第八章 數(shù)字式位移傳感器(光柵)

1、天津工業(yè)大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 主講主講 王紅一王紅一 數(shù)字式位移傳感器是數(shù)字式位移傳感器是將被測(cè)物理量直接轉(zhuǎn)換成將被測(cè)物理量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或準(zhǔn)數(shù)字量輸出的裝置數(shù)字量或準(zhǔn)數(shù)字量輸出的裝置。它具有精度高、抗。它具有精度高、抗擾能力強(qiáng)、信號(hào)處理和傳輸方便、尤其適合計(jì)算機(jī)擾能力強(qiáng)、信號(hào)處理和傳輸方便、尤其適合計(jì)算機(jī)使用等優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)數(shù)字式位移傳感器在使用等優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)數(shù)字式位移傳感器在測(cè)距、測(cè)角測(cè)距、測(cè)角和測(cè)轉(zhuǎn)速和測(cè)轉(zhuǎn)速等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而很受電氣工等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而很受電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)人士的重視。本程及其自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)人士

2、的重視。本章主要講述光柵傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、感應(yīng)同步器章主要講述光柵傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、感應(yīng)同步器等內(nèi)容。等內(nèi)容。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理8.1.3 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 8.1.4 光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器8.2.1 旋轉(zhuǎn)編碼器的種類(lèi)旋轉(zhuǎn)編碼器的種類(lèi)8.2.2 光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理8.2.3 碼盤(pán)誤差及其處理碼盤(pán)誤差及其處理8.2.4 旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.

3、1 光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵光柵 (raster displayrastergrating) 分為分為物理光柵和計(jì)量光柵物理光柵和計(jì)量光柵，其中物理光，其中物理光柵多用于光譜儀器，作色散元件，而計(jì)柵多用于光譜儀器，作色散元件，而計(jì)量光柵主要用于精密位移測(cè)量，包括線量光柵主要用于精密位移測(cè)量，包括線位移和角位移。位移和角位移。 光柵傳感器光柵傳感器 (grating sensor)：利用光：利用光柵的柵的莫爾條紋莫爾條紋 (Moire fringe) 現(xiàn)象現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)行位移測(cè)量的器件。位移測(cè)量的器件。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵傳感器的

4、類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1光柵傳感器的分類(lèi)光柵傳感器的分類(lèi) 按光線路徑不同，可分為按光線路徑不同，可分為透射（或稱直射）光柵透射（或稱直射）光柵和和反射反射光柵光柵。透射光柵是在透明玻璃上均勻刻劃間距、寬度相等的。透射光柵是在透明玻璃上均勻刻劃間距、寬度相等的柵線形成的，反射光柵是在具有強(qiáng)反射能力的基體上，均勻柵線形成的，反射光柵是在具有強(qiáng)反射能力的基體上，均勻刻劃間距、寬度相等的柵線而成?？虅濋g距、寬度相等的柵線而成。 8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1光柵傳感器的分類(lèi)光柵傳感器的分類(lèi)（b）反射光柵）反射光柵（a）直射光柵）直射光柵圖圖8-1 光柵傳

5、感器的基本結(jié)構(gòu)光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)1光源光源 2透鏡透鏡 3主光柵主光柵 4指示光柵指示光柵 5光電元件光電元件 6聚光鏡聚光鏡8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1光柵傳感器的分類(lèi)光柵傳感器的分類(lèi) 按光柵的形狀和用途不同，可分為按光柵的形狀和用途不同，可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵長(zhǎng)光柵和圓光柵。長(zhǎng)光。長(zhǎng)光柵用于測(cè)量長(zhǎng)度，它分為柵用于測(cè)量長(zhǎng)度，它分為黑白光柵和閃耀光柵黑白光柵和閃耀光柵兩種；圓光柵用兩種；圓光柵用于測(cè)量角度，它又進(jìn)一步分為于測(cè)量角度，它又進(jìn)一步分為徑向光柵和切向光柵徑向光柵和切向光柵，徑向光柵，徑向光柵是通過(guò)沿圓形基體周邊在直徑方向刻?hào)?/p>

6、線形成，而切向光柵沿是通過(guò)沿圓形基體周邊在直徑方向刻?hào)啪€形成，而切向光柵沿周邊刻劃的全部柵線均與光柵中央一個(gè)半徑為周邊刻劃的全部柵線均與光柵中央一個(gè)半徑為r的圓相切。的圓相切。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1光柵傳感器的分類(lèi)光柵傳感器的分類(lèi) 按物理原理，將光柵分為黑白光柵和相位光柵按物理原理，將光柵分為黑白光柵和相位光柵?？删幊滔辔还鈻趴删幊滔辔还鈻畔辔煌干涔鈻畔辔煌干涔鈻藕诎坠鈻藕诎坠鈻?.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)2光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 光柵傳感器主要由光柵傳感器主要由

7、光源、透鏡、光源、透鏡、主光柵主光柵 (又稱標(biāo)尺光柵又稱標(biāo)尺光柵)、指示光柵、指示光柵、光電接收元件光電接收元件組成。組成。 光源：光源：半導(dǎo)體發(fā)光二極管（如砷化鎵發(fā)光二極管）半導(dǎo)體發(fā)光二極管（如砷化鎵發(fā)光二極管）工作溫度：工作溫度：60100，發(fā)射光峰值波長(zhǎng)：發(fā)射光峰值波長(zhǎng)：91009400 有較高轉(zhuǎn)換效率和較快響應(yīng)速度。有較高轉(zhuǎn)換效率和較快響應(yīng)速度。 8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.1 光柵傳感器的光柵傳感器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)2光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵副光柵副：主光柵主光柵一般固定在被測(cè)物上，一般固定在被測(cè)物上，指示光柵指示光柵固定。固定。主光柵與指示光柵的相對(duì)位移量是

8、被測(cè)物的位移量。主光柵與指示光柵的相對(duì)位移量是被測(cè)物的位移量。測(cè)量精度取決于主光柵的精度。測(cè)量精度取決于主光柵的精度。 光電接收元件光電接收元件：檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)。：檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)。一般采用光敏三極管，或者光電池。一般采用光敏三極管，或者光電池。選擇時(shí)應(yīng)考慮元件的光譜特性與光源相匹配。選擇時(shí)應(yīng)考慮元件的光譜特性與光源相匹配。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器光柵傳感器工作原理工作原理1光柵光柵及其莫爾條紋及其莫爾條紋光柵（副）由主光柵和指示光柵組成。光柵（副）由主光柵和指示光柵組成。在兩塊光柵板上，刻有透明和不透明在兩塊光柵板上，刻有透明和不透明（黑色）相間的直線條紋。（

9、黑色）相間的直線條紋。a 為柵線寬度（不透明），為柵線寬度（不透明），b為間距寬度（透明），為間距寬度（透明），則稱則稱w=a+b 為光柵柵距（也稱光柵常為光柵柵距（也稱光柵常數(shù)或光柵節(jié)距數(shù)或光柵節(jié)距。一般一般 a=b，從而有，從而有 w=2a=2b。圖圖8-2 8-2 光柵柵距光柵柵距共22頁(yè) 第12頁(yè)8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理1光柵及其光柵及其莫爾條紋莫爾條紋8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理1光柵及其光柵及其莫爾條紋莫爾條紋 將兩個(gè)柵距均為將兩個(gè)柵距均為W的光柵重疊放置，的光柵重疊放置，中間保持一

10、段間隔，兩光柵的柵線錯(cuò)中間保持一段間隔，兩光柵的柵線錯(cuò)開(kāi)一個(gè)小角度開(kāi)一個(gè)小角度 ，由于光的干涉作用，由于光的干涉作用，光線在光線在 p-p 線上的重疊處形成亮帶，線上的重疊處形成亮帶，在在 q-q 線上兩光柵柵線的錯(cuò)開(kāi)處形成線上兩光柵柵線的錯(cuò)開(kāi)處形成暗帶，這種亮暗相間的條紋即為暗帶，這種亮暗相間的條紋即為莫爾莫爾條紋條紋。圖圖8-3 等柵距形成的莫爾條紋等柵距形成的莫爾條紋8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理1光柵及其光柵及其莫爾條紋莫爾條紋如果光柵片作向左向右的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果光柵片作向左向右的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則莫爾條紋作向下向上移動(dòng)，莫爾條則莫爾條紋作向下向

11、上移動(dòng)，莫爾條紋間距紋間距B與柵距與柵距W、光柵夾角、光柵夾角之間的之間的關(guān)系為關(guān)系為圖圖8-3 等柵距形成的莫爾條紋等柵距形成的莫爾條紋/ 2sin22WWBB2sin222WWWBkW圖圖8-4 條紋相關(guān)量關(guān)系示意圖條紋相關(guān)量關(guān)系示意圖1/k其中，其中，8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理1光柵及其光柵及其莫爾條紋莫爾條紋調(diào)節(jié)兩光柵的交角，可以改變莫爾條紋的寬度（間距）。調(diào)節(jié)兩光柵的交角，可以改變莫爾條紋的寬度（間距）。 越小，則越小，則 B 越大。但是如果交角越大。但是如果交角 過(guò)小，條紋寬度過(guò)大，過(guò)小，條紋寬度過(guò)大，會(huì)使莫爾條紋清晰度下降，進(jìn)而導(dǎo)

12、致分辨力降低。會(huì)使莫爾條紋清晰度下降，進(jìn)而導(dǎo)致分辨力降低。2sin222WWWBkW8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理1光柵及其光柵及其莫爾條紋莫爾條紋 莫爾條紋的幾條特性：莫爾條紋的幾條特性：1）移動(dòng)特性移動(dòng)特性：主光柵的左右移動(dòng)方向和距離與莫爾條紋的上：主光柵的左右移動(dòng)方向和距離與莫爾條紋的上下移動(dòng)方向和長(zhǎng)短相對(duì)應(yīng)，移動(dòng)一個(gè)柵距下移動(dòng)方向和長(zhǎng)短相對(duì)應(yīng)，移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距個(gè)條紋間距 B。8.1 光柵傳感器光柵傳感器表表8-1 8-1 光柵移動(dòng)與莫爾條紋移動(dòng)方向關(guān)系表光柵移動(dòng)與莫爾條紋移動(dòng)方向關(guān)系表主光柵相對(duì)指示光柵的轉(zhuǎn)角方向主光柵移動(dòng)方向莫

13、爾條紋移動(dòng)方向順時(shí)針?lè)较蛳蜃笙蛏舷蛴蚁蛳履鏁r(shí)針?lè)较蛳蜃笙蛳孪蛴蚁蛏?.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理1光柵及其光柵及其莫爾條紋莫爾條紋 莫爾條紋的幾條特性：莫爾條紋的幾條特性：2）放大作用放大作用：由：由 知，當(dāng)知，當(dāng) 下降時(shí)，下降時(shí)，k上升，盡管上升，盡管 W 很很小，但小，但B 可以大到清晰?？梢源蟮角逦?。 3）誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng)：莫爾條紋是由大量柵線共同形成的，因而：莫爾條紋是由大量柵線共同形成的，因而對(duì)刻度誤差具有平均抵消作用，可在很大程度上消除由于刻對(duì)刻度誤差具有平均抵消作用，可在很大程度上消除由于刻線誤差引起的局部和短周期誤差影響，達(dá)到比光柵本身刻線線誤差引起的

14、局部和短周期誤差影響，達(dá)到比光柵本身刻線精度更高的測(cè)量精度。精度更高的測(cè)量精度。8.1 光柵傳感器光柵傳感器1/k8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 2測(cè)量原理測(cè)量原理8.1 光柵傳感器光柵傳感器主光柵與指示光柵的相對(duì)位置不變，主光柵僅作向左或向右主光柵與指示光柵的相對(duì)位置不變，主光柵僅作向左或向右的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主光柵向左或向右一個(gè)柵距的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主光柵向左或向右一個(gè)柵距 W 時(shí)，莫爾條紋向下時(shí)，莫爾條紋向下或向上移動(dòng)一個(gè)條紋間距或向上移動(dòng)一個(gè)條紋間距 B，受光電元件的電壓變化一個(gè)周，受光電元件的電壓變化一個(gè)周期。假如移動(dòng)距離為期。假如移動(dòng)距離為xNW則莫爾條紋向下或向上移動(dòng)則莫爾條紋

15、向下或向上移動(dòng)N個(gè)條紋間距個(gè)條紋間距B，受光電元件的電，受光電元件的電壓變化壓變化N個(gè)周期。具體表達(dá)式為個(gè)周期。具體表達(dá)式為 0m2sin2xuuuW0m2cosxuuW0mcos 2uuN8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 2測(cè)量原理測(cè)量原理8.1 光柵傳感器光柵傳感器當(dāng)當(dāng)N=1 時(shí)，時(shí)，x 從從 0 W，莫爾條紋的光強(qiáng)變化及其對(duì)應(yīng)的光，莫爾條紋的光強(qiáng)變化及其對(duì)應(yīng)的光電元件電壓波形變化電元件電壓波形變化圖圖8-5 隨著隨著x 移動(dòng)莫爾條紋光強(qiáng)變化及其移動(dòng)莫爾條紋光強(qiáng)變化及其電壓波形變化電壓波形變化8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 2測(cè)量原理測(cè)量原理8.1 光柵傳

16、感器光柵傳感器 將電壓信號(hào)進(jìn)行放大和整形，變?yōu)槊}沖信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行將電壓信號(hào)進(jìn)行放大和整形，變?yōu)槊}沖信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，即為莫爾條紋移過(guò)的數(shù)目計(jì)數(shù)，即為莫爾條紋移過(guò)的數(shù)目N，經(jīng)式，經(jīng)式 可算得位可算得位移量移量x，從而完成測(cè)距過(guò)程。，從而完成測(cè)距過(guò)程。 xNW8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 2測(cè)量原理測(cè)量原理8.1 光柵傳感器光柵傳感器 ：現(xiàn)有某光柵的柵線密度為現(xiàn)有某光柵的柵線密度為100線線/mm，主光柵與指示，主光柵與指示光柵的夾角為光柵的夾角為0.01弧度，要獲得下列結(jié)果：弧度，要獲得下列結(jié)果： 1）該光柵形成的莫爾條紋間距是多少？）該光柵形成的莫爾條紋間距是多少？ 2）

17、假如用四只光敏二極管接收莫爾條紋，且已知光敏二極）假如用四只光敏二極管接收莫爾條紋，且已知光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為管的響應(yīng)時(shí)間為 10-6s，問(wèn)光柵允許的最快運(yùn)動(dòng)速度是多少？，問(wèn)光柵允許的最快運(yùn)動(dòng)速度是多少？ 8.1 光柵傳感器光柵傳感器解：解：1）由光柵密度可求得光柵柵距）由光柵密度可求得光柵柵距 則條紋間距則條紋間距2）光柵運(yùn)動(dòng)速度與光敏二極管響應(yīng)時(shí)間關(guān)系為）光柵運(yùn)動(dòng)速度與光敏二極管響應(yīng)時(shí)間關(guān)系為 即為允許的最快速度。即為允許的最快速度。10.01mm100W 0.011mm0.01WB460.0110 mm/s10Wvt8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工

18、作原理3. 辨向原理與電路辨向原理與電路 被測(cè)物先向左移動(dòng)被測(cè)物先向左移動(dòng)5個(gè)柵距，然后向右移動(dòng)個(gè)柵距，然后向右移動(dòng)2個(gè)柵距，個(gè)柵距，總共移動(dòng)了幾個(gè)柵格？總共移動(dòng)了幾個(gè)柵格？由于光電元件缺乏辨向本領(lǐng)，所以計(jì)數(shù)的結(jié)果是移動(dòng)由于光電元件缺乏辨向本領(lǐng)，所以計(jì)數(shù)的結(jié)果是移動(dòng)7個(gè)脈個(gè)脈沖信號(hào)，沖信號(hào)，該結(jié)果不正確該結(jié)果不正確。 如何來(lái)辨別移動(dòng)方向？如何來(lái)辨別移動(dòng)方向？8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理3. 辨向原理與電路辨向原理與電路 在相隔在相隔1/4莫爾條紋間距莫爾條紋間距B位置上，放兩個(gè)光敏元件，獲位置上，放兩個(gè)光敏元件，獲得相位相差得相位相差90的兩個(gè)正

19、弦電壓信號(hào)。然后送到辨向電路的兩個(gè)正弦電壓信號(hào)。然后送到辨向電路進(jìn)而獲得可判別被測(cè)物移動(dòng)方向的脈沖個(gè)數(shù)（一個(gè)方向?yàn)檫M(jìn)而獲得可判別被測(cè)物移動(dòng)方向的脈沖個(gè)數(shù)（一個(gè)方向?yàn)榧訑?shù)，另一個(gè)方向?yàn)闇p數(shù)）。加數(shù)，另一個(gè)方向?yàn)闇p數(shù)）。 圖圖8-6 相距（相距（1/4）B 的兩個(gè)光電元件位置的兩個(gè)光電元件位置 8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理3. 辨向原理與電路辨向原理與電路 圖圖8-7 辨向電路原理框圖辨向電路原理框圖圖圖8-8 變相電路之變相電路之（a）主光柵正向移動(dòng)時(shí)各點(diǎn)波形）主光柵正向移動(dòng)時(shí)各點(diǎn)波形設(shè)主光柵向右（正向），莫爾條紋向上，光敏設(shè)主光柵向右（正向），莫

20、爾條紋向上，光敏元件元件1和和2的輸出電壓分別為的輸出電壓分別為u1 和和u2 ，且，且u1 超超前前u290相角。經(jīng)整形放大后獲得兩個(gè)方波信相角。經(jīng)整形放大后獲得兩個(gè)方波信號(hào)號(hào)u1和和u2 ，u2仍超前仍超前u1 90。 u1反相后反相后得到得到u1” ， u1 和和 u1”分別經(jīng)過(guò)各自的微分電分別經(jīng)過(guò)各自的微分電路后，獲得路后，獲得d1和和d1波形。由于波形。由于d1 處于高電平處于高電平時(shí)，時(shí)， u2總處在低電平，與門(mén)總處在低電平，與門(mén)1輸出輸出D1 為零。為零。對(duì)于與門(mén)對(duì)于與門(mén)2，d1 處于高電平時(shí)，處于高電平時(shí)， u2也處于高也處于高電平，所以與門(mén)電平，所以與門(mén)2輸出輸出 D2有脈沖

21、，加減控制觸有脈沖，加減控制觸發(fā)器置發(fā)器置1，可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)。，可逆計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)。（a）主光主光柵正柵正向移向移動(dòng)時(shí)動(dòng)時(shí)各點(diǎn)各點(diǎn)波形波形(b) 主光主光柵反柵反向移向移動(dòng)時(shí)動(dòng)時(shí)各點(diǎn)各點(diǎn)波形波形圖圖8-8 辨向電路各點(diǎn)波形辨向電路各點(diǎn)波形反向時(shí)，加減反向時(shí)，加減控制器置零，控制器置零，使可逆計(jì)數(shù)器使可逆計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)。作減法計(jì)數(shù)。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 在很多情況下，要求檢測(cè)比一個(gè)柵距更小的位移量，這時(shí)在很多情況下，要求檢測(cè)比一個(gè)柵距更小的位移量，這時(shí)該怎么辦呢？該怎么辦呢？解決方法：解決方法：被測(cè)物體移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋變化一個(gè)周

22、期，光電元件有被測(cè)物體移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋變化一個(gè)周期，光電元件有一個(gè)周期的電壓變化，通過(guò)電路處理可以獲得一個(gè)脈沖信號(hào)。一個(gè)周期的電壓變化，通過(guò)電路處理可以獲得一個(gè)脈沖信號(hào)。假如能在此周期內(nèi)，輸出多個(gè)脈沖，將可以減小脈沖當(dāng)量，提假如能在此周期內(nèi)，輸出多個(gè)脈沖，將可以減小脈沖當(dāng)量，提高分辨率。高分辨率。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 提高光柵傳感器分辨率提高光柵傳感器分辨率的兩種基本方法：的兩種基本方法： 1）在光柵片面積不變的前提下，增加刻線密度，減小柵距。）在光柵片面積不變的前提下，增加刻線密度，減小柵距。但是該方法受光柵刻線工藝的限制，就目前工藝

23、水平看，柵但是該方法受光柵刻線工藝的限制，就目前工藝水平看，柵線密度線密度7千條千條/mm基本可實(shí)現(xiàn)，但要上萬(wàn)條就困難了。基本可實(shí)現(xiàn)，但要上萬(wàn)條就困難了。2） 采用細(xì)分技術(shù)，被測(cè)物移動(dòng)一個(gè)柵距，均勻輸出采用細(xì)分技術(shù)，被測(cè)物移動(dòng)一個(gè)柵距，均勻輸出 n 個(gè)脈個(gè)脈沖，則分辨率可以提高到?jīng)_，則分辨率可以提高到W/n 。這種在一個(gè)莫爾條紋周期內(nèi)有多個(gè)脈沖輸出的方法，主要有這種在一個(gè)莫爾條紋周期內(nèi)有多個(gè)脈沖輸出的方法，主要有電子細(xì)分法、光學(xué)細(xì)分法和機(jī)械細(xì)分法電子細(xì)分法、光學(xué)細(xì)分法和機(jī)械細(xì)分法等幾種。由于細(xì)分后，等幾種。由于細(xì)分后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了，所以也稱為倍頻計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了，所以也稱為倍頻8.

24、1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 1直接細(xì)分法直接細(xì)分法 直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)目通常是細(xì)分?jǐn)?shù)目通常是4。在一個(gè)莫爾條。在一個(gè)莫爾條紋間距內(nèi)，相隔紋間距內(nèi)，相隔B / 4放置放置4個(gè)光電元件，于是可獲得個(gè)光電元件，于是可獲得4個(gè)相位依次個(gè)相位依次相差相差90的正弦信號(hào)。在每個(gè)信號(hào)由負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)，發(fā)出一的正弦信號(hào)。在每個(gè)信號(hào)由負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)，發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過(guò)整形，可得到個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)過(guò)整形，可得到4個(gè)相位依次相差個(gè)相位依次相差90的方波信的方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)號(hào)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)4個(gè)脈沖。個(gè)脈沖。 8.1 光柵傳感器光柵傳

25、感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 另一種實(shí)現(xiàn)四細(xì)分的方法：另一種實(shí)現(xiàn)四細(xì)分的方法：在相距在相距B / 4的位置上，放兩個(gè)的位置上，放兩個(gè)光電元件，獲得相位相差光電元件，獲得相位相差 90的正弦交流信號(hào)的正弦交流信號(hào)u1 和和u2 對(duì)其對(duì)其進(jìn)行反相，并讓進(jìn)行反相，并讓 u3=-u1 、u4=-u2 。于是獲得了相位依。于是獲得了相位依次相差次相差90的的4個(gè)正弦交流信個(gè)正弦交流信號(hào)：號(hào)：u1、u2、u3 和和 u4 。8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 11234Qyyyy圖圖8-9（b）四倍頻細(xì)分波形圖）四倍頻細(xì)分波形圖 假設(shè)光柵正向移動(dòng)時(shí)

26、，或門(mén)假設(shè)光柵正向移動(dòng)時(shí)，或門(mén)Q1 輸出輸出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí) Q2 無(wú)無(wú)脈沖輸出。脈沖輸出。 8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 2電阻電橋細(xì)分法電阻電橋細(xì)分法 電阻電橋法也稱矢量和法。如圖，電阻電橋法也稱矢量和法。如圖，u1和和u2 為光電元件的輸出電信號(hào)，為光電元件的輸出電信號(hào)，且且 ， ，則有則有 21o121212RRuuuRRRR1msinuU2mcosuU圖圖8-10 電阻電橋細(xì)分原理電阻電橋細(xì)分原理設(shè) ，則上式可以表述為 mosin()sincosUu12/tanRR8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫

27、爾條紋細(xì)分技術(shù) mosin()sincosUu用該信號(hào)去觸發(fā)施密特電路，用該信號(hào)去觸發(fā)施密特電路，當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，施，施密特電路被觸發(fā)（過(guò)零觸密特電路被觸發(fā)（過(guò)零觸發(fā)），發(fā)出脈沖信號(hào)。這里發(fā)），發(fā)出脈沖信號(hào)。這里 角按細(xì)分?jǐn)?shù)選擇，即事先確角按細(xì)分?jǐn)?shù)選擇，即事先確定好定好 R1/R2 值。圖值。圖8-11為電為電阻電橋阻電橋10細(xì)分的示意圖。細(xì)分的示意圖。 2電阻電橋細(xì)分法電阻電橋細(xì)分法 o0u圖圖8-11 電阻電橋電阻電橋10細(xì)分電路細(xì)分電路8.1 光柵傳感器光柵傳感器8.1.2光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用 光柵傳感器通常作為長(zhǎng)度，尤其是微小距離，以及角度的測(cè)光柵傳感器通常作為長(zhǎng)度，尤其

28、是微小距離，以及角度的測(cè)量工具，也用來(lái)測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等物理量量工具，也用來(lái)測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等物理量圖圖8-12 光柵多功能測(cè)長(zhǎng)儀結(jié)構(gòu)圖光柵多功能測(cè)長(zhǎng)儀結(jié)構(gòu)圖共22頁(yè) 第36頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 編碼器（編碼器（coder，encoder）是一種按照給定代碼產(chǎn)生信）是一種按照給定代碼產(chǎn)生信息表達(dá)形式的器件。按照被測(cè)物的物理形式，編碼器分為息表達(dá)形式的器件。按照被測(cè)物的物理形式，編碼器分為直直線位移編碼器（碼尺）和角位移編碼器（旋轉(zhuǎn)編碼器線位移編碼器（碼尺）和角位移編碼器（旋轉(zhuǎn)編碼器/碼盤(pán)碼盤(pán)。旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)軸連接，并隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)軸

29、連接，并隨其一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)發(fā)出相應(yīng)的方波信號(hào)，反映電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而確定過(guò)發(fā)出相應(yīng)的方波信號(hào)，反映電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而確定當(dāng)前位置或轉(zhuǎn)速。當(dāng)前位置或轉(zhuǎn)速。共22頁(yè) 第37頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器8.2.1 旋轉(zhuǎn)編碼器的種類(lèi)旋轉(zhuǎn)編碼器的種類(lèi)1）按照編碼方式的不同，編碼器可分）按照編碼方式的不同，編碼器可分為為絕對(duì)編碼器和增量編碼器絕對(duì)編碼器和增量編碼器。絕對(duì)編碼器絕對(duì)編碼器通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的明暗圖案，將通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的明暗圖案，將位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)碼，表明其絕對(duì)位置，其示值與測(cè)量的定的數(shù)碼，表明其絕對(duì)位置，其示值與

30、測(cè)量的起止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)；起止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)；增量編碼器增量編碼器又稱脈沖盤(pán)式編碼器，它將位移轉(zhuǎn)又稱脈沖盤(pán)式編碼器，它將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。 如果中途停電，增量編碼器無(wú)法獲知移動(dòng)部件如果中途停電，增量編碼器無(wú)法獲知移動(dòng)部件的絕對(duì)位置的絕對(duì)位置共22頁(yè) 第38頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器8.2.1 旋轉(zhuǎn)編碼器的種類(lèi)旋轉(zhuǎn)編碼器的種類(lèi)2）按照信號(hào)的讀出方式不同，編碼器可分為）按照信號(hào)的讀出方式不同，編碼器可分為接觸式和非接

31、觸式和非接觸式接觸式。接觸式接觸式編碼器采用電刷，用它接觸導(dǎo)電區(qū)或非導(dǎo)電區(qū)來(lái)編碼器采用電刷，用它接觸導(dǎo)電區(qū)或非導(dǎo)電區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是表示代碼的狀態(tài)是“1”還是還是“0”；非接觸式非接觸式用光敏元件或磁敏元件作接收元件，用其敏感用光敏元件或磁敏元件作接收元件，用其敏感區(qū)和非敏感區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是區(qū)和非敏感區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“0”和和“1下面以非接觸式光電式編碼器為例，討論相關(guān)問(wèn)題。下面以非接觸式光電式編碼器為例，討論相關(guān)問(wèn)題。共22頁(yè) 第39頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器8.2.2 光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理 光電式編碼器由光源、柱面鏡、碼盤(pán)和受光元件組成，其

32、主要部光電式編碼器由光源、柱面鏡、碼盤(pán)和受光元件組成，其主要部件是碼盤(pán)（如圖）。件是碼盤(pán)（如圖）。共22頁(yè) 第40頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器8.2.2 光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理光電式編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理圖圖 8-13 (a) 4位二進(jìn)制編碼盤(pán)結(jié)構(gòu)圖位二進(jìn)制編碼盤(pán)結(jié)構(gòu)圖 在一塊圓形玻璃盤(pán)上，用蝕刻工在一塊圓形玻璃盤(pán)上，用蝕刻工藝刻出透光和不透光的碼道。不透藝刻出透光和不透光的碼道。不透光的區(qū)是黑色的，可以代表光的區(qū)是黑色的，可以代表“0”，透光區(qū)代表透光區(qū)代表 “1”。 碼盤(pán)的碼道數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)，碼盤(pán)的碼道數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。碼道且高位在內(nèi)，低位在外。碼道 n 越

33、越多，數(shù)碼位越多，測(cè)量精度也越高。多，數(shù)碼位越多，測(cè)量精度也越高。n 條碼道能分辨的最小角度和分辨率條碼道能分辨的最小角度和分辨率分別為：分別為：3602n12n和和共22頁(yè) 第41頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器8.2.3 碼盤(pán)誤差及其處理碼盤(pán)誤差及其處理 對(duì)于二進(jìn)制碼盤(pán)，由于碼盤(pán)制作和對(duì)于二進(jìn)制碼盤(pán)，由于碼盤(pán)制作和光電元件安裝的誤差非常容易導(dǎo)致讀光電元件安裝的誤差非常容易導(dǎo)致讀數(shù)失誤，產(chǎn)生粗大誤差。解決辦法主數(shù)失誤，產(chǎn)生粗大誤差。解決辦法主要有：一是采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)（或要有：一是采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)（或稱格雷碼盤(pán)），二是用雙讀數(shù)頭方式。稱格雷碼盤(pán)），二是用雙讀數(shù)頭方式。下面說(shuō)說(shuō)采用下面說(shuō)說(shuō)采

34、用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)。 圖圖 8-13 (a) 4位二進(jìn)制編碼盤(pán)結(jié)構(gòu)圖位二進(jìn)制編碼盤(pán)結(jié)構(gòu)圖 共22頁(yè) 第42頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 循環(huán)碼編碼有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)十進(jìn)制數(shù)變化一時(shí)，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制循環(huán)碼編碼有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)十進(jìn)制數(shù)變化一時(shí)，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制循環(huán)碼只有一位代碼變化，此時(shí)即便它因故不變，也只能造成一循環(huán)碼只有一位代碼變化，此時(shí)即便它因故不變，也只能造成一個(gè)當(dāng)量的誤差，對(duì)整個(gè)數(shù)的影響有限。個(gè)當(dāng)量的誤差，對(duì)整個(gè)數(shù)的影響有限。8.2.3 碼盤(pán)誤差及其處理碼盤(pán)誤差及其處理表表8-2 四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的關(guān)系四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的關(guān)系十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼循環(huán)碼循環(huán)碼十進(jìn)制數(shù)十

35、進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼循環(huán)碼循環(huán)碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000共22頁(yè) 第43頁(yè)8.2 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器 由于循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，因此在輸出電路上要增加循環(huán)由于循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，因此在輸出電路上要增加循環(huán)碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換（譯碼）電路，或者用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換（譯碼）電路，或者用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。 8.2.3 碼盤(pán)誤差及其處理碼盤(pán)誤差及其處理圖圖8-14 (a) 為用異或門(mén)電路實(shí)現(xiàn)的為用異或門(mén)電路實(shí)現(xiàn)的四位并行從循環(huán)碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)四位并行從循環(huán)碼到二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換電路，其中，換電路，其中， 為循為循環(huán)碼，環(huán)碼， 為二進(jìn)制碼，為二進(jìn)制碼，下標(biāo)序號(hào)越大，權(quán)值越大。對(duì)于