第九章 光栅传感器.ppt

光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构（黑白透射型长光栅） 在长条形镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间距（透光）， a+b=W称为光栅的 栅距（也称光栅常数）。 通常a=b=W/2，也可刻成 a∶b=1.1∶0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成 25、50、 100、125、250条线条。 　　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数脉冲， 再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。 例：若某光栅的栅线密度是50线/mm，主光栅与指示光栅间的夹角是0.01rad。求 （1）其形成的莫尔条纹间距BH （2）若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为1微秒，问此时光栅允许最快的运动速度v是多少？ * * 利用莫尔条纹现象实现线位移和角位移测量的一种传感器。 按应用范围不同，分为透射光栅和反射光栅； 按用途不同，分为长光栅（测量线位移）和圆光栅（测量角位移）； 按光栅的表面结构不同，分为幅值（黑白）光栅和相位（闪耀）光栅。 光栅莫尔条纹的形式 2. 光栅测量原理 投射长光栅 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θ ，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。 夹角θ减小时，条纹间距BH增大，调整θ角的大小可以获得合适的BH。 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点： (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。 （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。 　　　 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电转换装置（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。 光栅读数头结构示意图 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，大小为 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。 　　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，接近于正弦周期函数，如以电压输出，即 输出电压反映了瞬时位移量的大小。被测物体每移动一个栅距，就移动一个莫尔条纹，输出电压周期性变化一次。将该电压信号放大、整形、计数后便可得知移动栅距的条数，从而可知道移动的相对距离。 若计数脉冲个数为p，光栅的栅线密度为n（线/mm），则移动的相对位移为x=p/n。 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，实现了位移量大小的确定。但位移是向量，对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。 　　为了辨别位移的方向， 进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。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。 