光柵傳感器的辨向

1、導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 光柵數(shù)字傳感器光柵數(shù)字傳感器導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7一、一、光柵的結(jié)構(gòu)和分類光柵的結(jié)構(gòu)和分類1.1.光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu) 光柵是在一塊長(zhǎng)條型（圓形）光學(xué)玻璃（或光柵是在一塊長(zhǎng)條型（圓形）光學(xué)玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透光與不透光相間排列的光與不透光相間排列的光電器件光電器件。 柵線柵線光柵上的刻線，寬度光柵上的刻線，寬度a a 縫隙寬度縫隙寬度b b 柵距柵距w=a+bw=a+b（也稱光柵常數(shù)）（也稱光柵常數(shù)）導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-72 2、分類、分類 按原理和用途：

2、物理光柵和按原理和用途：物理光柵和計(jì)量光柵計(jì)量光柵 物理光柵：刻線細(xì)密物理光柵：刻線細(xì)密, ,利用光的衍射現(xiàn)象利用光的衍射現(xiàn)象, ,主主要用于光譜分析和光波長(zhǎng)等量的測(cè)量。要用于光譜分析和光波長(zhǎng)等量的測(cè)量。 計(jì)量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角計(jì)量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-72 2、分類、分類 按光的走向按光的走向：透射式（玻璃）透射式（玻璃）和反射式（金屬）和反射式（金屬） 透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料 反射式光柵：刻劃基面采用金屬材料反射

3、式光柵：刻劃基面采用金屬材料 按柵線形式按柵線形式：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光柵）柵） 黑白光柵：利用照相復(fù)制工藝加工而成黑白光柵：利用照相復(fù)制工藝加工而成, ,其柵線與縫隙其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；為黑白相間結(jié)構(gòu)； 相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀, ,常用刻劃工藝加工而成。常用刻劃工藝加工而成。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-72 2、分類、分類 按按應(yīng)用應(yīng)用類型：長(zhǎng)光柵和圓光柵類型：長(zhǎng)光柵和圓光柵 長(zhǎng)光柵：刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，長(zhǎng)光柵：刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，刻線相互平行；用于測(cè)量刻線相互平

4、行；用于測(cè)量長(zhǎng)度或線位移長(zhǎng)度或線位移導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7構(gòu)成：主光柵構(gòu)成：主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動(dòng)光柵動(dòng)光柵長(zhǎng)度長(zhǎng)度 - 測(cè)量范圍；刻線密度測(cè)量范圍；刻線密度 - 測(cè)量精度測(cè)量精度 ( 10、25、50、100、125線線/mm )導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7 圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測(cè)量角度或角位移圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測(cè)量角度或角位移. .wab放大(a) 長(zhǎng)光柵(b) 圓光柵放大wab導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7柵距柵距柵線寬度柵線寬度縫隙寬度縫隙寬度柵距角柵距角導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5

5、-7圓光柵分類：圓光柵分類：根據(jù)根據(jù)柵線刻劃的方向柵線刻劃的方向，圓光柵分三種：，圓光柵分三種： 徑向光柵徑向光柵: 其柵線的延長(zhǎng)線全部通過光柵盤的圓心；其柵線的延長(zhǎng)線全部通過光柵盤的圓心； 切向光柵切向光柵: 其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的直徑只其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個(gè)毫米的小圓相切有零點(diǎn)兒或幾個(gè)毫米的小圓相切; 環(huán)形光柵環(huán)形光柵: 一簇等間距同心圓組成一簇等間距同心圓組成.若按若按光線的走向光線的走向，圓光柵只有透射光柵。，圓光柵只有透射光柵。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7(a) 徑向光柵(b) 切向光柵(c) 環(huán)形光柵導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-73

6、.3.莫爾條紋莫爾條紋1).1).莫爾條紋的形成莫爾條紋的形成 如果把兩塊如果把兩塊柵距柵距W相等相等的光柵面的光柵面平行安裝平行安裝，且且指示光柵和主光柵的刻線相交一個(gè)微小的夾指示光柵和主光柵的刻線相交一個(gè)微小的夾角角時(shí)時(shí), , 光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的光柵刻線的相交處形成暗帶相交處形成暗帶，而在，而在刻線彼此錯(cuò)刻線彼此錯(cuò)開處形成亮帶開處形成亮帶。在與光柵線紋大致垂直的方向。在與光柵線紋大致垂直的方向上上, , 產(chǎn)生出亮暗相間的條紋產(chǎn)生出亮暗相間的條紋, , 這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條紋莫爾條紋”。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) f ff f線

7、區(qū)則是由線區(qū)則是由于于光柵的遮光效光柵的遮光效應(yīng)應(yīng)形成的。形成的。 莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由帶，它由一系列四棱形圖案組成一系列四棱形圖案組成，d dd d線區(qū)所示。線區(qū)所示。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 長(zhǎng)光柵莫爾條紋長(zhǎng)光柵莫爾條紋主光柵主光柵指示光柵指示光柵導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7 長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋長(zhǎng)光柵橫向莫爾條紋導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7橫向莫爾條紋：橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角由于兩光柵的柵線夾角 很小，條很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋。

8、縱向莫爾條紋：縱向莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角當(dāng)柵線的夾角0，且兩光柵柵距不且兩光柵柵距不等時(shí)產(chǎn)生的莫等時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋爾條紋。光閘莫爾條紋：光閘莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角當(dāng)柵線的夾角0, 且兩光柵柵距相且兩光柵柵距相等時(shí)等時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋。產(chǎn)生的莫爾條紋。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距光柵柵距W W時(shí)，莫時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度一個(gè)條紋寬度B B。2) 2) 莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征、位移放大作用、位移放大作用導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 20

9、22-5-72) 2) 莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征、位移放大作用、位移放大作用2sin2WWB相鄰兩條莫爾條紋間距相鄰兩條莫爾條紋間距B B與柵距與柵距w w及兩光柵夾角及兩光柵夾角的關(guān)系為：的關(guān)系為：導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-71WBBkW結(jié)論：結(jié)論： 越小越小, k, k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1， W=0.02mmW=0.02mm時(shí)時(shí) =0.1=0.1=0.1=0.12/360=0.00175432rad2/360=0.00175432rad 則：則：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫爾條紋間距放大了光柵間距，令莫爾條紋間距放大了光

10、柵間距，令k k為放大系數(shù)，為放大系數(shù)，則：則：導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2sin2WWB 越小，越小，B越大，這相當(dāng)于把柵距越大，這相當(dāng)于把柵距W放大大了放大大了1/倍。例如倍。例如=0.1，則，則1/573，即莫爾條紋寬度，即莫爾條紋寬度B是柵距是柵距W的的573倍，倍， 這相當(dāng)于把柵距放大了這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，倍，說明說明光柵具有位移放大作用光柵具有位移放大作用， 從而提從而提高了測(cè)量的靈敏度。高了測(cè)量的靈敏度。 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7、運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系 通過莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)特性判別光柵的運(yùn)動(dòng)特性通過莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)特性判別光柵的運(yùn)動(dòng)特性光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋

11、移動(dòng)一個(gè)條紋間隔；光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間隔；光柵改變運(yùn)動(dòng)方向，莫爾條紋隨之改變運(yùn)動(dòng)方向。光柵改變運(yùn)動(dòng)方向，莫爾條紋隨之改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)移動(dòng)的刻線數(shù)當(dāng)移動(dòng)的刻線數(shù)i和角度和角度一定時(shí)，莫爾條紋間距一定時(shí)，莫爾條紋間距B B與移動(dòng)距離與移動(dòng)距離x成正比，即：成正比，即： /Wx ixBi導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7 誤差的平均效應(yīng)誤差的平均效應(yīng) 光電元件對(duì)光柵的柵距誤差具有平均光電元件對(duì)光柵的柵距誤差具有平均消差消差作用。作用。u莫爾條紋由光柵的大量刻線形成莫爾條紋由光柵的大量刻線形成, , 幾條刻線的柵幾條刻線的柵距誤差或斷裂對(duì)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。距誤差或斷裂

12、對(duì)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上能在很大程度上消除短周期誤差消除短周期誤差的影響。的影響。 莫爾條紋（莫爾條紋（Moire） 條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當(dāng)特例：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當(dāng)當(dāng) =0, w1w2 縱向莫爾條紋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(dòng)1k播放中播放中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)畫莫爾條紋動(dòng)畫光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫播放中播放中環(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

13、示單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫長(zhǎng)光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫長(zhǎng)光柵光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫(1) 莫爾條紋的移動(dòng)方向：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)。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。(2) 位移的放大作用：當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)： 結(jié)論：莫爾條紋測(cè)位移具有三個(gè)特點(diǎn)結(jié)論：莫爾條紋測(cè)位移具有三個(gè)特點(diǎn)1/WBK條紋間距與柵距的關(guān)系為 ：WB 當(dāng)角較小時(shí)

14、，例如=30，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。 這樣，可把肉眼看不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(cè)量條紋的移動(dòng)來檢測(cè)光柵的位移。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。(3) 誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用 分辨力分辨力 =W =1/50=0.02mm=20 m 放大倍數(shù)放大倍數(shù)1/= 1/(1.8 3.14/180 ) 31.83 莫爾條紋的寬度莫爾條紋的寬度 L=W/0.637 mm 例：例：一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示，主光柵與指示光柵的夾角光柵的夾角= 1.8 ，分辨力、放大倍數(shù)、莫爾條紋的寬，分辨力、放大倍數(shù)、

15、莫爾條紋的寬度分別為多少？度分別為多少？導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7光柵傳感器由主光柵、指示光柵、光源和光光柵傳感器由主光柵、指示光柵、光源和光電器件組成。電器件組成。工作原理：工作原理： 利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量的測(cè)利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量的測(cè)量量：光柵的相對(duì)移動(dòng)使光柵的相對(duì)移動(dòng)使透射光強(qiáng)度透射光強(qiáng)度呈周期性呈周期性變化，光電元件把這種光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橹芷谛宰兓?，光電元件把這種光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橹芷谛宰兓淖兓碾娦盘?hào)電信號(hào)，由電信號(hào)的變化即可獲得光，由電信號(hào)的變化即可獲得光柵的相對(duì)移動(dòng)量。柵的相對(duì)移動(dòng)量。二、二、 光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2

16、022-5-7特點(diǎn)：特點(diǎn)： 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器：能把被測(cè)的模擬量能把被測(cè)的模擬量直接直接轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳換成數(shù)字量。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器抗干擾能力強(qiáng)感器抗干擾能力強(qiáng), ,穩(wěn)定性強(qiáng)穩(wěn)定性強(qiáng); ;易于微機(jī)接口易于微機(jī)接口, ,便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。二、二、 光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 透鏡透鏡光柵副光柵副光電元件光電元件光源光源1 1、裝置結(jié)構(gòu)、裝置結(jié)構(gòu)導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-71 1、光電轉(zhuǎn)換原理、光電轉(zhuǎn)換原理 1 1光源；光源；2 2聚光鏡；聚光鏡；3 3光柵主尺；光柵主

17、尺；4 4指示光柵；指示光柵；5 5光敏元件；光敏元件；6 6莫爾條紋；莫爾條紋；7 7光強(qiáng)分布光強(qiáng)分布 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7主光柵主光柵固定在被測(cè)物體上，它隨被測(cè)物體的固定在被測(cè)物體上，它隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范直線位移而產(chǎn)生移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。當(dāng)主光圍，指示光柵相對(duì)于光電元件固定。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移。柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移。用光電器件用光電器件記錄莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目，記錄莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目，可知主光柵移動(dòng)的距離，也就測(cè)得了被測(cè)物可知主光柵移動(dòng)的距離，也就測(cè)得了被測(cè)物體

18、的位移量。體的位移量。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) W條紋間距條紋間距導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) W條紋間距條紋間距光電元件光電元件W如何測(cè)量微小位移量？如何測(cè)量微小位移量？ 光電元件光電元件光電元件感受光電元件感受的光強(qiáng)變化是的光強(qiáng)變化是否明顯？否明顯？ 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7傳感器原理及應(yīng)用1、光閘莫爾條紋光電轉(zhuǎn)換原理、光閘莫爾條紋光電轉(zhuǎn)換原理理想情況：理想情況：三角形三角形導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶。從圖中可莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶。從圖中可看出，兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從看出，兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最最暗到漸暗，到漸

19、亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗，亮經(jīng)漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程。再到最暗的漸變過程。 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距主光柵移動(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，若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變?nèi)粲霉怆娫邮漳獱枟l紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦化，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接近于正弦周期函數(shù)。周期函數(shù)。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 輸出電壓uoUmUoabcdefg位移 x正最大負(fù)最大正最大光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-70022cos()cos , ()WmmUUUxUUxW2 2、光閘莫爾條紋測(cè)

20、量位移原理、光閘莫爾條紋測(cè)量位移原理 當(dāng)光電元件當(dāng)光電元件5 5接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí), ,根據(jù)根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)主光柵移動(dòng)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距一個(gè)柵距w w時(shí)時(shí), ,電信號(hào)則變化了一個(gè)周期。光電元件輸電信號(hào)則變化了一個(gè)周期。光電元件輸出波形為：出波形為：直流分量直流分量交流分量交流分量光柵相對(duì)光柵相對(duì)位移量位移量導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7 當(dāng)波形重復(fù)到當(dāng)波形重復(fù)到原來的相位和幅原來的相位和幅值時(shí)值時(shí), ,相當(dāng)于光柵相當(dāng)于光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距移動(dòng)了一個(gè)柵距w,w,如果光柵相對(duì)位如果光柵相對(duì)位移了移了N

21、 N個(gè)柵距個(gè)柵距, ,此此時(shí)位移時(shí)位移x=NWx=NW。 因此因此, ,只要能記只要能記錄移動(dòng)過的莫爾錄移動(dòng)過的莫爾條紋數(shù)條紋數(shù)N,N,就可以就可以知道光柵的位移知道光柵的位移量量x x值。這就是值。這就是利利用光閘莫爾條紋用光閘莫爾條紋測(cè)量位移的原理。測(cè)量位移的原理。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7三、辨向原理及辨向電路三、辨向原理及辨向電路1 1、辨向的原因、辨向的原因 當(dāng)指示光柵無論向前或向后移動(dòng)時(shí)，在當(dāng)指示光柵無論向前或向后移動(dòng)時(shí)，在一固定點(diǎn)安裝的光電元件只能接收到莫爾條一固定點(diǎn)安裝的光電元件只能接收到莫爾條紋明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)紋明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將

22、發(fā)生同樣的計(jì)數(shù)脈沖，從而無法辨別光柵移動(dòng)生同樣的計(jì)數(shù)脈沖，從而無法辨別光柵移動(dòng)的方向，也不能正確測(cè)量出有往復(fù)移動(dòng)時(shí)位的方向，也不能正確測(cè)量出有往復(fù)移動(dòng)時(shí)位移的大小。因而必須在測(cè)量電路中加入辨向移的大小。因而必須在測(cè)量電路中加入辨向電路。電路。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-72 2、辨向原理與辨向電路、辨向原理與辨向電路 為辨別主光柵的移動(dòng)方向?yàn)楸鎰e主光柵的移動(dòng)方向,需要有兩個(gè)具有相差需要有兩個(gè)具有相差的莫爾條紋信號(hào)同時(shí)輸入來辨別移動(dòng)方向的莫爾條紋信號(hào)同時(shí)輸入來辨別移動(dòng)方向,且兩個(gè)且兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差莫爾條紋信號(hào)相差90相位。相位。 實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔B/4條紋間隔的位置

23、上安裝條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件兩只光敏元件,當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)兩個(gè)狹縫的亮度當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)兩個(gè)狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣變化規(guī)律完全一樣,相位相差相位相差/2。滯后還是超前完。滯后還是超前完全取決于光柵的運(yùn)動(dòng)方向。這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的全取決于光柵的運(yùn)動(dòng)方向。這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的方法稱為方法稱為位置細(xì)分辨向原理位置細(xì)分辨向原理。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7圖7.5 辨向原理 M1M2莫爾條紋ACBDBB4導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) Lu1u2L/4導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 1 1、2 2光電元件；光

24、電元件；3 3指示光柵；指示光柵；4 4莫爾條紋；莫爾條紋； A A光柵移動(dòng)方向；光柵移動(dòng)方向；B B莫爾條紋移動(dòng)方向；莫爾條紋移動(dòng)方向； U01U01元件元件AB(1)AB(1)對(duì)應(yīng)的輸出電壓；對(duì)應(yīng)的輸出電壓； U02U02元件元件CD(2)CD(2)對(duì)應(yīng)的輸出電壓；對(duì)應(yīng)的輸出電壓；u1u2微微分分微微分分反反相相Y1Y2加法脈沖加法脈沖減法脈沖減法脈沖整形整形放大放大整形整形放大放大u1u2u1u2導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7 AB與與CD兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差/2,所以它們所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必是相差在光電元件上取得的信號(hào)必是相差/2。 AB為主信號(hào)為

25、主信號(hào),CD為門控信號(hào)。為門控信號(hào)。 當(dāng)主光柵作正向運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)主光柵作正向運(yùn)動(dòng)時(shí),CD產(chǎn)生的信號(hào)只允產(chǎn)生的信號(hào)只允許許AB產(chǎn)生的正脈沖通過產(chǎn)生的正脈沖通過,門電路在可逆計(jì)數(shù)門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算；器中作加法運(yùn)算； 當(dāng)主光柵作反方向移動(dòng)時(shí)當(dāng)主光柵作反方向移動(dòng)時(shí),則則CD產(chǎn)生的負(fù)值產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)只讓信號(hào)只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過,門電路在可門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7 U1和和U2經(jīng)過整形后得兩個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過整形后得兩個(gè)方波信號(hào)U1和和U2 。 U1產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，U2的電平狀態(tài)作為與門的控的電平狀態(tài)作為

26、與門的控制信號(hào)制信號(hào), 來控制在不同的移動(dòng)方向時(shí)來控制在不同的移動(dòng)方向時(shí), U1所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的脈沖輸出路線。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確的給脈沖輸出路線。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確的給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖, 再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器, 實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。 整形整形放大放大u1u2u2u1微微分分微微分分反反相相Y1Y2加法脈沖加法脈沖減法脈沖減法脈沖u1u1fu1f正向移動(dòng)時(shí)正向移動(dòng)時(shí)u1整形整形放大放大u2u2整形整形放大放大u1u2u2u1微微分分微微分分反反相相Y1Y2加法脈沖加法脈沖減法脈

27、沖減法脈沖u1u1fu1fu1整形整形放大放大u2u2正向移動(dòng)時(shí)正向移動(dòng)時(shí)u1u2u2u1fu1整形整形放大放大微微分分微微分分反反相相Y1Y2加法脈沖加法脈沖減法脈沖減法脈沖u1u1fu1整形整形放大放大u2u2反向移動(dòng)時(shí)反向移動(dòng)時(shí)微微分分微微分分反反相相Y1Y2加法脈沖加法脈沖減法脈沖減法脈沖整形整形放大放大整形整形放大放大u1u2u1u2導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7當(dāng)光柵沿當(dāng)光柵沿A向移動(dòng)時(shí)向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋向莫爾條紋向B向移動(dòng)。向移動(dòng)。 U2超前超前U1 90。U1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖（如圖中實(shí)經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖（如圖中實(shí)線所示）正好發(fā)生在線所示）正好發(fā)生在U2的的“1”

28、電平時(shí)電平時(shí), 從而經(jīng)從而經(jīng)Y1輸輸出一個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖出一個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖; 而而U1經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖（如圖中虛線所示）則與沖（如圖中虛線所示）則與U2的的“0”電平相遇電平相遇, 與與門門Y2被阻塞被阻塞, 無脈沖輸出。無脈沖輸出。 當(dāng)光柵沿當(dāng)光柵沿A反方向移動(dòng)時(shí)反方向移動(dòng)時(shí), 莫爾條紋向莫爾條紋向B反向移動(dòng)。反向移動(dòng)。U1超前超前U290。U1的微分脈沖發(fā)生在的微分脈沖發(fā)生在U2為為“0”電平電平時(shí)時(shí), 與門與門Y1無脈沖輸出無脈沖輸出; 而而U1的反相微分脈沖則發(fā)生的反相微分脈沖則發(fā)生在在U2的的“1”電平時(shí)電平時(shí), 與門與門Y2輸出一個(gè)輸出一個(gè)減計(jì)數(shù)脈沖減計(jì)數(shù)脈

29、沖。 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7四、四、 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 目的目的：提高分辨力（測(cè)量更小的位移量）。：提高分辨力（測(cè)量更小的位移量）。 細(xì)分方法細(xì)分方法： 1.1.增加光柵刻線密度；增加光柵刻線密度； 2.2.電子細(xì)分；電子細(xì)分； 3.3.機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7電子細(xì)分電子細(xì)分：在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號(hào)變化周：在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號(hào)變化周期內(nèi)期內(nèi), , 發(fā)出發(fā)出n n個(gè)脈沖個(gè)脈沖, , 每個(gè)脈沖代表原來柵距的每個(gè)脈沖代表原來柵距的1/n1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n n倍倍

30、, , 因此因此也稱之為也稱之為n n倍頻法。倍頻法。通常采用的電子細(xì)分方法有：通常采用的電子細(xì)分方法有：四倍頻細(xì)分和電橋細(xì)四倍頻細(xì)分和電橋細(xì)分分等。等。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-71. 1. 四倍頻細(xì)分四倍頻細(xì)分 方案：方案：在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)四個(gè)光電光電元件，得到四個(gè)相差依次為元件，得到四個(gè)相差依次為/2/2的電壓信號(hào)；或在的電壓信號(hào)；或在相差相差B/4B/4位置上安放兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相差位置上安放兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相差/2/2電壓信號(hào)，將這兩個(gè)信號(hào)整形、反相后得到四電壓信號(hào)，將這兩個(gè)信號(hào)整形、反相后得到四個(gè)依次相差個(gè)依次相差/2

31、/2的電壓信號(hào)。的電壓信號(hào)。 在光柵作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過微分電路，在正向運(yùn)在光柵作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過微分電路，在正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到四個(gè)微分脈沖（加計(jì)數(shù)脈沖）；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到四個(gè)微分脈沖（加計(jì)數(shù)脈沖）；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到四個(gè)微分脈沖（減計(jì)數(shù)脈沖）。動(dòng)時(shí)，得到四個(gè)微分脈沖（減計(jì)數(shù)脈沖）。導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 采用電路的采用電路的手段對(duì)周期手段對(duì)周期性的測(cè)量信性的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行插值，號(hào)進(jìn)行插值，以提高分辨以提高分辨率。率。u1L導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 用鑒頻器鑒用鑒頻器鑒取四個(gè)信號(hào)取四個(gè)信號(hào)的零電平，的零電平，當(dāng)每個(gè)信號(hào)當(dāng)每個(gè)信號(hào)從負(fù)到正過從負(fù)到正過零點(diǎn)時(shí)發(fā)一零點(diǎn)時(shí)發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)計(jì)數(shù)脈沖L導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2

32、022-5-7相距相距B/4B/4放置四個(gè)光電元件放置四個(gè)光電元件 導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-5-7五、五、 光柵傳感器的光學(xué)系統(tǒng)光柵傳感器的光學(xué)系統(tǒng)組成組成：光源、透鏡、光柵、光敏元件：光源、透鏡、光柵、光敏元件光源光源：白熾燈或其它發(fā)光元件；：白熾燈或其它發(fā)光元件；透鏡透鏡：把光線變成平行光束照射在光尺上；：把光線變成平行光束照射在光尺上；光敏元件光敏元件：輸出電壓信號(hào)；：輸出電壓信號(hào)；形式形式：透射直讀式、反射直讀式、反射積分式等：透射直讀式、反射直讀式、反射積分式等導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)光柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)光柵1 1、光柵的外形及結(jié)構(gòu)、光柵的外形及結(jié)構(gòu)導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜導(dǎo)彈傳感與檢測(cè)技術(shù) 2022-