光柵傳感器工作原理PPT

1、THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成u 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術l 光柵數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列而成的光電器件。20線-150線/mm25線-50線/mmWW透射式反射式為

2、光柵常數(shù)，也稱光柵柵距。W 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵的分類光柵的分類按用途分物理光柵計量光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析、光波長測量。利用莫爾條紋現(xiàn)象，主要用于長度、角度、速度、加速度、振動等物理量的測量。計量光柵長光柵圓光柵用于長度測量用于角度測量按光的走向透射式光柵反射式光柵按柵線的形式黑白光柵（幅值光柵）閃耀光柵（相位光柵）徑向光柵切向光柵環(huán)形光柵長光柵 - 直線位移圓光柵 - 角位

3、移 構成： 主光柵 - 標尺光柵，定光柵 指示光柵 - 動光柵長度 - 測量范圍；刻線密度 - 測量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm )THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作

4、原理光柵傳感器的結構和工作原理光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副光 路光柵傳感器的結構按運動形式分： 直線型-主光柵為直尺形直線移動 旋轉型-主光柵為圓盤形旋轉運動按光學形式分： 透射式-光源與光電元件在兩側透射光 反射式-光源與光電元件同一側反射光THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構莫爾條紋的形成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMA

5、TION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理+-位移正弦波條紋寬度： WBW-柵距， a-線寬， b-縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當 =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋 當 =0, w1w2 縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術莫爾條紋（莫爾條紋（Moire）方向

6、性：垂直于角平分線，當夾角很小時 與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距 莫爾條紋移動一個間距 方向?qū)糯笮裕簥A角很小 BW 光學放大 提高靈敏度可調(diào)性：夾角 條紋間距B 靈活準確性：大量刻線 誤差平均效應 克服個別/局部誤差 提高精度 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術莫爾條紋（莫爾條紋（Moire）的特性）的特性THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY

7、機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理故 被測物體位移柵距脈沖數(shù)被測物體位移莫爾條紋移動正弦波方波脈沖通過光柵 轉 換通過光電 元件轉移整 形 轉 換邏輯電壓 轉 換THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理u光柵傳感器特點 精度高： 測長(0.2+210-6L)m， 測角0.1量程大： 透射式-光柵尺長（米），

8、 反射式-幾十米響應快： 可用于動態(tài)測量增量式： 增量碼測量 計數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高： 對環(huán)境要求高溫度、 濕度、灰塵、振動、 移動精度成本高： 電路復雜 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測

9、量電路光柵傳感器的測量電路信號各種接口放大細分整形四倍頻、判向加減計數(shù)正弦(余弦)信號方波信號數(shù)字信號信號轉換THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u信號的形成與轉換W11 4nWW22 4n WW33 4nWWsin xc o s xc o s xsin xTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技

10、術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u信號的形成與轉換標尺光柵指示光柵假如移動了一個柵距Ws in xs in xc o s xc o s xs in xc o s xc o s xs in x得到四個信號：THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u信號的形成與轉換得到一對相位相差 的正交差分信號2正弦差分信號余弦差分信號THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING

11、AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u信號放大可得到相位差分別為 ， ， 的正弦信號021RouRu2R2C1C1RouRu2R2C1Csin xcosxTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u 位移信號ppu2cos()bpP PuuuxW pupu2sin()apP PuuuxW ppu一對正交位移信號： 和

12、aubu位移的方向：au正向時 超前aubu反向時 超前aubux位移的大?。?可見位移大小的信息包含在信號的相位中。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u電阻鏈細分電路sinsinammuUxUsin()cos2bmmuUxUouaubu1R2R121212baR uR uRRRR0pu p pmuU設 ， 。則 212()oabbRuuuuRR121212cossinmmRRUURRRRsincoscos si

13、nmmUUsin()mU 22212c o sRRR2212RR2R1R12arctanRR221212mmRRUURR12212s inRRR注：ouaubuauTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u五細分電路100sin18K56K24K33K56K18K33K24K33K24K24K33K18K56K56K18Kcossin5310257104591023501 83 65 47 29 01 0 81 2 6

14、1 4 41 6 2THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u信號整形正弦信號通過電壓比較器，整形為同周期的方波信號。cosxRuiuRusin xRuiuiuiu1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K電壓比較器339LM1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K電壓比較器339LMTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU

15、 UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u五細分電路信號處理過程036721854901081261461 42得到十路方波信號，其相位依次相差 18THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u五細分電路信號處理過程03672108144XP0367210814403672108144XPPPPPPPPPPP0367210814403672108144P

16、PPPPPPPPP03672108144PPPPP信號相位每變化 就產(chǎn)生一個新的方波，所以得到5倍頻（細分）。72THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u五細分電路信號處理過程185490126162YP185490126162185490126162YPPPPPPPPPPP185490126162185490126162PPPPPPPPPP185490126162PPPPP得到五細分（倍頻）后的 ， 正交方波。 X

17、PYPTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u五細分電路實現(xiàn)：1816290()YPPPP54126()PP361080()XPPPP72144()PP74LS86異或門74LS86異或門0P18P36P54P72P90P108P126P144P162P21351113964138121051110412896231YPXPYBA注：異或門74LS86：YABABBAY01001010111100真值表：THE CO

18、LLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u 四細分、判向邏輯XPYPW小結：光柵相對位移莫爾條紋正交正弦信號五細分正交方波信號 細分后的一個方波信號是原正弦信號按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 細分后的方波信號仍是一對正交方波信號。 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器

19、的測量電路光柵傳感器的測量電路u 四細分、判向邏輯關于正交方波信號的討論：AB正交方波信號位移方向信息： 正向移動時，A超前B； 反向移動時，B超前A。2xW位移大小信息： 相位 。11000110正交方波信號的狀態(tài)變化規(guī)律：10110001正向移動時反向移動時結論：正交方波信號的狀態(tài)變化規(guī)律為：正向時00、10、11、01而反向時相反一個方波狀態(tài)改變四次THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u 四細分、判向邏輯AB

20、正交方波信號11000110l四細分： 一個方波內(nèi)狀態(tài)改變四次，記錄下狀態(tài)改變的次數(shù)，則一個方波又按相位被細分為四等分。l判向： 根據(jù)當前時刻和前一時刻的狀態(tài)，可以判斷出位移的方向。(54)Wxn 因此，在整個位移過程中，我們只要記錄下信號狀態(tài)的變化次數(shù)，并在正向時做加計數(shù)，反向時做減計數(shù)。可得(54)W脈沖當量W 柵距；x位移長度；n總計數(shù)值；THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機電一體化技術機電一體化技術機電一體化技術 光柵傳感器的測量電路光柵傳感器的測量電路u 結果顯示、打印位移長度：Wxn總細分數(shù)9 8 9 8 .1 2 3 4mm顯示打印其它處理例：一光柵數(shù)顯系統(tǒng)，選用 的光柵傳感器，電子處理系統(tǒng)的電阻鏈細分數(shù)為25，后接 4 細分判向電路。問該系統(tǒng)的光柵柵距是多少？脈沖當量和最小分辨率分別是多少？當光柵移動了 個柵距時，顯示數(shù)應該是多少？100線m m34118光柵柵距10.01100Wmmmm10.00011