第二章光传感器原理及应用课件.ppt

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1、返回总目录第2章新型传感器原理及应用光栅数字传感器本章内容光栅数字传感器P27光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而得到了广泛的应用。一．光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杆上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。1.光栅尺标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成光栅尺，如图5.26所示，其中长的一块为标尺光栅，短的一块为指

2、示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从图上光栅尺线纹的局部放大部分来看，白的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度，设栅距为W，则W=a+b，一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹宽度是相等的，即a=b。常见长光栅的线纹宽度为(25，50，100，125，250)线/mm。光栅数字传感器图5.26光栅尺光栅数字传感器2.光栅读数头光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图5.27(a)所示。光栅读数头的光源一般采用白炽灯。白炽灯发出的光线经过透镜后变成平

3、行光束，照射在光栅尺上。图5.27光栅读数头由于光敏元件输出的电压信号比较微弱，因此必须首先将该电压信号进行放大，以避免在传输过程中被多种干扰信号所淹没、覆盖而造成失真。驱动电路的功能就是实现对光敏元件输出信号进行功率放大和电压放大。光栅读数头的结构形式按光路分，除了垂直入射式外，常见的还有分光读数头、反射读数头等，其结构如图5.27(b)、图5.27(c)所示。光栅按其形状和用途可以分为长光栅和圆光栅两类，长光栅用于长度测量，又称直线光栅，圆光栅用于角度测量；按光线的走向可分为透射光栅和反射光栅。二．光栅传感器的工作原理光栅是利用莫尔

4、条纹现象来进行测量的。所谓莫尔(Moire)，法文的原意是水面上产生的波纹。莫尔条纹是指两块光栅叠合时，出现光的明暗相间的条纹，从光学原理来讲，如果光栅栅距与光的波长相比较是很大的话，就可以按几何光学原理来进行分析。如图5.28所示为两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为θ时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。莫尔条纹有如下几个重要特性。光栅数字传感器1．消除光栅刻线的不均匀误差由于光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内许多刻线的综合结果。因此它对光栅尺的栅距

5、误差有平均效应，这有利于提高光栅的测量精度。2．位移的放大特性莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距W，它随着光栅刻线夹角而改变。当1时，可推导得莫尔条纹的间距。可知越小则B越大，相当于把微小的栅距扩大了1/倍。3．移动特性莫尔条纹随光栅尺的移动而移动，它们之间有严格的对应关系，包括移动方向和位移量。位移一个栅距W，莫尔条纹也移动一个间距B。移动方向的关系详见表5-2。莫尔条纹如图5.28所示。主光栅相对指示光栅的转角方向为逆时针方向，主光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动；主光栅向右移动，莫尔条纹向上移动。光栅数字传感器主光栅相对指示光栅的转角方

6、向主光橱移动方向莫尔条纹移动方向顺时针方向向左向上向右向下逆时针方向向左向下向右向上表5-2光栅移动与莫尔条纹移动关系表光栅数字传感器4．光强与位置关系两块光栅相对移动时，从固定点观察到莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2，这种正弦波形的光强变化照射到光电元件上，即可转换成电信号关于位置的正弦变化。当光电元件接收到光的明暗变化，则光信号就转换为如图5.29所示的电压信号输出，它可以用光栅位移量x的余弦函数表示为式中U0——光电元件输出的电压信号；Um——输出信号中的最大电压信号；Uav——输出信号

7、中的平均直流分量。光栅数字传感器图5.29等栅距形成的莫尔条纹(θ≠0)图5.28莫尔条纹X—光栅移动方向；y—莫尔条纹移动方向光栅数字传感器三．辨向与细分电路1.辨向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号，则无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。光栅数字传感器图5.30所示为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔1/4条纹间距的位置上安装两个光电元件，得到两个相位

8、差/2的电信号U01和U02，经过整形后得到两个方波信号U'01和U'02，从图中波形的对应关系可以看出，在光栅向A方向移动时，U'01经微分电路后产生的脉冲(如图中实线所示)正好发生在U'02的“1”电平