檢測技術(shù)與海洋智能儀器：光柵傳感器

1、光柵傳感器教學(xué)目標(biāo)掌握莫爾條紋的放大作用及誤差平均效果掌握莫爾條紋與光柵相對移動之間的關(guān)系（方向、距離）掌握光柵傳感器的辨向原理與細(xì)分技術(shù)光電編碼器直線坐標(biāo)編碼示意圖內(nèi)容回顧：光電編碼器具有非接觸測量、體積小、抗干擾性強(qiáng)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。但是，光電編碼器測量精度不夠高，不適用于精密測量的場合。光柵傳感器 用于長度和角度的精密測量以及數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測。光柵的定義光柵是由很多等節(jié)距的透光和不透光的刻線相間排列構(gòu)成的柵形光器件wab光柵的柵距w=a+b, a、b分別為透光和不透光條紋的寬度，通常a=b；光柵的精度越高，柵距w就越?。灰话銝啪嗫捎煽叹€密度算出，刻線密度常為25、50

2、、100、250條/mm幾種光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器主要由主光柵（又稱標(biāo)尺光柵）、指示光柵和光路系統(tǒng)組成。主光柵的刻線一般比指示光柵長。Wa + b。通常a = bW /2。莫爾條紋 兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個(gè)很小的角度 。由于遮光效應(yīng)，在近乎垂直柵線的方向上，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋。莫爾條紋演示位移放大原理 B橫向莫爾條紋之間的距離 W光柵柵距 主光柵與指示光柵之間 的夾角莫爾條紋的移動距離 當(dāng)主光柵沿柵線垂直方向移動一個(gè)柵距W，莫爾條紋正好移動一個(gè)條紋間距B，當(dāng)很小時(shí)，BW，即莫爾條紋具有放大作用。 通過測量莫爾條紋移過的距離

3、，就可以測出主光柵的微位移，而且可以通過調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)條紋寬度，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了方便。莫爾條紋的移動方向關(guān)系主光柵相對指示光柵的轉(zhuǎn)角方向主光柵移動方向莫爾條紋移動方向順時(shí)針方向向右向下向左向上逆時(shí)針方向向右向上向左向下莫爾條紋動畫演示莫爾條紋演示1莫爾條紋演示2長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵光閘莫爾條紋播放動畫播放中圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示播放動畫光閘莫爾條紋播放動畫播放中環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放中單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾條紋播放動畫莫爾條紋的平均效應(yīng) 由于莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，光電元件接收的光信號是進(jìn)入指示光柵視場的線紋數(shù)的綜合平均結(jié)果。 若某個(gè)光柵柵距有局部誤差，由于

4、平均效應(yīng)，其影響將大大減弱，即莫爾條紋具有減小光柵柵距局部誤差的作用。 設(shè)光電接收元件所覆蓋的光柵刻度總數(shù)為N,單個(gè)柵距誤差為，則光柵傳感器的平均誤差與單柵距誤差之間的關(guān)系為 =/ =( ) 長光柵距誤差一般水平為微米數(shù)量級； 莫爾條紋的移動方向、移動距離（位移放大）和平均效應(yīng)均為其主要特征。正是由于這些特征的存在，使光柵傳感器具有較高的測量精度，廣泛應(yīng)用于位移的精密測量與控制中。光柵傳感器的測量電路 主光柵和指示光柵作相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由透鏡和光敏元件組成 移動方向如何判斷？ 如果只有一個(gè)光電元件，那就只能根據(jù)

5、光電信號變化了多少個(gè)周期檢測出主光柵移動了多少個(gè)柵距，無法判別光柵移動方向。因此必須在測量電路中加入辨向電路。辨向原理 為了判別主光柵是左移還是右移，就需要兩個(gè)彼此相位差90的莫爾條紋信號。 為此在條紋移動方向（y方向）上安放兩個(gè)間距為B/4的光電元件，則兩個(gè)光電元件的輸出信號u1和u2的相位差正好等于/2，再將這兩個(gè)相位差90的正弦信號送到與增量編碼器相類似的辨向電路中，就可測量出光柵的移動方向和柵距數(shù)。辨向原理與辨向電路辨向電路設(shè)計(jì)數(shù)器計(jì)得脈沖數(shù)為N，位移 x=NW 光柵測量位移屬于增量式測量。分辨率：柵距的整數(shù)倍DG5DG1ACARB Uo1 Uo2 &1&DG4&1DG2DG3細(xì)分技術(shù)

6、（1）目的：提高分辨力（測量比柵距更小的位移量）。細(xì)分思想：在一個(gè)柵距即一個(gè)莫爾條紋信號變化周期內(nèi), 發(fā)出n脈沖, 每個(gè)脈沖代表原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍, 因此也稱之為n倍頻。 如果僅以光柵的柵距作分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；若要讀出的位移更小，譬如0.1m，勢必要求每毫米刻線成倍增加，這是目前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。 如果采用柵距細(xì)分技術(shù)可以獲得更高的測量精度。常用的細(xì)分方法有直接倍頻細(xì)分法、電橋細(xì)分法等。這里以四倍頻細(xì)分為例介紹直接倍頻細(xì)分法。 細(xì)分技術(shù)（2）四倍頻細(xì)分技術(shù) 在一個(gè)莫爾條紋寬度上放置四個(gè)光電元件，得到相位分別相差/2的四個(gè)正弦周期信號。用適當(dāng)電路處

7、理，合并得到脈沖信號。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號的零點(diǎn)相對應(yīng)，則脈沖的周期反映了1/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器對這一列脈沖信號計(jì)數(shù)，就可以讀到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量，這是光柵固有分辨率的四倍。產(chǎn)生莫爾條紋的光路常用的光路系統(tǒng)：垂直透射式光柵光路反射式光柵光路 垂直透射式光柵光路透射光柵：在透明的玻璃上均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵。垂直透射式光柵光路圖特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、位置緊湊、 調(diào)整使用方便。適用于粗柵距的黑白透射光柵。反射式光柵光路 在具有強(qiáng)反射能力的基體上（通常是不銹鋼或玻璃鍍金屬膜上）均勻地刻劃間距和寬度相等的條紋而形成的光柵。反射式光柵光路圖該光路適用于黑白反射光柵。光柵傳感器產(chǎn)品光