第7章-光柵傳感器

1、第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.1 光柵基礎(chǔ)光柵基礎(chǔ)7.2 光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理7.3 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù)7.4 常用光學(xué)系統(tǒng)常用光學(xué)系統(tǒng)思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.1 光柵基礎(chǔ)光柵基礎(chǔ)7.1.1 光柵分類及結(jié)構(gòu)1. 光柵分類光柵按其原理和用途可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵刻線細(xì)密，利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長等量的測量；在幾何量計量中使用的光柵稱為計量光柵，計量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。 按其透射形式，光柵可分為透射式光柵和反射

2、式光柵?？虅澔娌捎貌ＡР牧系臑橥干涫焦鈻牛豢虅澔娌捎媒饘俨牧系臑榉瓷涫焦鈻?。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器按其柵線形式，光柵可分為黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光柵）。黑白光柵是利用照相復(fù)制工藝加工而成，其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；相位光柵的橫斷面呈鋸齒狀，常用刻劃工藝加工而成。按其應(yīng)用類型，光柵可分為長光柵和圓光柵。長光柵又稱為光柵尺，用于測量長度或線位移；圓光柵又稱盤柵，用于測量角度或角位移。目前還發(fā)展了激光全息光柵和偏振光柵等新型光柵。本章主要介紹透射式的計量光柵。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器2. 光柵結(jié)構(gòu)所謂光柵，是在刻劃基面上等間距（或不等間距）地密集刻劃，使刻線處

3、不透光，未刻線處透光，形成透光與不透光相間排列構(gòu)成的光電器件。光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，而w=a+b稱為柵距（也稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)表示柵線密度，如100線mm、250線mm）。圓光柵還有一個參數(shù)叫柵距角或稱節(jié)距角，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線的夾角。圓光柵上是等柵距角的向心條紋。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖7.1 光柵結(jié)構(gòu) wab放 大(a) 長 光 柵(b) 圓 光 柵放 大wab第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圓光柵有三種柵線形式： 一種是徑向光柵，其柵線的延長線通過圓心；另一種是切向光柵，其柵線的延

4、長線與光柵盤的一個小同心圓相切；還有一種是其柵線為一簇等間距同心圓組成的環(huán)形光柵。圓光柵通常在圓盤上刻有108064800條線。圓光柵柵線如圖7.2所示。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖7.2 圓光柵柵線 (a) 徑向光柵(b) 切向光柵(c) 環(huán)形光柵第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.1.2 莫爾條紋原理計量光柵是利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量的測量的。莫爾條紋是十八世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)莫爾條紋是十八世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。的一種光學(xué)現(xiàn)象。1874年英國物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計年英國物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計測手段，從而開創(chuàng)了莫爾測試技

5、術(shù)。測手段，從而開創(chuàng)了莫爾測試技術(shù)。 在我們生活中常常見到莫爾現(xiàn)象，當(dāng)薄的兩層絲綢疊加在一起并作相對運(yùn)動時，形成一種漂動的水波型花樣，這就是莫爾條紋（亦稱為云紋）。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.1.2 莫爾條紋原理莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮光和透光莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的（兩只光柵參數(shù)相同）。效應(yīng)形成的（兩只光柵參數(shù)相同）。主光柵主光柵用于滿足測量范圍及精度，指示光柵指示光柵（通常是從主尺上裁截一段）用于拾取信號。將主光柵與指示光柵的刻劃面相向疊合并且使兩者柵線有很小的交角，這樣就可以看到，在a-a線上兩只光柵柵線彼此錯開，光線從縫隙中透過形

6、成亮帶，其透光部分是由一系列棱形圖案構(gòu)成的；在b-b線上兩只光柵柵線相互交疊，相互遮擋縫隙，光線不能透過形成暗帶。這種亮帶和暗帶相間的條紋這種亮帶和暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。稱為莫爾條紋。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖7.3 莫爾條紋原理wababaababaBw2 1第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器由于莫爾條紋的方向與柵線方向近似垂直，故該莫爾條紋稱由于莫爾條紋的方向與柵線方向近似垂直，故該莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。為橫向莫爾條紋。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器(1) 莫爾條紋（莫爾條紋（Moire） 條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵

7、距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當(dāng)特例：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7 .1.3 莫爾條紋特點(diǎn)1. 位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角的關(guān)系為令k為放大系數(shù)，則wwB2sin2(7.1) 1wBk(7.2) 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器一般一般很小，所以放大系數(shù)很小，所以放大系數(shù)k很大。故盡管光柵柵距很大。故盡管光柵柵距w很小，很小，而通過莫爾條紋的放大作用仍使其清晰可辨。而通過莫爾條紋的放大作用仍使其清晰可辨。在安

8、裝調(diào)節(jié)時，在安裝調(diào)節(jié)時，通過調(diào)整通過調(diào)整角，可以改變莫爾條紋寬度角，可以改變莫爾條紋寬度，從而使光電接收元件能正確接收光信號。從而使光電接收元件能正確接收光信號。 對于對于100線線mm的光柵，柵距為的光柵，柵距為0.01mm，當(dāng)夾角為，當(dāng)夾角為0.06時，莫爾條紋間距時，莫爾條紋間距B可達(dá)可達(dá)10 mm，放大了，放大了1000倍。倍。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器2. 運(yùn)動對應(yīng)的關(guān)系由圖7.1知，若光柵柵距為w，i為刻線數(shù)，x為移動距離，則 x=i w (7.3)將式（7.3）代入式（7.1）中，有 (7.4) 由式（7.4）知，當(dāng)當(dāng)很小時，光柵副中任一光柵沿垂直于很小時，光柵副中任一光

9、柵沿垂直于刻線方向移動時，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的方刻線方向移動時，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的方向運(yùn)動。向運(yùn)動。當(dāng)光柵移動一個柵距當(dāng)光柵移動一個柵距w時，莫爾條紋就移動一個條紋間隔時，莫爾條紋就移動一個條紋間隔B；當(dāng)光柵改變運(yùn)動方向時，莫爾條紋也隨之改變運(yùn)動方向，；當(dāng)光柵改變運(yùn)動方向時，莫爾條紋也隨之改變運(yùn)動方向，兩者具有相互對應(yīng)的關(guān)系。兩者具有相互對應(yīng)的關(guān)系。因此，可以通過測量莫爾條紋的運(yùn)動來判別光柵的運(yùn)動因此，可以通過測量莫爾條紋的運(yùn)動來判別光柵的運(yùn)動方向和距離。方向和距離。ixB 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器3. 誤差減小作用光柵在制作過程中必然會引入刻劃誤差。光電

10、元件獲取的莫爾條紋是指示光柵覆蓋區(qū)域刻線的綜合結(jié)果，莫爾條紋莫爾條紋是由若干條光柵刻線共同干涉形成的，是由若干條光柵刻線共同干涉形成的，所以對刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周期誤差的影響。這是光柵傳感器精度高的一個重要原因。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器刻劃誤差是隨機(jī)誤差。設(shè)單個柵距誤差為，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條刻線，則綜合誤差為N(7.5) 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.2 光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理7.2.1 光電轉(zhuǎn)換原理光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由光源1、聚光鏡2、光柵主尺3、指示光柵4和光敏元件5組成，如圖7.4(a)所示。當(dāng)兩塊光柵

11、作相對移動時，光敏元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動而變化，如圖7.4(b)所示。在a處，兩光柵刻線不重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號也最大；在c處，由于光被遮去一半，光強(qiáng)減小；在b處，光全被遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大。因而形成圖7.4（b）所示的輸出波形。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖圖7.4 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換12345xbbaacccc2S(B)0I,i(光 照，電流)(a) 組成(b) 莫爾條紋(c) 光強(qiáng)分布4321第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器在理想情況下，當(dāng)a=b=w時，光強(qiáng)亮度變化曲線呈三角形分布，如圖7.4(b)中虛線所示

12、。但實(shí)際上因為刻劃誤差的存在造成亮度不均，使三角波形呈近似正弦波曲線。當(dāng)用平行光照射光柵時，透過莫爾條紋的光強(qiáng)度當(dāng)用平行光照射光柵時，透過莫爾條紋的光強(qiáng)度分布的似于正弦函數(shù)。分布的似于正弦函數(shù)。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.2.2 莫爾條紋測量位移原理第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.2.2 莫爾條紋測量位移原理當(dāng)光電元件5接收到明暗相間的正弦信號時，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)主光柵移動當(dāng)主光柵移動一個柵距一個柵距w時，電信號則變化了一個周期。時，電信號則變化了一個周期。這樣，光電信號的輸出電壓U可以用光柵位移x的正弦函數(shù)來表示，光敏元件輸出的波形為式中：U0輸出信號的直

13、流分量；Um交流信號的幅值；x 光柵的相對位移量。wxUUUm2sin0(7.6) 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器 由式（7.6）可知，利用光柵可以測量位移量x的值。當(dāng)波形重復(fù)到原來的相位和幅值時，相當(dāng)于光當(dāng)波形重復(fù)到原來的相位和幅值時，相當(dāng)于光柵移動了一個柵距柵移動了一個柵距w，如果光柵相對位移了，如果光柵相對位移了N個柵個柵距，此時位移距，此時位移 x=N w。 因此，只要能記錄移動過因此，只要能記錄移動過的莫爾條紋數(shù)的莫爾條紋數(shù)N，就可以知道光柵的位移量，就可以知道光柵的位移量x值。這值。這就是利用光閘莫爾條紋測量位移的原理。就是利用光閘莫爾條紋測量位移的原理。第第7章章 光柵傳感器光

14、柵傳感器7.2.3 辨向原理辨向原理為辨別主光柵的移動方向，需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入來辨別移動方向，且兩個莫爾條紋信號相差90相位。實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔相隔B4條紋間隔的位置上安條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件裝兩只光敏元件，當(dāng)莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮當(dāng)莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣度變化規(guī)律完全一樣，相位相差相位相差2。滯后還是超。滯后還是超前完全取決于光柵的運(yùn)動方向。這種區(qū)別運(yùn)動方向前完全取決于光柵的運(yùn)動方向。這種區(qū)別運(yùn)動方向的方法稱為位置細(xì)分辨向原理。的方法稱為位置細(xì)分辨向原理。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器wababaababaBw2 1第第7章章 光柵

15、傳感器光柵傳感器圖7.5 辨向原理 M1M2莫爾條紋ACBDBB4第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器AB與CD兩個狹縫在結(jié)構(gòu)上相差2，所以它們在光電元件上取得的信號必是相差2。AB為主信號，CD為門控信號。當(dāng)主光柵作正向運(yùn)動時，CD產(chǎn)生的信號只允許AB產(chǎn)生的正脈沖通過，門電路在可逆計數(shù)器中作加法運(yùn)算；當(dāng)主光柵作反方向移動時，則CD產(chǎn)生的負(fù)值信號只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過，門電路在可逆計數(shù)器中作減法運(yùn)算。這樣就完成了辨向過程。圖7.6為辨向原理電路框圖。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖7.6 辨向原理電路框圖 光電元件1差動放大器斯密特電路微分電路門電路可逆計數(shù)器光電元件2差動放大器斯密特電路AB

16、CD高電平低電平第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.3 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)莫爾條紋細(xì)分技術(shù)7.3.1 細(xì)分方法目前使用的細(xì)分方法有：（1） 增加光柵刻線密度。 （2） 對電信號進(jìn)行電子插值，把一個周期變化的莫爾條紋信號再細(xì)分，即增大一個周期的脈沖數(shù)，稱為倍頻法。在電子細(xì)分中又可分為直接細(xì)分、電橋細(xì)分、示波管細(xì)分和鎖相細(xì)分等。（3） 機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖7.7 四路電信號波形ii1i2i3i420第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.3.2 光電元件直接細(xì)分在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件（如圖7.4(c)所示），得到相位分別相差2的四個正弦周期信號（如圖7.

17、7所示）。用適當(dāng)?shù)碾娐诽幚磉@一列信號，由圖7.8(a)可知，AB和CD兩光電元件輸出的U1和U2經(jīng)方波發(fā)生器后變成方波，并相差2。在1、3點(diǎn)的方波經(jīng)倒相器倒相一次，便得到2、4點(diǎn)兩個方波倒相電壓。將它們分別微分后獲得5、6、7、8四點(diǎn)的正脈沖，同時送到與非門得到9點(diǎn)的12個輸出脈沖為原來任意一路的四倍，實(shí)現(xiàn)了四倍頻細(xì)分，如圖7.8（b）所示。 用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以得到1/4個莫爾條紋寬度的位移量（即光柵固有分辨率的四倍）。此種細(xì)分方法被稱為四倍頻細(xì)分法。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖圖7.4 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換12345xbbaacccc2S(B)0I,i(光 照，電流)(

18、a) 組成(b) 莫爾條紋(c) 光強(qiáng)分布4321第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器 圖7.8 四倍頻細(xì)分(a) 四倍邏輯；（b） 波形圖&ABCD123456789(a)U11U22U33U4456789(b)第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.3.3 CCD直接細(xì)分1. 細(xì)分原理CCD直接細(xì)分的原理是，利用線陣CCD上數(shù)千個等間距的像素所構(gòu)成的“感光尺”對整柵距的位移信號，即周期性的交點(diǎn)移動信號進(jìn)行細(xì)分，使測量信號能夠反映一個柵距內(nèi)的精確位移。細(xì)分的具體方法如下。在均勻的背景光照明下，光柵刻線在CCD像素位置上形成明暗相間的像，如圖7.9(a)所示。CCD在掃描驅(qū)動脈沖的控制下對一維

19、視場進(jìn)行掃描，輸出一個周期性的脈沖序列。周期內(nèi)的脈沖數(shù)等于像素數(shù)，脈沖幅值反映了像點(diǎn)的亮度，從脈沖序列中可以明顯地辨認(rèn)出交點(diǎn)的位置（暗點(diǎn)）（如圖7.9（b）所示）。對脈沖進(jìn)行限幅比較，并配以簡單的邏輯電路即可篩選出從掃描原點(diǎn)到第一個交點(diǎn)之間的脈沖，如圖7.9(c)所示。 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖7.9 CCD直接細(xì)分 (a)(b)(d )暗線的像亮線的像控制電平臨界脈沖(c)第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器當(dāng)刻線與CCD像場的交點(diǎn)移動時，亮點(diǎn)臨界脈沖的位置也相應(yīng)地改變。用計數(shù)器記下從掃描原點(diǎn)到臨界脈沖間的脈沖數(shù)，即可確定光柵在一個柵距間的位移。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器2. 細(xì)

20、分精度這種細(xì)分方法的分辨率取決于兩交點(diǎn)像之間所包含的像這種細(xì)分方法的分辨率取決于兩交點(diǎn)像之間所包含的像素數(shù)素數(shù)，精度取決于像素的尺寸精度以及各像素光電特性的一致性。由于CCD是采用蝕刻方法制作的集成電路，各像素尺寸和光電特性都較均一，所以采用CCD直接細(xì)分法時精度可以做到與其分辨率同一個數(shù)量級。如果采用軟件擬合方法，精度還可以進(jìn)一步提高。由于線陣CCD與標(biāo)尺光柵刻線也有一個角，投影在CCD視場中的交點(diǎn)數(shù)就等于以前的莫爾條紋數(shù)。改變改變角的大小角的大小就可以改變視場中交點(diǎn)的個數(shù)，從而改變直接細(xì)分的分辨率。就可以改變視場中交點(diǎn)的個數(shù)，從而改變直接細(xì)分的分辨率。CCD直接細(xì)分光柵的分辨率由下式?jīng)Q定：

21、PqwPLsin(7.7) 第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器 式中：L為CCD的像場長度；P為有效像素數(shù)；q為像場中的交點(diǎn)數(shù)。 計量光柵的柵距為w=0.01mm，線陣CCD像素數(shù)可以做到P=5000個。設(shè)在視場中有兩個交點(diǎn)的像，此時q=2，由公式（7.7）可知分辨率可達(dá)到4nm。當(dāng)采用CCD光柵柵距直接細(xì)分法時， CCD輸出的圖像信號經(jīng)處理后為一系列代表光柵柵線相對位置的周期性脈沖序列（如圖7.9(d)）。設(shè)每一個周期內(nèi)的脈沖數(shù)為n，則位移x與輸出信號n的關(guān)系為x=NNMS=nSPqwPLsin第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器式中：N掃過CCD視場的刻線數(shù)； N光柵相鄰兩刻線間對應(yīng)的線陣CCD

22、像素數(shù)；M后續(xù)電路或計算機(jī)軟件對信號進(jìn)行的插值細(xì)分?jǐn)?shù)；S位移脈沖當(dāng)量，即單位脈沖信號代表的光柵相對位移量。7.3.4 光柵傳感器的誤差單件光柵的誤差是由刻劃工藝和刻劃設(shè)備決定的。計量光柵大多數(shù)是在構(gòu)成莫爾條紋的情況下使用。由于莫爾條紋的平均誤差作用，使局部刻劃誤差的影響大大減小。設(shè)光電接收元件所覆蓋的光柵刻線總數(shù)為N，單個柵距誤差為，則可利用式(7.3)粗略地描述平均誤差與單個柵距誤差之間的關(guān)系。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器因為常用柵距w為0.050.01mm，若取光電池尺寸為10 mm，則平均誤差為因此，其平均誤差很小。實(shí)際上莫爾條紋變化一周，只移動一個柵距，也就是在2001000條刻線

23、中只改變了一條刻線，因此單個柵距誤差的影響實(shí)際上比式（7.3）的還小。長光柵柵距誤差一般水平為微米（m）數(shù)量級，圓光柵為秒（）數(shù)量級。 100020010wN)321141(N第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器7.4 常用光學(xué)系統(tǒng)常用光學(xué)系統(tǒng)7.4.1 透射直讀式光路將圖7.4中光電元件5采用四極硅光電池作為光電轉(zhuǎn)四極硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件，就構(gòu)成四細(xì)分直讀式分光系統(tǒng)換元件，就構(gòu)成四細(xì)分直讀式分光系統(tǒng)。把形成的橫向莫爾條紋寬度B調(diào)整到等于四極硅光電池的寬度S（見圖7.4(c)），這樣莫爾條紋變化一個條紋寬度B，四極硅光電池依次就輸出四路相位依次相差2的電信號（如圖7.7所示波形），四路電信號相當(dāng)于對莫爾條紋信號進(jìn)行四細(xì)分。這種光路的結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，目前廣泛應(yīng)用于粗柵距的黑白粗柵距的黑白透射光柵傳感器透射光柵傳感器中。第第7章章 光柵傳感器光柵傳感器圖圖7