對(duì)位移時(shí)，光敏元件可接收到移動(dòng)敏元件可接收到移動(dòng)的莫爾條紋信號(hào)。的莫爾條紋信號(hào)。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 反射式光柵反射式光柵第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 長光柵式位移傳感器的特點(diǎn)長光柵式位移傳感器的特點(diǎn)長光柵位移傳感器的測長精度可達(dá)長光柵位移傳感器的測長精度可達(dá)0.53m (3000mm范圍內(nèi)范圍內(nèi))，分辨力可達(dá)，分辨力可達(dá)0.1m,可進(jìn)行無接觸測量可進(jìn)行無接觸測量第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 用兩塊刻線

13、數(shù)目相同，切線圓半徑分別為用兩塊刻線數(shù)目相同，切線圓半徑分別為r1、r2的切向圓的切向圓光柵同心放置，所產(chǎn)生的環(huán)形莫爾條紋如圖所示光柵同心放置，所產(chǎn)生的環(huán)形莫爾條紋如圖所示 其條紋間距為其條紋間距為21rrWRHB4. 圓光柵圓光柵第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫播放中播放中單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 用兩塊刻線數(shù)目相同的徑向圓光柵偏心放置，偏心量為用兩塊刻線數(shù)目相同的徑向圓光柵偏心放置，偏心量為e，這時(shí)形成不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋如圖所示這時(shí)形成不同曲率半徑的圓

14、弧形莫爾條紋如圖所示4. 圓光柵圓光柵 其條紋間距為其條紋間距為eWRHB 動(dòng)光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，因此，可將軸旋轉(zhuǎn)的角度量變換成動(dòng)光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，因此，可將軸旋轉(zhuǎn)的角度量變換成莫爾條紋信號(hào)。通過光電轉(zhuǎn)換元件，將莫爾條紋的變化轉(zhuǎn)莫爾條紋信號(hào)。通過光電轉(zhuǎn)換元件，將莫爾條紋的變化轉(zhuǎn)換成近似于正弦波形的電信號(hào)。測角精度可達(dá)換成近似于正弦波形的電信號(hào)。測角精度可達(dá)0.15”，分，分辨力可達(dá)辨力可達(dá)0.1”，甚至更高。，甚至更高。第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 播放中播放中圓弧莫爾條紋圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位

15、移傳感器大位移傳感器 n由前面分析，光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距由前面分析，光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W W，莫爾條紋移動(dòng)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距一個(gè)條紋間距BHBH，光電元件輸出就變化一個(gè)周期，光電元件輸出就變化一個(gè)周期22，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)脈沖，若按此進(jìn)行計(jì)數(shù)，則經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)脈沖，若按此進(jìn)行計(jì)數(shù)，則它的分辨力只有一個(gè)光柵柵距它的分辨力只有一個(gè)光柵柵距W.W.n為了能夠分辨比為了能夠分辨比W W更小的位移量，就要提高分辨力，更小的位移量，就要提高分辨力，一種方法是可以采用增加刻劃密度的方法來減少柵距，一種方法是可以采用增加刻劃密度的方法來減少柵距，但這種方法受到制造工藝或成本的限制，如倘若要

16、讀但這種方法受到制造工藝或成本的限制，如倘若要讀出位移為出位移為0.10.1m m，勢必要求每毫米刻線，勢必要求每毫米刻線1 1萬條，這是萬條，這是目前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。目前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。5. 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 n另一種方法是采用柵距細(xì)分技術(shù)，在一個(gè)柵距即另一種方法是采用柵距細(xì)分技術(shù)，在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號(hào)變化周期內(nèi)一個(gè)莫爾條紋信號(hào)變化周期內(nèi), , 發(fā)出發(fā)出n n脈沖脈沖, , 每個(gè)每個(gè)脈沖代表原來柵距的脈沖代表原來柵距的1/n1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了率提高了n n倍倍, , 因此也稱之

17、為因此也稱之為n n倍頻。倍頻。n細(xì)分后可以在不增加刻線數(shù)的情況下較大地提高細(xì)分后可以在不增加刻線數(shù)的情況下較大地提高光柵的分辨力。光柵的分辨力。n常用的細(xì)分方法有四倍頻細(xì)分法、十六倍頻常用的細(xì)分方法有四倍頻細(xì)分法、十六倍頻細(xì)分法、計(jì)算機(jī)細(xì)分法等。細(xì)分法、計(jì)算機(jī)細(xì)分法等。 5. 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 四倍頻細(xì)分法：在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元四倍頻細(xì)分法：在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，如右下圖件，如右下圖(a)(a)所示，得到相位分別相差所示，得到相位分別相差/2/2四個(gè)正弦周四個(gè)正弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)

18、，使其合并得到如右下圖期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)，使其合并得到如右下圖 所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了1/41/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到1/41/4個(gè)莫爾條紋寬度的個(gè)莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細(xì)分法。倍頻細(xì)分法。5. 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移

19、傳感器 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用計(jì)量和生產(chǎn)控制計(jì)量和生產(chǎn)控制第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用位置測量位置測量第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 課堂練習(xí)課堂練習(xí)第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器

20、1、在下述位移傳感器中，適宜于測量大位移的傳感器是A、電阻式傳感器B、電感式傳感器C、壓電式傳感器D、光柵式傳感器第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 2、若光柵式位移傳感器的光柵柵距為0.04mm,柵線的夾角為 1.80，則相鄰莫爾條紋的間距為單一） A、0.022mmB、0.07mmC、1.27mmD、3.99mmmmWHB27.1*180/8 .104.0第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 3 3、四倍細(xì)分式光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，當(dāng)用、四倍細(xì)分式光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，當(dāng)用4 4個(gè)光電元件個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)，分辨力為接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)，分辨力為0.004/mm0.004/mm脈沖，則光脈沖，則光柵的柵距為（柵的柵距為（ ）用四倍細(xì)分，則分辨力是光柵柵距的1/4，則光柵柵距為分辨力的4倍。4*0.004=0.016mm第二章 位移檢測傳感器第三節(jié)第三節(jié) 大位移傳感器大位移傳感器 4 4、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，如果柵線為、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測系統(tǒng)，如果柵線為5050線線/mm,/mm,當(dāng)用當(dāng)用4 4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí), ,則分辨率為則分辨率為（ ）分辨率是一個(gè)光柵柵距，即1/50=0.02mm，若用四個(gè)光電元件，即經(jīng)過四倍細(xì)分后