光栅传感器.ppt

目 录 1.1光栅传感器的构成及原理 1.2光栅位移数字转换的基本原理 1.3光栅传感器的应用 * * 光栅式传感器 制作：乔国栋 1. 1光栅传感器的构成及原理 光栅的构成： 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。 图3 – 1 透射光栅示意图 2. 栅距：光栅的栅距Ｗ＝ａ＋ｂ，a、b分别为透光和不透光条纹的宽度，通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，125, 250条/mm。 3. 莫尔条纹现象 当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带 ；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带 。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹，如图所示。 莫尔条纹的形成 莫尔条纹的宽度可按下式计算： 设a=b=W/2， 则 (W/2)/B=sin(θ/2)， 所以，B=W/(2sin(θ/2))， 当θ很小时，sin(θ/2)= θ/2， 故有：B=W/θ， 称作莫尔条纹的宽度， 又称为节距。 均匀刻线 主光栅 指示光栅 夹角 明暗相间条纹 莫尔条纹 移动 莫尔条纹（Moire） 4. 莫尔条纹的特点 ①平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。 ②对应关系：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。 ③放大作用：由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ较小时，可使θ1，则BW。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝0.5o＝0.009 rad，则：B=0.01/0.009≈1mm，放大100倍。 若θ=0，则不产生莫尔条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。对于圆光栅，同样有这些特点。 5. 光栅传感器的结构 对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。 光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件，如图所示。 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长光栅 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构（续） 反射式光栅 透射式光栅 透射式圆光栅 固定 1. 光栅传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图： 1.2光栅位移数字转换的基本原理 2.辨向原理：用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90°空间角，B: 2π=B/4: π/2），如图所示，可以解决辨向问题。 当条纹上移时，V2落后于V1 90°。 当条纹下移时，V2超前于V1 90°。 因此，由V1、V2之间的相位关系可以 判别运动方向。 辨向原理反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化， 光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。 图为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在采用图中一个光电元件的光栅读数头， 无论主光栅作正向还是相隔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′。 辨向逻辑工作原理 *