光柵傳感器工作原理優(yōu)秀課件

1、1倪霞林 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院2THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成u 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成3THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù)l 光柵數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列而成的光電器件。20線-150線/mm25線-50線/mmWW透射式反射式為光柵常數(shù)，也稱光柵柵距

2、。W 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成4THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵的分類光柵的分類按用途分物理光柵計(jì)量光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析、光波長(zhǎng)測(cè)量。利用莫爾條紋現(xiàn)象，主要用于長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等物理量的測(cè)量。計(jì)量光柵長(zhǎng)光柵圓光柵用于長(zhǎng)度測(cè)量用于角度測(cè)量按光的走向透射式光柵反射式光柵按柵線的形式黑白光柵（幅值光柵）閃耀光柵（相位光柵）徑向光柵切向光柵環(huán)形光柵5長(zhǎng)光柵 - 直線位移圓光柵 - 角位移 構(gòu)成： 主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵 指示

3、光柵 - 動(dòng)光柵長(zhǎng)度 - 測(cè)量范圍；刻線密度 - 測(cè)量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm )THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)6THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副光 路光柵傳感器的結(jié)構(gòu)7按運(yùn)動(dòng)形式

4、分： 直線型-主光柵為直尺形直線移動(dòng) 旋轉(zhuǎn)型-主光柵為圓盤形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按光學(xué)形式分： 透射式-光源與光電元件在兩側(cè)透射光 反射式-光源與光電元件同一側(cè)反射光THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)8莫爾條紋的形成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器

5、的工作原理+-位移正弦波9條紋寬度： WBW-柵距， a-線寬， b-縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋 當(dāng) =0, w1w2 縱向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(dòng)THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù)莫爾條紋（莫爾條紋（Moire）10n方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí) n 與光柵移動(dòng)方向垂直n同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 n 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距n 方向?qū)?yīng)n放大性：夾角很小n BW n 光學(xué)放大 n 提高靈

6、敏度n可調(diào)性：夾角n 條紋間距B 靈活n準(zhǔn)確性：大量刻線 n 誤差平均效應(yīng)n 克服個(gè)別/局部誤差n 提高精度 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù)莫爾條紋（莫爾條紋（Moire）的特性）的特性11THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理故 被測(cè)物體位移柵距脈沖數(shù)被測(cè)物體位移莫爾條紋移動(dòng)正弦波方波脈沖通過(guò)光

7、柵 轉(zhuǎn) 換通過(guò)光電 元件轉(zhuǎn)移整 形 轉(zhuǎn) 換邏輯電壓 轉(zhuǎn) 換12THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理13u光柵傳感器特點(diǎn) 精度高： 測(cè)長(zhǎng)(0.2+210-6L)m， 測(cè)角0.1量程大： 透射式-光柵尺長(zhǎng)（米）， 反射式-幾十米響應(yīng)快： 可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量增量式： 增量碼測(cè)量 計(jì)數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高： 對(duì)環(huán)境要求高溫度、 濕度、灰塵、振動(dòng)、 移動(dòng)精度成本高： 電路復(fù)雜 THE COLLEGE OF MECHANICA

8、L ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理14THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路信號(hào)各種接口放大細(xì)分整形四倍頻、判向加減計(jì)數(shù)正弦(余弦)信號(hào)方波信號(hào)數(shù)字信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換15THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化

9、技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)的形成與轉(zhuǎn)換W11 4nWW22 4n WW33 4nWWsin xc o s xc o s xsin x16THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)的形成與轉(zhuǎn)換標(biāo)尺光柵指示光柵假如移動(dòng)了一個(gè)柵距Wsin xs in xc o s xc o s xsin xc o s xc o s xs in x得到四個(gè)信號(hào)：17THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING

10、AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)的形成與轉(zhuǎn)換得到一對(duì)相位相差 的正交差分信號(hào)2正弦差分信號(hào)余弦差分信號(hào)18THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)放大可得到相位差分別為 ， ， 的正弦信號(hào)021RouRu2R2C1C1RouRu2R2C1Csin xcosx19THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATIO

11、N,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u 位移信號(hào)ppu2cos()bpP PuuuxW pupu2sin()apP PuuuxW ppu一對(duì)正交位移信號(hào)： 和aubu位移的方向：au正向時(shí) 超前aubu反向時(shí) 超前aubux位移的大?。?可見(jiàn)位移大小的信息包含在信號(hào)的相位中。20THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u電阻鏈細(xì)分電路sinsinammuUxUsin()cos2bmmuU

12、xUouaubu1R2R121212baR uR uRRRR0pu p pmuU設(shè) ， 。則 212()oabbRuuuuRR121212cossinmmRRUURRRRsincoscos sinmmUUsin()mU 22212c o sRRR2212RR2R1R12arctanRR221212mmRRUURR12212s i nRRR注：ouaubuau21THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路100sin18K56K24K33

13、K56K18K33K24K33K24K24K33K18K56K56K18Kcossin5310257104591023501 83 65 47 29 01 0 81 2 61 4 41 6 222THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)整形正弦信號(hào)通過(guò)電壓比較器，整形為同周期的方波信號(hào)。cosxRuiuRusin xRuiuiuiu1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K電壓比較器339LM1.2 M5Viu10K2.7K13

14、 pRuou10K電壓比較器339LM23THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路信號(hào)處理過(guò)程036721854901081261461 42得到十路方波信號(hào)，其相位依次相差 1824THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路信號(hào)處理過(guò)程03672108144XP0367210

15、814403672108144XPPPPPPPPPPP0367210814403672108144PPPPPPPPPP03672108144PPPPP信號(hào)相位每變化 就產(chǎn)生一個(gè)新的方波，所以得到5倍頻（細(xì)分）。7225THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路信號(hào)處理過(guò)程185490126162YP185490126162185490126162YPPPPPPPPPPP185490126162185490126162PPPPPPPPPP

16、185490126162PPPPP得到五細(xì)分（倍頻）后的 ， 正交方波。 XPYP26THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路實(shí)現(xiàn)：1816290()YPPPP54126()PP361080()XPPPP72144()PP74LS86異或門74LS86異或門0P18P36P54P72P90P108P126P144P162P21351113964138121051110412896231YPXPYBA注：異或門74LS86：YABABB

17、AY01001010111100真值表：27THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u 四細(xì)分、判向邏輯XPYPW小結(jié)：光柵相對(duì)位移莫爾條紋正交正弦信號(hào)五細(xì)分正交方波信號(hào) 細(xì)分后的一個(gè)方波信號(hào)是原正弦信號(hào)按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 細(xì)分后的方波信號(hào)仍是一對(duì)正交方波信號(hào)。 28THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳

18、感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u 四細(xì)分、判向邏輯關(guān)于正交方波信號(hào)的討論：AB正交方波信號(hào)位移方向信息： 正向移動(dòng)時(shí)，A超前B； 反向移動(dòng)時(shí)，B超前A。2xW位移大小信息： 相位 。11000110正交方波信號(hào)的狀態(tài)變化規(guī)律：10110001正向移動(dòng)時(shí)反向移動(dòng)時(shí)結(jié)論：正交方波信號(hào)的狀態(tài)變化規(guī)律為：正向時(shí)00、10、11、01而反向時(shí)相反一個(gè)方波狀態(tài)改變四次29THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u 四細(xì)分、判向邏輯AB正交方波信號(hào)1100

19、0110l四細(xì)分： 一個(gè)方波內(nèi)狀態(tài)改變四次，記錄下?tīng)顟B(tài)改變的次數(shù)，則一個(gè)方波又按相位被細(xì)分為四等分。l判向： 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的狀態(tài)，可以判斷出位移的方向。(54)Wxn 因此，在整個(gè)位移過(guò)程中，我們只要記錄下信號(hào)狀態(tài)的變化次數(shù)，并在正向時(shí)做加計(jì)數(shù)，反向時(shí)做減計(jì)數(shù)?？傻?54)W脈沖當(dāng)量W 柵距；x位移長(zhǎng)度；n總計(jì)數(shù)值；30THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī)電一體化技術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的測(cè)量電路u 結(jié)果顯示、打印位移長(zhǎng)度：Wxn總細(xì)分?jǐn)?shù)9 8 9 8 .1 2 3 4mm顯示打印其它處理例：一光柵數(shù)顯系統(tǒng)，選用 的光柵傳感器，電子處理系統(tǒng)的電阻鏈細(xì)分?jǐn)?shù)為25，后接 4 細(xì)分判向電路。問(wèn)該系統(tǒng)的光柵柵距是多少？脈沖當(dāng)量和最小分辨率分別是多少？當(dāng)光柵移動(dòng)了 個(gè)柵距時(shí)，顯示數(shù)應(yīng)該是多少？100線m m34118光柵柵距10.01100Wm