光栅传感器

14.5光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术2光栅传感器和光栅光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，实际上是光电式传感器的一个特殊应用。光栅是在一块长条形的光学玻璃上刻有密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线／毫米。由于光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，故能提高测量精度。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易实现自动化和数字化等优点，得以广泛应用。该类传感器多用于测位移及位移相关量，如测速度、振动、质量、表面轮廓等。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。34.5.1光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（也称光栅尺，包括主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。光栅副是主要部分，主要由主光栅(也称标尺光栅)和指示光栅组成。当主光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并数显，便可测量主光栅的移动距离。光栅传感器结构4光栅传感器的光源钨丝灯泡：常采用，输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃）但与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。需定期更换。半导体发光器件:发展很快，转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，发光接近硅光敏三极管的敏感波长，与硅光敏三极管相结合，有较高的转换效率（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。5什么是光栅在玻璃尺（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。a—栅线的宽度b—刻线间的缝隙宽度W—光栅的栅距Wabab6光栅副：主光栅＋指示光栅主光栅(标尺光栅)和指示光栅构成光栅尺，也称光栅副。其中长的一块为主光栅，短的一块为指示光栅。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。常见的刻线密度一般为(10，25，50，100，125，250)线/mm。通常，主光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杆上。指示光栅则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，主光栅和指示光栅也随之做相对移动。7光电元件包括光电池和光敏三极管等。在采用固态光源时，需选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得较高的转换效率。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。84.5.2莫尔条纹形成原理光栅是利用莫尔条纹现象来测量的。莫尔的法文是水面上产生的波纹。莫尔条纹指两块光栅常数相等的光栅叠合时，并使两者栅线之间保持很小的夹角θ，于是在近于垂直栅线的方向上出现的光的明暗相间的条纹。从光学原理讲，若光栅栅距较光波长很大，就可按几何光学原理来分析。如图为两块栅距相等的光栅(如主光栅和指示光栅)叠合在一起，并使其刻线之间的夹角为θ，此时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这即为莫尔条纹。x—光栅移动方向；y—莫尔条纹移动方向光栅和横向莫尔条纹a-a线上两光栅栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；b-b线上两光栅栅线彼此错开，光线不能通过，形成暗带；9莫尔条纹演示104.5.2莫尔条纹形成原理2tantan横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹(亮暗带)的间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度BH由光栅常数W与光栅夹角θ决定亮(暗)带倾斜角两光栅栅线夹角11可见，对于给定光栅常数W的两光栅，夹角θ越小，条纹宽度越大，即条纹越稀。故通过调整夹角可使条纹具有任何所需要的值。例：当栅距0.02mmW0.00174532rad(0.1'')11.4592mmHB时由得4.5.2莫尔条纹形成原理HWBHWB可见，主光栅横向移动一个栅距，莫尔条纹移动距离就被放大为栅距的11.46/0.02=573倍！！！121.位移放大特性：由上式当θ1时，可得莫尔条纹的间距BH≈W/θ。可知θ越小则BH越大，相当于把微小的栅距扩大了1/θ倍。这样尽管栅距W很小，但只要调整夹角θ即可得到很大的莫尔条纹宽度，起到了放大作用。这样即可把一个微小移动量的测量转变为一个较大移动量的测量，既方便又提高了测量精度。4.5.3莫尔条纹技术的特点132.消除或减弱光栅刻线的不均匀误差：由于光栅尺的刻线很密，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，并不只是固定一点的条纹，而是一个区域内许多刻线产生的综合结果。故它对光栅尺的栅距误差有平均效应，即刻线的局部误差和周期误差对于测量精度无直接影响，故有可能得到比光栅本身的刻线精度更高的测量精度。例如：设，接收元件为10×10mm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。0.02mmW4.5.3莫尔条纹技术的特点144.5.3莫尔条纹技术的特点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BH。移动方向的关系见下表。莫尔条纹如上图，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。主光栅相对指示光栅的转角方向主光栅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光栅移动与莫尔条纹移动关系表15莫尔条纹演示164．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正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2π，这种正弦型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，则光信号就转换为下图的电压信号输出，它可用光栅位移量x的余弦函数表示为式中U0——光电元件输出的电压信号；Um——输出信号中的最大交流电压信号；Uav——输出信号中的平均直流分量。02cosavmUUUxW4.5.3莫尔条纹技术的特点17等栅距形成的莫尔条纹(θ≠0)莫尔条纹的光强度变换近似正弦的特性，便于将电信号做进一步细分，即采用“倍频技术”。将计数单位变成比一个周期W更小的单位，这样可提高测量精度或可采用较粗的光栅。184.5.4光栅传感器的光路透射式光路反射式光路19（1）透射式光路1-光源2-准直透镜3-透射主光栅4-指示光栅5-光电元件主光栅一般用白玻璃，指示光栅用光学玻璃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。垂直透射式光路20（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-光电电池反射光栅一般是具有强反射能力的基体（如不锈钢或玻璃镀金属膜）上均匀刻划条纹，该光路适用于黑白反射光栅。反射式光路214.5.5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，因而就无法判别运动部件的运动方向，以致不能正确测量位移。例如光栅随被测部件正向和反向混合移动若干栅距后，导致无法正确测得位移。若能在物体正向移动时，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，这样即可得正确的测量结果。为能辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。22辨向光路设置为能辨向，在相距1/4BH的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90°的正弦信号，然后再将其送到辨向电路中处理。23根据上页的辨向光路设置及下页的辨向电路原理图，在相隔1/4BH的位置上设置两个光电元件1和2，得到两个相位差90°的电信号u1和u2，经整形放大后得到两个方波信号u’1和u’2。从波形对应关系可见：当主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，如图(a)(此时u1超前u290°)。u’’1是u’1反向后的方波。u’1w和u’’1w是u’1和u’’1两方波经微分电路后的波形。对与门Y1，u’1w高电平时，u’2总处于低电平，故Y1输出为0；而对与门Y2，u’’1w高电平时，u’2处于高电平，故Y2有信号输出，使加减控制触发器置1，可逆计数器做加法计数。当主光栅反向移动时，莫尔条纹向下移动，如图(b)(此时u2超前u190°)。对与门Y1，u’1w高电平时，u’2总处于高电平，故Y1有输出；而对与门Y2，u’’1w高电平时，u’2却处于低电平，故Y2无输出值。此时使加减控制触发器置0，将控制可逆计数器做减法计数。故u’2的电平状态可作为与门的控制信号，来控制u’1所产生的脉冲输出，从而可根据运动方向正确地给出加计数脉冲和减计数脉冲。辨向电路的工作原理24辨向电路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。25辨向电路各点波形图264.5.6细分技术提高分辨率方法：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。因为当光栅相对移动一个栅距W，则莫尔条纹移过一个间距B，与门输出一个计数脉冲，这样其分辨率为W。为能分辨比W更小的位移量，须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，提高分辨率该方法就称为细分。由于细分后计数脉冲频率提高了，故又称为倍频。常用的细分法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。例如，莫尔条纹变化一周期输出4个脉冲数，即四细分。在此情况下，若采用栅距为4μm的光栅，其分辨率可从4μm提高到1μm。细分越多，分辨率自然越好。27（1）直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。一种四细分的方法是用四个依次相距BH/4的光电元件，以获得依次有相位差900的4个正弦交流信号。用鉴零器分别鉴取4个信号的零电平，即在每个信号由负到正的过零点时发出一个计数脉冲。这样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。另外，四细分也可用相距BH/4的位置上放两个光电元件完成，再分别通过各自的反相电路，即可获得依次相差900的4个正弦交流信号。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：光电元件安放较困难，导致细分数不能太高。28未细分(a)与四细分(b)的波形比较29（2）电阻电桥细分法（矢量和法）22111212eRRReRRRUsccossin)sin(AUsc用此信号去触发施密特电路，当θ=-α(或θ=3600-α)时，Usc=0，施密特电路被触发(过零触发)，发出脉冲信号。α角按细分数选择，即事先安排好电阻比值。1122sin,cos,tanReAeAR设则若两信号源同频，且30电阻电桥细分法用于10细分31（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。来自四个光电元件的信号过零触发电路32光栅传感器常作为测量元件，用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。由于其测量精度高、动态测量范围广、可进行非接触测量、易实现系统的自动化和数字化，故在机械工业中获得广泛应用。下图为光栅式万能测长仪的工作原理图。主光栅采用透射式黑白振幅光栅，光栅栅距W＝0.01μm，指示光栅采用四裂相光栅。照明光源采用发光光谱为930nm～l000nm的红外发光二极管，接收用光电三极管，两光栅间的间隙为0.02nm～0.035mm。由于主光栅和指示光栅之间的透光和遮光效应，形成莫尔条纹，当两块光栅相对移动时，便可接收到周期性变化的光通量。利用四裂相指示光栅依次获得sin、cos、-sin和-cos四路原始信号，以满足辨向和消除共模电压的需要。光栅传感器的应用33光栅式万能测长仪的工作原理图由光