傳感器技術(shù)基礎(chǔ)4.5光柵

1、傳感器技術(shù)基礎(chǔ) 梁 福 平1第4章 光電式傳感器原理與應(yīng)用4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)24.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。 3光柵傳感器光源：鎢絲燈泡：輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機(jī)械振動(dòng)和沖擊條件下工作時(shí)，使用壽命將降低。半導(dǎo)體發(fā)光器件:轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)30%左右。砷化鎵發(fā)

2、光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。4光柵副：指示光柵主光柵 5什么是光柵在玻璃尺（或金屬尺）或玻璃盤上進(jìn)行長刻線的密集刻劃，得到間隔很小的黑白相間的條紋，沒有刻劃的地方透光（或反光），刻劃的發(fā)黑處不透光（或不反光），這就是光柵，其中刻線稱為柵線。a 柵線的寬度 b 縫隙的寬度 W 光柵的柵距 6通常， 一般刻線密度為每毫米10,50,100線光電接收元件 包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時(shí)，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響。74

3、.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)89把兩塊柵距相等的光柵(光柵1、光柵2)面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙,并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角，如左圖所示，就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。在a - a線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶， 它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在b - b線上，兩塊光柵的柵線錯(cuò)開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形

4、成的。當(dāng)夾角減小時(shí)，條紋間距BH增大，反之條紋間距BH減小。4.5.2 莫爾條紋形成原理4.5.2 莫爾條紋形成原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)W與光柵夾角決定 104.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn) p129位移的放大作用調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。例：當(dāng)11若=0.1=0.00174532rad時(shí)，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的572.92倍?；?由 1/573可得， 這相當(dāng)于把柵距放大了573倍。對(duì)應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與光柵的移動(dòng)量、移動(dòng)方向具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤

5、差和周期誤差對(duì)于精度沒有直接的影響。例如：設(shè) ，接收元件為10 x10mm的硅光電池，則在接收范圍內(nèi)將有500條柵線，由此，使得任意柵線的柵距誤差或瑕疵，對(duì)整個(gè)莫爾條紋的位置和形狀影響很小。莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn) p12912 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)就可以對(duì)光柵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨別。 莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成，光柵的刻線非常密集，光電元件接收到的莫爾條紋所對(duì)應(yīng)的明暗信號(hào)，是一個(gè)區(qū)域內(nèi)許多刻線綜合的結(jié)果，因此對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路

6、4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)134.5.4 光柵的光路透射光路反射光路 14（1）透射式光路1-光源2-準(zhǔn)直透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件 此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。15（2）反射式光路1反射主光柵2-指示光柵3-場鏡4-反射鏡5-聚光鏡6-光源7-物鏡8-光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。164.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)17辨向原理單個(gè)光電元件可接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，

7、但只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測量位移。如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。18辨向光路設(shè)置在相距1/4的BH位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，以得到兩個(gè)相位互差90的正弦信號(hào) 19辨向電路正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。20辨向電路各點(diǎn)波形圖21u1超前u24.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.

8、5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)22細(xì)分技術(shù)提高分辨力方法：在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對(duì)柵距進(jìn)行測微，電子學(xué)中稱“細(xì)分”，來得到所需的最小讀數(shù)值。細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。 23（1）直接細(xì)分直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。四細(xì)分可用4個(gè)依次相距1/4的BH的光電元件，在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形要求不嚴(yán)格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。缺點(diǎn)：光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。24未細(xì)分(a)與細(xì)分(b)的波形比較25（2）電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）用此信號(hào)去觸發(fā)施密特電路 26電阻電橋細(xì)分法用于10細(xì)分 27（c）電阻鏈細(xì)分法（電阻