莫爾條紋的形成原理及特點四課件

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第五講光柵傳感器一、光柵的種類和結(jié)構(gòu)二、光柵傳感器的構(gòu)成三、莫爾條紋的形成原理及特點四、莫爾條紋測量位移五、細分技術(shù)六、辨向技術(shù)河第五講光柵傳感器一、光柵的種類和結(jié)構(gòu)1光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種脈沖輸出數(shù)字式傳感器，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等閉環(huán)系統(tǒng)的線位移和角位移的自動檢測以及精密測量方面，測量精度可達幾微米。只要能夠轉(zhuǎn)換成位移的物理量，如速度、加速度、振動、變形等，均可測量。一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種脈沖輸出數(shù)字式2光柵透射式光柵反射式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)成在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條紋。光柵長光柵圓光柵測量線位移的光柵為矩形并隨被測長度增加而加長測量角位移的光柵為圓形1、光柵的類型光柵透射式光柵反射式光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和3尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜2、光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵尺身尺身安裝孔反射式掃描頭4掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜5長光柵圓光柵長光柵圓光柵6

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，刻線密度為25，50，100，250條/mm。3、柵距

黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學(xué)玻璃上，均勻地刻上許多明暗相間，寬度相同的透光線，稱為柵線。設(shè)柵線寬為a，線間縫寬為b，a+b=W稱為光柵節(jié)距(柵距)。通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越??；一般柵距可74、光柵副：指示光柵＋主光柵

4、光柵副：指示光柵＋主光柵8二、光柵傳感器的構(gòu)成

對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的隨運動部件移動，稱為標尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測量角位移時，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：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。如圖5-5-1所示。圖5-5-1光柵傳感器的組成二、光柵傳感器的構(gòu)成對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的9三、莫爾條紋的形成原理及特點當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個夾角θ時，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，使光線透不過去，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，形成一條亮帶。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋。1、莫爾條紋的形成原理圖5-5-2莫爾條紋三、莫爾條紋的形成原理及特點當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻10BB112、莫爾條紋的寬度（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）設(shè)a=b=W/2，則所以，當(dāng)θ很小時，2、莫爾條紋的寬度（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）設(shè)123、莫爾條紋的特點1）莫爾條紋的移動方向與光柵夾角有對應(yīng)關(guān)系當(dāng)主光柵沿柵線垂直方向移動時，莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動表5-1莫爾條紋和光柵移動方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系標尺光柵相對指示光柵的轉(zhuǎn)角方向標尺光柵移動方向莫爾條紋移動方向順時針方向向左向上向右向下逆時針方向向左向下向右向上3、莫爾條紋的特點1）莫爾條紋的移動方向與光柵夾角有對應(yīng)關(guān)系132）光學(xué)放大作用由公式B=W/θ可知，當(dāng)W一定，而θ較小時，可使θ<<1，則B>>W。如：長光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，θ＝＝0.00029rad，則：B=0.01/0.00029≈3.44mm，放大344倍。

放大倍數(shù)可通過改變θ角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細的莫爾條紋，即光柵具有連續(xù)變倍的作用。2）光學(xué)放大作用由公式B=W/θ可知，當(dāng)W一定，而θ較小時，143）均化誤差作用

莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。3）均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，15四、莫爾條紋測量位移光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個間距B。通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。四、莫爾條紋測量位移光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就16由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強隨莫爾條紋的移動而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號和一交流信號的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量X的正弦函數(shù)表示，如圖5-5-3所示。只要測量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動數(shù)）就可知道光柵的位移量X，其數(shù)學(xué)表達式為圖5-5-3光電元件輸出與光柵位移的關(guān)系X=N·W由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強隨莫爾條紋的移動而17在實際裝置中常將光源、計量光柵、光電轉(zhuǎn)換和前置放大組合在一起構(gòu)成傳感器（光柵讀數(shù)頭）；將具有細分辨向的差補器、計數(shù)器和由步進電機、打印機或繪圖機等組成的受控裝置裝在一個箱內(nèi)，常稱為數(shù)字顯示器。計量光柵光電轉(zhuǎn)換前置放大光源細分辨向受控裝置計數(shù)傳感器數(shù)字顯示器在實際裝置中常將光源、計量光柵、光電轉(zhuǎn)換和前置放大組183自由度光柵數(shù)顯表3自由度光柵數(shù)顯表19安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描20五、細分技術(shù)當(dāng)使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，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)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分.例如100線光柵的W=0.01mm，若n=4，則分辨率可從0.01mm提高到0.0025mm。因為細分后計數(shù)脈沖提高了n倍，因此也稱之為n倍頻。細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。

五、細分技術(shù)當(dāng)使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來21優(yōu)點：對莫爾條紋信號波形要求不嚴格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)。缺點：光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。直接細分又稱位置細分，常用的細分數(shù)為4。四細分可用4個依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內(nèi)將產(chǎn)生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分。如圖5-5-4所示。優(yōu)點：對莫爾條紋信號波形要求不嚴格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動22圖5-5-4四細分圖5-5-4四細分23圖5-5-5光柵傳感器電流型輸出信號(a)正弦信號;(b)整形后的信號;(c)5倍頻處理后的信號圖5-5-5光柵傳感器電流型輸出信號24六、辨向技術(shù)如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，無法分辨位移的方向。

如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。六、辨向技術(shù)如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應(yīng)25在相距的位置上設(shè)置兩個光電元件1和2，以得到兩個相位互差90°的正弦信號。上一頁下一頁返回在相距的位置上設(shè)置兩個光電元件1和2，上一頁26辨向電路

正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。辨向電路正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便27河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第五講光柵傳感器一、光柵的種類和結(jié)構(gòu)二、光柵傳感器的構(gòu)成三、莫爾條紋的形成原理及特點四、莫爾條紋測量位移五、細分技術(shù)六、辨向技術(shù)河第五講光柵傳感器一、光柵的種類和結(jié)構(gòu)28光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種脈沖輸出數(shù)字式傳感器，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等閉環(huán)系統(tǒng)的線位移和角位移的自動檢測以及精密測量方面，測量精度可達幾微米。只要能夠轉(zhuǎn)換成位移的物理量，如速度、加速度、振動、變形等，均可測量。一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種脈沖輸出數(shù)字式29光柵透射式光柵反射式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)成在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條紋。光柵長光柵圓光柵測量線位移的光柵為矩形并隨被測長度增加而加長測量角位移的光柵為圓形1、光柵的類型光柵透射式光柵反射式光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和30尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜2、光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵尺身尺身安裝孔反射式掃描頭31掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜32長光柵圓光柵長光柵圓光柵33

通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越??；一般柵距可由刻線密度算出，刻線密度為25，50，100，250條/mm。3、柵距

黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學(xué)玻璃上，均勻地刻上許多明暗相間，寬度相同的透光線，稱為柵線。設(shè)柵線寬為a，線間縫寬為b，a+b=W稱為光柵節(jié)距(柵距)。通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越小；一般柵距可344、光柵副：指示光柵＋主光柵

4、光柵副：指示光柵＋主光柵35二、光柵傳感器的構(gòu)成

對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的隨運動部件移動，稱為標尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測量角位移時，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：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。如圖5-5-1所示。圖5-5-1光柵傳感器的組成二、光柵傳感器的構(gòu)成對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的36三、莫爾條紋的形成原理及特點當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個夾角θ時，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，使光線透不過去，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，形成一條亮帶。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋。1、莫爾條紋的形成原理圖5-5-2莫爾條紋三、莫爾條紋的形成原理及特點當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻37BB382、莫爾條紋的寬度（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）設(shè)a=b=W/2，則所以，當(dāng)θ很小時，2、莫爾條紋的寬度（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）設(shè)393、莫爾條紋的特點1）莫爾條紋的移動方向與光柵夾角有對應(yīng)關(guān)系當(dāng)主光柵沿柵線垂直方向移動時，莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動表5-1莫爾條紋和光柵移動方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系標尺光柵相對指示光柵的轉(zhuǎn)角方向標尺光柵移動方向莫爾條紋移動方向順時針方向向左向上向右向下逆時針方向向左向下向右向上3、莫爾條紋的特點1）莫爾條紋的移動方向與光柵夾角有對應(yīng)關(guān)系402）光學(xué)放大作用由公式B=W/θ可知，當(dāng)W一定，而θ較小時，可使θ<<1，則B>>W。如：長光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，θ＝＝0.00029rad，則：B=0.01/0.00029≈3.44mm，放大344倍。

放大倍數(shù)可通過改變θ角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細的莫爾條紋，即光柵具有連續(xù)變倍的作用。2）光學(xué)放大作用由公式B=W/θ可知，當(dāng)W一定，而θ較小時，413）均化誤差作用

莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。3）均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，42四、莫爾條紋測量位移光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個間距B。通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。四、莫爾條紋測量位移光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就43由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強隨莫爾條紋的移動而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號和一交流信號的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量X的正弦函數(shù)表示，如圖5-5-3所示。只要測量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動數(shù)）就可知道光柵的位移量X，其數(shù)學(xué)表達式為圖5-5-3光電元件輸出與光柵位移的關(guān)系X=N·W由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強隨莫爾條紋的移動而44在實際裝置中常將光源、計量光柵、光電轉(zhuǎn)換和前置放大組合在一起構(gòu)成傳感器（光柵讀數(shù)頭）；將具有細分辨向的差補器、計數(shù)器和由步進電機、打印機或繪圖機等組成的受控裝置裝在一個箱內(nèi)，常稱為數(shù)字顯示器。計量光柵光電轉(zhuǎn)換前置放大光源細分辨向受控裝置計數(shù)傳感器數(shù)字顯示器在實際裝置中常將光源、計量光柵、光電轉(zhuǎn)換和前置放大組453自由度光柵數(shù)顯表3自由度光柵數(shù)顯表46安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描47五、細分技術(shù)當(dāng)使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，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)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分.例如100線光柵的W=0.01mm，若n=4，則分辨率可從0.01mm提高到0.0025mm。因為細分后計數(shù)脈沖提高了n倍，因此也稱之為n倍頻。細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。

五、細分技術(shù)當(dāng)