《传感器与检测技术(第2版)》第9章.ppt
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光栅莫尔条纹的形式 2. 光栅测量原理 两块具有相同栅距的长光栅叠合在一起,中间留有很小的间隙,并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角 ,则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的条纹,称为莫尔条纹。 在两块光栅栅线重合的地方,透光面积最大,出现亮带(图中的 d-d);有的地方两块光栅的栅线错开,形成了不透光的暗带(图中的 f-f)。 当夹角 减小时,条纹间距BH增大,适当调整夹角可获得所需的条纹间距。 (1) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时, 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为 θ越小,BH越大,这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°,则1/θ≈573,即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍, 这相当于把栅距放大了573倍,说明光栅具有位移放大作用, 从而提高了测量的灵敏度。 莫尔条纹测位移的三个特点 (2) 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时,莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动;反之,当光栅1向左移动时,莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。 (3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,能在很大程度上消除短周期误差的影响。 例如: 对50线/mm的光栅,用4mm宽的光电元件进行接收,那么光电元件所接收到的就是总共达200条光栅刻线的集体作用的结果,光电元件的输出是这200条刻线共同对光调制结果的总和。 假定其中某一刻线的位置偏移了1 um,则它所造成的光电元件的输出相当于整个光栅的偏差约为0.07um。 莫尔条纹的这种误差平均效应使得它在应用中对光栅质量的要求可以大大降低,这对高精度的测量非常有利。 9.6.2 计量光栅的组成 计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。 光栅读数头利用光栅原理把输入量(位移量)转换成响应的电信号 光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。 1. 光电转换 光电转换装置(光栅读数头)主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比主光栅短得多,但两者一般刻有同样的栅距,使用时两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙。 主光栅一般固定在被测物体上,且随被测物体一起移动,其长度取决于测量范围,指示光栅相对于光电元件固定。 光栅读数头结构示意图 莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗,到渐亮,一直到最亮,又从最亮经渐亮到渐暗, 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W,光强变化一个周期,若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,则将光信号转换为电信号,光强变化理想情况为三角形,实际接近于正弦周期函数(原因:两块光栅间有间隙、光线的衍射、刻线边缘不平与弯曲等),如以电压输出,即 输出电压反映了位移量的大小。当x从0变化到W时,相当于角度变化了3600,一个栅距W对应一个信号周期。如果采用50线∕mm的光栅,当主光栅移动了xmm,指示光栅上的莫尔条纹就移动了50x条;反之,将此条数用计数器记录,就可知道移动的相对距离。 计量光栅的位移过程 2. 辨向与细分 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量,位移是向量, 因而对位移量的测量除了确定大小之外,还应确定其方向。 光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。 (1) 辨向原理 为了能够辨向,需要有相位差为π/2的两个电信号。 在相隔BH/4间距的位置上,放置两个光电元件1和2,得到两个相位差π/2的电信号u1和u2(图中波形是消除直流分量后的交流分量),经过整形后得两个方波信号u1′和u2′。 当光栅沿A方向移动时(u1超前u2 900),u1′经微分电路后产生的脉冲, 正好发生在u2′的“1”电平时,从而经Y1输出一个计数脉冲;而u1′经反相并微分后产生的脉冲,则与u2′的“0”电平相遇,与门Y2被阻塞,无脉冲输出。 在光栅沿-A方向移动时,u1′的微分脉冲发生在u2′为“0”电平时,与门Y1无脉冲输出;而u1′的反相微分脉冲则发生在u2′ 的“1”电平时, 与门Y2输出一个计数脉冲。 u2′的电平状态作为与门的控制信号,来控制在不同的移动方向时,u1′所产生的脉冲输出。 这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计
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