7_5光栅传感器.

第7章光电式传感器—传感器与检测技术—2本章内容光电编码器光电效应和光电器件7.17.2电荷耦合器件（CCD）7.3光纤传感器7.4光栅传感器7.5—传感器与检测技术—37.5光栅传感器•光栅传感器基本原理7.5.1•莫尔条纹及其特点7.5.2•辨向原理和细分技术7.5.37.5光栅传感器—传感器与检测技术—47.5.1光栅传感器基本原理计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。—传感器与检测技术—5光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。没有刻线的地方透光(或反光)，刻线的地方不透光(或不反光)。图7.5.１黑白型长光栅图7.5.2光栅传感器外形栅线的宽度为a缝隙宽度为bW＝a+b＋栅距1.光栅—传感器与检测技术—62.光栅传感器的组成光栅传感器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）转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。（1）光栅读数头图7.5.3光栅传感器组成原理图（2）光栅数显表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。—传感器与检测技术—7光栅的外形及结构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防尘保护罩的内部为长磁栅—传感器与检测技术—8光栅的外形及结构（续）扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆—传感器与检测技术—9反射式光栅—传感器与检测技术—10透射式光栅—传感器与检测技术—11透射式圆光栅固定—传感器与检测技术—127.5.2莫尔条纹及其特点1.莫尔条纹在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。图7.5.4莫尔条纹原理图—传感器与检测技术—13莫尔条纹演示—传感器与检测技术—142.莫尔条纹特点(1)位移的放大作用。sin2sin22HBCWWBAB对于给定光栅栅距W的两光栅，θ越小，BH越大，这相当于把栅距放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度是栅距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。—传感器与检测技术—15（2）与运动的对应关系。如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着指示光栅的栅线向上移动；反之，当主光栅向左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的栅线向下移动。因此，根据莫尔条纹移动方向就可以对主光栅的运动进行辨向。光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹，这样，对于光栅刻线的误差起到了平均作用。也就是说，刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响，因此，就有可能得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度，这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。(3)误差的平均效应。—传感器与检测技术—167.5.3辨向原理和细分技术1.辨向原理需要有两个具有相位差的莫尔条纹信号同时输入才能辨别移动方向。通常在相隔BH/4间距的位置处设置两个光电元件1和2，如图7.5.5所示，当条纹移动时，得到两相位差π/2的正弦电信号u1和u2，是滞后还是超前决定于光栅运动方向。然后将u1和u2送到辨向电路中处理，图7.5.5相隔BH/4间距的两个光电元件—传感器与检测技术—17图7.5.6辨向电路原理图正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。—传感器与检测技术—18图7.5.7辨向电路各点波形—传感器与检测技术—192.细分技术所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。—传感器与检测技术—20（1）机械细分图7.5.8四倍频机械细分法莫尔条纹变化的一个周期内将依次产生4个计数脉冲，实现了四细分。优点是对莫尔条纹信号波形要求不严，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点是由于光电元件安放困难，细分数不能太高。4个光电元件—传感器与检测技术—21（2）电子细分图7.5.9四倍频细分电路相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的正弦交流电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，它们分别经RC微分电路，得到尖脉冲信号。在计数器的输出端能得到四个计数脉冲，每一个脉冲表示的是四分之一栅距的位移。—传感器与检测技术—22为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。—传感器与检测技术—23为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同上页—传感器与检测技术—24光栅在机床上的安装位置（2个自由度）—传感器与检测技术—25光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表—传感器与检测技术—26光栅在机床上的安装位置（3个自由度）（续）—传感器与检测技术—273自由度光栅数显表—传感器与检测技术—28光栅数显表（续）三座标数显表—传感器与检测技术—29安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部