光栅传感器工作原理

倪霞林机械工程及自动化学院THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成传感器整形电路放大器细分电路脉冲当量变换电路计数器寄存器计算机显示执行机构辨向电路数字信号检测系统的组成细分电路THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅数字式传感器光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。20线-150线/mm25线-50线/mmWW透射式反射式为光栅常数，也称光栅栅距。W数字信号检测系统的组成THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅的分类按用途分物理光栅计量光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析、光波长测量。利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。计量光栅长光栅圆光栅用于长度测量用于角度测量按光的走向透射式光栅反射式光栅按栅线的形式黑白光栅（幅值光栅）闪耀光栅（相位光栅）径向光栅切向光栅环形光栅长光栅---直线位移圆光栅---角位移构成：主光栅---标尺光栅，定光栅指示光栅---动光栅长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光源透镜主光栅指示光栅光电元件光栅副光路光栅传感器的结构按运动形式分：直线型---主光栅为直尺形→直线移动旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式---光源与光电元件在两侧→透射光反射式---光源与光电元件同一侧→反射光THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构莫尔条纹的形成THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的工作原理+-位移正弦波条纹宽度：WBW-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2特例：当=0,w1=w2→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2→纵向莫尔条纹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THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术莫尔条纹（Moire）方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距→方向对应放大性：夹角θ很小→BW→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术莫尔条纹（Moire）的特性THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的工作原理故被测物体位移＝栅距×脉冲数被测物体位移莫尔条纹移动正弦波方波脉冲通过光栅转换通过光电元件转移整形转换逻辑电压转换THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的工作原理光栅传感器特点精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″量程大：透射式---光栅尺长（米），反射式---几十米响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量→计数断电→数据消失要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的工作原理THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路信号各种接口放大细分整形四倍频、判向加减计数正弦(余弦)信号方波信号数字信号信号转换THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路信号的形成与转换W114nWW224nWW334nWWsinxcosxcosxsinxTHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路信号的形成与转换标尺光栅指示光栅假如移动了一个栅距Wsinxsinxcosxcosxsinxcosxcosxsinx得到四个信号：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路信号的形成与转换得到一对相位相差的正交差分信号2正弦差分信号余弦差分信号THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路信号放大可得到相位差分别为，，的正弦信号021RouRu2R2C＋－1C1RouRu2R2C＋－1CsinxcosxTHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路位移信号ppu2cos()bpPPuuuxWpupu2sin()apPPuuuxWppu一对正交位移信号：和aubu位移的方向：au正向时超前aubu反向时超前aubux位移的大小：可见位移大小的信息包含在信号的相位中。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路电阻链细分电路sinsinammuUxUsin()cos2bmmuUxUouaubu1R2R121212baRuRuRRRR0puppmuU设，。则212()oabbRuuuuRR121212cossinmmRRUURRRRsincoscossinmmUU'sin()mU22212cosRRR2212RR2R1R12arctanRR2212'12mmRRUURR12212sinRRR注：ouaubuauTHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路五细分电路100sin18K56K24K33K56K18K33K24K33K24K24K33K18K56K56K18Kcossin5310257104591023501836547290108126144162THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路信号整形正弦信号通过电压比较器，整形为同周期的方波信号。cosxRuiuRusinxRuiuiuiu1.2M5Viu10K2.7K＋－13pRuou10K电压比较器339LM1.2M5Viu10K2.7K＋－13pRuou10K电压比较器339LMTHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路五细分电路信号处理过程03672185490108126146142得到十路方波信号，其相位依次相差18THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路五细分电路信号处理过程03672108144XP0367210814403672108144XPPPPPPPPPPP0367210814403672108144PPPPPPPPPP03672108144PPPPP信号相位每变化就产生一个新的方波，所以得到5倍频（细分）。72THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路五细分电路信号处理过程185490126162YP185490126162185490126162YPPPPPPPPPPP185490126162185490126162PPPPPPPPPP185490126162PPPPP得到五细分（倍频）后的，正交方波。XPYPTHECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路五细分电路实现：1816290(())YPPPP54126()PP361080(())XPPPP72144()PP74LS86异或门74LS86异或门0P18P36P54P72P90P108P126P144P162P21351113964138121051110412896231YPXPYBA注：异或门74LS86：YABABBAY01001010111100真值表：THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路四细分、判向逻辑XPYPW小结：光栅相对位移莫尔条纹正交正弦信号五细分正交方波信号细分后的一个方波信号是原正弦信号按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。细分后的方波信号仍是一对正交方波信号。THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路四细分、判向逻辑关于正交方波信号的讨论：AB正交方波信号位移方向信息：正向移动时，A超前B；反向移动时，B超前A。2xW位移大小信息：相位。11000110正交方波信号的状态变化规律：10110001正向移动时反向移动时结论：正交方波信号的状态变化规律为：正向时00、10、11、01而反向时相反一个方波状态改变四次THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY机电一体化技术光栅传感器的测量电路四细分、判向逻辑AB正交方波信号11000110四细分：一个方波内状态改变四次，记录下状态改变的次数，则一个方波又按相位被细分为四等分。判向：根据