光柵傳感器的原理

關于光柵傳感器的原理第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.3.1光柵傳感器的結構光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。

上一頁下一頁返回第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日光柵傳感器測量位移的原理：當標尺光柵（主光柵）相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化。利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，并用數(shù)字顯示，便可測量出標尺光柵的移動距離。第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日光柵傳感器光源：鎢絲燈泡： 輸出功率較大，工作范圍較寬（-40℃到+130℃） 與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。半導體發(fā)光器件:

轉(zhuǎn)換效率高，響應快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結合，轉(zhuǎn)換效率最高可達30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。

上一頁下一頁返回第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日光柵副：指示光柵＋主光柵（標尺光柵）a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2上一頁下一頁返回第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日光電元件包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。 在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。上一頁下一頁返回第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.3.2莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定上一頁下一頁返回第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.3.3莫爾條紋技術的特點（1）調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了 放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。

上一頁下一頁返回第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日徑向光柵進行角度測量當標尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時，條紋即沿徑向移動，測出條紋移動數(shù)目，即可得到標尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。上一頁下一頁返回第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.3.4光柵的光路透射光路反射光路

上一頁下一頁返回第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日（1）透射式光路1-光源2-準直透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件

此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。特點：結構簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應用廣泛。上一頁下一頁返回第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日（2）反射式光路1反射主光柵2-指示光柵3-場鏡4-反射鏡5-聚光鏡6-光源7-物鏡8-光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。上一頁下一頁返回第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.3.5辨向原理 單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移。 如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結果。上一頁下一頁返回第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日辨向光路設置在相距的位置上設置兩個光電元件1和2，以得到兩個相位互差90°的正弦信號上一頁下一頁返回第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日辨向電路正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。上一頁下一頁返回第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日上一頁下一頁返回辨向電路各點波形圖第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日5.3.6細分技術提高分辨力方法： 在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對柵距進行測微，電子學中稱“細分”，來得到所需的最小讀數(shù)值。細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當量提高分辨力。

上一頁下一頁返回第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日（1）直接細分直接細分又稱位置細分，常用的細分數(shù)為4。四細分可用4個依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內(nèi)將產(chǎn)生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分。

優(yōu)點：對莫爾條紋信號波形要求不嚴格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)。 缺點：光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。上一頁下一頁返回第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日上一頁下一頁返回未細分(a)與細分(b)的波形比較第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日（2）電阻電橋細分法（矢量和法）用此信號去觸發(fā)施密特電路上一頁下一頁返回第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日電阻電橋細分法用于10細分上一頁下一頁返回第二十一頁，共二十三頁，20