光柵傳感器匯總課件

1、光柵式傳感器 制作：喬國棟目 錄1.1光柵傳感器的構(gòu)成及原理1.2光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理1.3光柵傳感器的應(yīng)用1. 1光柵傳感器的構(gòu)成及原理光柵的構(gòu)成： 光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的玻璃構(gòu)成，稱之為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射的條紋，稱為反射光柵。利用光柵的一些特點可進(jìn)行線位移和角位移的測量。測量線位移的光柵為矩形并隨被測長度增加而加長，稱之為長光柵；而測量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。圖3 1 透射光柵示意圖 2. 柵距：光柵的柵距，a、b分別為透光和不透光條紋的寬度，通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越小；一般柵距可由刻線密度算出，

2、刻線密度為25，50，100，125, 250條/mm。3. 莫爾條紋現(xiàn)象當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個夾角時，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，使光線透不過去，形成一條暗帶 ；而亮條與亮條重合的地方，部分光線得以通過，形成一條亮帶 。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱為莫爾條紋，如圖所示。 莫爾條紋的形成莫爾條紋的寬度可按下式計算：設(shè)a=b=W/2，則 (W/2)/B=sin(/2)，所以，B=W/(2sin(/2)，當(dāng)很小時，sin(/2)= /2，故有：B=W/，稱作莫爾條紋的寬度，又稱為節(jié)距。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莫爾條紋（Moire）4. 莫爾條紋的特點平

3、均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。對應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角固定后，兩光柵相對左右移動一個柵距W時，莫爾條紋上下或下上移動一個節(jié)距B，因此，可以通過檢測莫爾條紋的移動條數(shù)和方向來判斷兩光柵相對位移的大小和方向。放大作用：由公式B=W/可知，當(dāng)W一定，而較小時，可使W。如：長光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，0.50.009 rad，則：B=0.01/0.0091mm，放大100倍。若=0，則不產(chǎn)生莫爾條紋，這時光線忽明忽暗，稱作光閘效應(yīng)。對于圓光柵，同樣有這些特點。5. 光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，長的隨運(yùn)動部件移動，稱為

4、標(biāo)尺光柵，短的固定安放，稱指示光柵；而測量角位移時，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：光源標(biāo)尺光柵指示光柵光電元件，如圖所示。尺身尺身安裝孔 反射式掃描頭 （與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長光柵掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）反射式光柵透射式光柵透射式圓光柵固定1. 光柵傳感器輸出信號波形當(dāng)光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖：1.2光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的基本原理2.辨向原理：用兩個光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)

5、于相差90空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問題。 當(dāng)條紋上移時，V2落后于V1 90。 當(dāng)條紋下移時，V2超前于V1 90。 因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以 判別運(yùn)動方向。辨向原理反向移動，莫爾條紋都作明暗交替變化， 光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號，此信號不能辨別運(yùn)動方向。為了能夠辨向，需要有相位差為/2的兩個電信號。 圖為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在采用圖中一個光電元件的光柵讀數(shù)頭， 無論主光柵作正向還是相隔BH/4間距的位置上，放置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差/2的電信號u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個方波信

6、號u1和u2。 辨向邏輯工作原理 從圖中波形的對應(yīng)關(guān)系可看出，當(dāng)光柵沿A方向移動時，u1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖, 正好發(fā)生在u2的“1”電平時，從而經(jīng)Y1輸出一個計數(shù)脈沖；而u1經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，則與u2的“0”電平相遇，與門Y2被阻塞，無脈沖輸出。在光柵沿方向移動時，u1的微分脈沖發(fā)生在u2為“0”電平時，與門Y1無脈沖輸出；而u1的反相微分脈沖則發(fā)生在u2 的“1”電平時， 與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖,則說明u2的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制在不同的移動方向時，u1所產(chǎn)生的脈沖輸出。 這樣就可以根據(jù)運(yùn)動方向正確地給出加計數(shù)脈沖或減計數(shù)脈沖， 再將其輸入可逆計數(shù)器，實時顯示出相對

7、于某個參考點的位移量。 3. 細(xì)分技術(shù)（解決精度問題）當(dāng)使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進(jìn)行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對信號進(jìn)行細(xì)分，其電路框圖如圖所示。 1234硅光電池正向脈沖反向脈沖H1H2差動放大差動放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8四個光電元件間隔B/4安裝，1，3，2，4分別接入兩個差分放大器用以消除共模干擾，這樣可以得到兩個相差90度的信號sin和cos，經(jīng)整型等到方波信號，再反相得到A,B,C,D四路方波信號

8、，將四路方波信號再微分，得到四個脈沖,將A,B,C,D與 進(jìn)行邏輯組合，可由兩個輸出端輸出正向位移脈沖信號和反向位移脈沖信號。 當(dāng)正向運(yùn)動時，由正向上升沿微分得到正向脈沖，經(jīng)邏輯到輸出；反之亦然。利用這種方法，可在一個周期內(nèi)輸出四個脈沖，所以又稱之為四倍頻電路，其分辨率提高四倍，當(dāng)柵距w=10m時，分辨力為2.5m，即脈沖當(dāng)量為2.5m，當(dāng)w=4m,其分辨力可為1m。4.電位器橋（電阻鏈）細(xì)分實現(xiàn)方法及原理 四細(xì)分后得到的四個相位差為90度的交流信號Umsin,Umcos和-Umsin,-Umcos。以這四個交流信號為原函數(shù)（兩原函數(shù)間各接幾個電位器，構(gòu)成電位器橋，把=0-360度, （x=0

9、-W）分成四個象限。(2x/w=)每一個象限，由于電壓的合成與電位器的移相作用，電阻鏈上各電位器中間抽頭得到幅值各不相同的一系列移相信號（新函數(shù)）。1.3光柵傳感器的應(yīng)用 1、光柵數(shù)顯裝置主要芯片簡介1.光柵信號處理芯片(HKF710502) 主要功能：信號的同步、整形、四細(xì)分、辨向、加減控制、參考零位信號的處理、記憶功能的實線和分辨率的選擇等。2.邏輯控制芯片（HKE701314） 主要功能：為整機(jī)提供高頻和低頻脈沖；完成BCD譯碼；XJ校驗及超速報警。3.可逆計數(shù)與零位記憶芯片（HKE701201) 主要功能：接收從光柵信號處理芯片傳來的計數(shù)脈沖，完成可逆計數(shù)；接收參考零位脈沖，使計數(shù)器確定參考零位的數(shù)值，同時也完成清零、置數(shù)、記憶等功能。2、光柵式萬能測長儀人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非