光柵傳感器匯總課件

1、光柵式傳感器 制作：?jiǎn)虈?guó)棟目 錄1.1光柵傳感器的構(gòu)成及原理1.2光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理1.3光柵傳感器的應(yīng)用1. 1光柵傳感器的構(gòu)成及原理光柵的構(gòu)成： 光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的玻璃構(gòu)成，稱之為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射的條紋，稱為反射光柵。利用光柵的一些特點(diǎn)可進(jìn)行線位移和角位移的測(cè)量。測(cè)量線位移的光柵為矩形并隨被測(cè)長(zhǎng)度增加而加長(zhǎng)，稱之為長(zhǎng)光柵；而測(cè)量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。圖3 1 透射光柵示意圖 2. 柵距：光柵的柵距，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，

2、刻線密度為25，50，100，125, 250條/mm。3. 莫爾條紋現(xiàn)象當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個(gè)夾角時(shí)，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，使光線透不過(guò)去，形成一條暗帶 ；而亮條與亮條重合的地方，部分光線得以通過(guò)，形成一條亮帶 。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋，如圖所示。 莫爾條紋的形成莫爾條紋的寬度可按下式計(jì)算：設(shè)a=b=W/2，則 (W/2)/B=sin(/2)，所以，B=W/(2sin(/2)，當(dāng)很小時(shí)，sin(/2)= /2，故有：B=W/，稱作莫爾條紋的寬度，又稱為節(jié)距。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)莫爾條紋（Moire）4. 莫爾條紋的特點(diǎn)平

3、均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻線誤差有平均作用。對(duì)應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角固定后，兩光柵相對(duì)左右移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋上下或下上移動(dòng)一個(gè)節(jié)距B，因此，可以通過(guò)檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)條數(shù)和方向來(lái)判斷兩光柵相對(duì)位移的大小和方向。放大作用：由公式B=W/可知，當(dāng)W一定，而較小時(shí)，可使W。如：長(zhǎng)光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，0.50.009 rad，則：B=0.01/0.0091mm，放大100倍。若=0，則不產(chǎn)生莫爾條紋，這時(shí)光線忽明忽暗，稱作光閘效應(yīng)。對(duì)于圓光柵，同樣有這些特點(diǎn)。5. 光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 對(duì)于線位移測(cè)量，兩塊光柵長(zhǎng)短不等，長(zhǎng)的隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)，稱為

4、標(biāo)尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測(cè)量角位移時(shí)，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：光源標(biāo)尺光柵指示光柵光電元件，如圖所示。尺身尺身安裝孔 反射式掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)光柵掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）反射式光柵透射式光柵透射式圓光柵固定1. 光柵傳感器輸出信號(hào)波形當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其輸出波形如圖：1.2光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理2.辨向原理：用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)

5、于相差90空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問(wèn)題。 當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于V1 90。 當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于V1 90。 因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以 判別運(yùn)動(dòng)方向。辨向原理反向移動(dòng)，莫爾條紋都作明暗交替變化， 光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號(hào)，此信號(hào)不能辨別運(yùn)動(dòng)方向。為了能夠辨向，需要有相位差為/2的兩個(gè)電信號(hào)。 圖為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在采用圖中一個(gè)光電元件的光柵讀數(shù)頭， 無(wú)論主光柵作正向還是相隔BH/4間距的位置上，放置兩個(gè)光電元件1和2，得到兩個(gè)相位差/2的電信號(hào)u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過(guò)整形后得兩個(gè)方波信

6、號(hào)u1和u2。 辨向邏輯工作原理 從圖中波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系可看出，當(dāng)光柵沿A方向移動(dòng)時(shí)，u1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖, 正好發(fā)生在u2的“1”電平時(shí)，從而經(jīng)Y1輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；而u1經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，無(wú)脈沖輸出。在光柵沿方向移動(dòng)時(shí)，u1的微分脈沖發(fā)生在u2為“0”電平時(shí)，與門Y1無(wú)脈沖輸出；而u1的反相微分脈沖則發(fā)生在u2 的“1”電平時(shí)， 與門Y2輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,則說(shuō)明u2的電平狀態(tài)作為與門的控制信號(hào)，來(lái)控制在不同的移動(dòng)方向時(shí)，u1所產(chǎn)生的脈沖輸出。 這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確地給出加計(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，實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)

7、于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。 3. 細(xì)分技術(shù)（解決精度問(wèn)題）當(dāng)使用一個(gè)光電池通過(guò)判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，其電路框圖如圖所示。 1234硅光電池正向脈沖反向脈沖H1H2差動(dòng)放大差動(dòng)放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8四個(gè)光電元件間隔B/4安裝，1，3，2，4分別接入兩個(gè)差分放大器用以消除共模干擾，這樣可以得到兩個(gè)相差90度的信號(hào)sin和cos，經(jīng)整型等到方波信號(hào)，再反相得到A,B,C,D四路方波信號(hào)

8、，將四路方波信號(hào)再微分，得到四個(gè)脈沖,將A,B,C,D與 進(jìn)行邏輯組合，可由兩個(gè)輸出端輸出正向位移脈沖信號(hào)和反向位移脈沖信號(hào)。 當(dāng)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由正向上升沿微分得到正向脈沖，經(jīng)邏輯到輸出；反之亦然。利用這種方法，可在一個(gè)周期內(nèi)輸出四個(gè)脈沖，所以又稱之為四倍頻電路，其分辨率提高四倍，當(dāng)柵距w=10m時(shí)，分辨力為2.5m，即脈沖當(dāng)量為2.5m，當(dāng)w=4m,其分辨力可為1m。4.電位器橋（電阻鏈）細(xì)分實(shí)現(xiàn)方法及原理 四細(xì)分后得到的四個(gè)相位差為90度的交流信號(hào)Umsin,Umcos和-Umsin,-Umcos。以這四個(gè)交流信號(hào)為原函數(shù)（兩原函數(shù)間各接幾個(gè)電位器，構(gòu)成電位器橋，把=0-360度, （x=0

9、-W）分成四個(gè)象限。(2x/w=)每一個(gè)象限，由于電壓的合成與電位器的移相作用，電阻鏈上各電位器中間抽頭得到幅值各不相同的一系列移相信號(hào)（新函數(shù)）。1.3光柵傳感器的應(yīng)用 1、光柵數(shù)顯裝置主要芯片簡(jiǎn)介1.光柵信號(hào)處理芯片(HKF710502) 主要功能：信號(hào)的同步、整形、四細(xì)分、辨向、加減控制、參考零位信號(hào)的處理、記憶功能的實(shí)線和分辨率的選擇等。2.邏輯控制芯片（HKE701314） 主要功能：為整機(jī)提供高頻和低頻脈沖；完成BCD譯碼；XJ校驗(yàn)及超速報(bào)警。3.可逆計(jì)數(shù)與零位記憶芯片（HKE701201) 主要功能：接收從光柵信號(hào)處理芯片傳來(lái)的計(jì)數(shù)脈沖，完成可逆計(jì)數(shù)；接收參考零位脈沖，使計(jì)數(shù)器確定參考零位的數(shù)值，同時(shí)也完成清零、置數(shù)、記憶等功能。2、光柵式萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，明辨是非