光電傳感與檢測(cè)第七章

1、光柵傳感與檢測(cè)技術(shù)光柵傳感與檢測(cè)技術(shù) 在玻璃（或金屬）上進(jìn)行刻劃，可得到一系列密集刻線，這種在玻璃（或金屬）上進(jìn)行刻劃，可得到一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。從理論上講，平具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。從理論上講，平行等寬而又等間隔的多狹縫就可視為光柵，任何裝置只要能起行等寬而又等間隔的多狹縫就可視為光柵，任何裝置只要能起到等間隔地分割波陣面都可以稱作光柵。到等間隔地分割波陣面都可以稱作光柵。 長(zhǎng)度或直線位移的測(cè)量長(zhǎng)度或直線位移的測(cè)量, 測(cè)量角度或角位移測(cè)量角度或角位移1 1、光柵的種類和特點(diǎn)光柵的種類和特點(diǎn) 透射光柵透射光柵的特點(diǎn)的特點(diǎn) 光源可以采用垂直

2、入射光，光電元件能夠直接光源可以采用垂直入射光，光電元件能夠直接接受，因此信號(hào)幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換接受，因此信號(hào)幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用的光柵可做到每毫米器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用的光柵可做到每毫米100100條線，條線，再經(jīng)過電路細(xì)分，可以做到微米級(jí)的分辨率。再經(jīng)過電路細(xì)分，可以做到微米級(jí)的分辨率。 金屬金屬反射光柵反射光柵的特點(diǎn)的特點(diǎn) 金屬反射光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床金屬反射光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床用的普通鋼或鑄鐵一致，接長(zhǎng)方便。用的普通鋼或鑄鐵一致，接長(zhǎng)方便。 長(zhǎng)光柵有時(shí)也稱為長(zhǎng)光柵有時(shí)也稱為光柵尺光柵尺 刻劃在玻璃圓盤上的光柵稱為刻劃在玻璃圓盤上的

3、光柵稱為圓光柵圓光柵 光柵位移傳感器光柵位移傳感器開放式開放式封閉式封閉式2 2、光柵工作原理光柵工作原理 莫爾條紋：如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)莫爾條紋：如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度過一個(gè)很小的角度，由于光的衍射作用，就會(huì)，由于光的衍射作用，就會(huì)產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。疊合疊合主光柵主光柵指示光柵指示光柵夾角夾角明暗相間條紋明暗相間條紋移動(dòng)移動(dòng)莫爾條紋莫爾條紋莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn)：信息變換信息變換 當(dāng)標(biāo)尺光柵對(duì)應(yīng)于指示光柵沿著與刻當(dāng)標(biāo)尺光柵對(duì)應(yīng)于指示光柵沿著與刻線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也移動(dòng)，線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋

4、也移動(dòng)，若光柵移動(dòng)一個(gè)柵距若光柵移動(dòng)一個(gè)柵距t t，莫爾條紋正好移動(dòng)一個(gè)，莫爾條紋正好移動(dòng)一個(gè)寬度寬度T T。若光柵向相反方向移動(dòng)，條紋也向相反。若光柵向相反方向移動(dòng)，條紋也向相反方向移動(dòng)。方向移動(dòng)。 放大作用放大作用 莫爾條紋間距莫爾條紋間距W W及光柵間的夾角及光柵間的夾角有有如下關(guān)系：如下關(guān)系： 誤差的平均效應(yīng)誤差的平均效應(yīng) 光柵信號(hào)與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系光柵信號(hào)與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系a)a) 信號(hào)波形的正弦性信號(hào)波形的正弦性 WWB)2/sin(2光柵傳感器的構(gòu)成圖驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路光源透鏡標(biāo)尺光柵 光敏元件指示光柵提高光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的精度提高光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的精度 :p采用高精度的光柵傳感器 p

5、采用中等精度的光柵傳感器，通過細(xì)分技術(shù)提高光柵數(shù)顯裝置的細(xì)分?jǐn)?shù) p采用誤差修正 P1 P2 P3 P4 指示光柵指示光柵 標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵 硅光電池硅光電池 聚光鏡聚光鏡 光源光源 光柵測(cè)量系統(tǒng)光柵測(cè)量系統(tǒng)基于零位光柵傳感器的線位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于零位光柵傳感器的線位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 線位移測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)X向?qū)к壪到y(tǒng)Y向?qū)к壪到y(tǒng)X-Y 工作臺(tái)光柵傳感器A光柵傳感器B 信號(hào)細(xì)分電路 辨向電路 信號(hào)計(jì)數(shù)電路 微處理器電路LED顯示電路信號(hào)細(xì)分電路原理圖濾波相移比較組合正弦波信號(hào)兩路正交方波四倍頻脈沖信號(hào)對(duì)工作臺(tái)移動(dòng)進(jìn)行辨向的單元結(jié)構(gòu)D觸發(fā)器與非門XCP+XCP-X2CP-X2CP+

6、 微處理器電路結(jié)構(gòu)UB1UB2UB3UB4UB5UB6微處理器存儲(chǔ)器通訊單元 UT1 UT5 UT6 UT10通訊單元 LED顯示電路的原理 微處理器程序流程圖微處理器程序流程圖a a） 主程序流程主程序流程 b b）中斷子程序流程）中斷子程序流程進(jìn)入中斷子程序進(jìn)入中斷子程序查詢按下的鍵值查詢按下的鍵值調(diào)相應(yīng)的應(yīng)用子程序調(diào)相應(yīng)的應(yīng)用子程序退出中斷退出中斷保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)初始化初始化采集、存儲(chǔ)位移數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)位移數(shù)據(jù)查詢測(cè)量狀態(tài)查詢測(cè)量狀態(tài)字字標(biāo)志位標(biāo)志位= 1應(yīng)用子程序應(yīng)用子程序開始開始修正參數(shù)輸入態(tài)修正參數(shù)輸入態(tài)測(cè)量狀態(tài)測(cè)量狀態(tài)LED進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示yesnoa)b)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 基于增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的角度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的角度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成圖光敏元件信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)輸出ABZ光源透鏡指示光柵盤上狹縫 轉(zhuǎn)軸圓光柵盤增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出a 、b兩路信號(hào)的示意圖aabbTX1 X2 X3 X4增量式旋轉(zhuǎn)編碼器辨向電路信號(hào)計(jì)數(shù)電路微處理器電路LED顯示電路按鍵驅(qū)動(dòng)電路旋轉(zhuǎn)屏幕角度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按鍵驅(qū)動(dòng)電路原理圖辨向電路原理圖主程序機(jī)械轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采集進(jìn)制轉(zhuǎn)換多圈累加處理當(dāng)前測(cè)量值置零數(shù)據(jù)單位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)誤差修正按鍵中斷軟件的結(jié)構(gòu)圖莫爾條紋是如何產(chǎn)生的