光栅测量原理剖析.ppt

* * * 光栅直线测量的结构 1 光栅的结构 2 光栅的光路 3 莫尔条纹形成的原理 4 莫尔条纹技术的特点 5 辨向原理 6 细分技术 什么是光栅 在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。常用的线纹密度为50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜条数越多，光栅的分辨率越高。 a — 栅线的宽度 b — 缝隙的宽度 W — 光栅的栅距 光栅直线测量的结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。 光源： 钨丝灯泡： 价格便宜 输出功率较大， 与光电元件相组合的转换效率低。 半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。 光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分。 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。 光栅的光路 透射光路 反射光路 （1）透射式光路 1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件 ?此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。 （2）反射式光路 1反射主光栅 2-指示光栅 3-场镜 4-反射镜 5-聚光镜 6-光源 7-物镜 8-光电电池。 该光路适用于黑白反射光栅。 莫尔条纹 在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度θ。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹——莫尔条纹，如图所示。 莫尔条纹形成原理 横向莫尔条纹的斜率 莫尔条纹间距 莫尔条纹的宽度BH由 光栅常数与光栅夹角决定 莫尔条纹技术的特点 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测 量精度。 例：当 时 得 栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm。θ=0.001rad，则上式可得W=11，即光栅放大了近600倍 莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。 随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期 误差对于精度没有直接的影响。 例如：设 ，接收元件为10x10mm的硅光电池，则在接收范围内将有500条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。。 莫尔条纹技术的特点 辨向原理 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。 辨向光路设置 莫尔条纹的细分 位移是一个矢量，检测其大小，又要测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。 4个光敏器件获的4路光电信号分别送到2只差分放大器，从差分放大器输出两路信号其相位差为π/2， 获得判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先整形为方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以等到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以等到光栅尺的位移和速度。[2]? 细分技术 提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。 细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。 辨向电路 辨向电路各点波形图 （1）直接细分 直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。 优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。 电阻电桥细分法用于10细分 （c）电阻链细分法（电阻分割法） 等电阻链细分电路 实质：用电阻衰减器来进行细分。 End the 4.5