傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 第2版 課件 8 光柵傳感器

8.光柵傳感器

8.光柵傳感器

光柵傳感器根據(jù)莫爾條紋原理制成的脈沖輸出數(shù)字式傳感器。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中，可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。8.1光柵

8.1.1光柵的結(jié)構(gòu)

1.光柵的分類光柵按其原理和用途可以分為物理光柵和計(jì)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波長(zhǎng)等的測(cè)量。計(jì)量光柵主要是利用莫爾現(xiàn)象，用于長(zhǎng)度、角度、速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。計(jì)量光柵按用途可以分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。長(zhǎng)光柵又稱為光柵尺，用于測(cè)量長(zhǎng)度或線位移。圓光柵又稱為盤柵，用于測(cè)量角度或角位移。2.光柵的結(jié)構(gòu)

（1）長(zhǎng)光柵光柵是在刻線基面上等距離（或不等間距）地密集刻劃，使刻劃處不透光，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。長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)如圖所示。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)，柵線密度用每毫米長(zhǎng)度內(nèi)的柵線數(shù)表示，如100線/mm、250線/mm等。（2）圓光柵圓光柵的結(jié)構(gòu)如圖所示。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，還有一個(gè)參數(shù)是柵距角γ或節(jié)距角，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線的夾角。圓光柵有三種形式，一種是徑向光柵，其柵線的延長(zhǎng)線通過圓心；另一種是切向光柵，其柵線的延長(zhǎng)線與光柵盤的一個(gè)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1080-64800條線。圓光柵機(jī)線如圖所示。a)徑向光柵b)切向光柵c)環(huán)形光柵8.1.2莫爾條紋

1.莫爾條紋的形成光柵常數(shù)相同的兩塊光柵（分別是主光柵和指示光柵）相互疊合在一起時(shí)，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角θ，如圖所示。這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯(cuò)開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。1.莫爾條紋的形成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。（1）位移的放大作用

當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH，如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為

θ越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測(cè)量的靈敏度。2.莫爾條紋的基本特性

條紋間距與柵距的關(guān)系為：

當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來檢測(cè)光柵的位移?？梢詫?shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。

當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：7.2.1莫爾條紋（2）莫爾條紋移動(dòng)方向

如主光柵沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著指示光柵的柵線向上移動(dòng)；反之，當(dāng)主光柵向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線向下移動(dòng)。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)主光柵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。（3）誤差的平均效應(yīng)

莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

如圖所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。主光柵和被測(cè)物體相連，它隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移。用光電器件記錄莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動(dòng)的距離，也就測(cè)得了被測(cè)物體的位移量。8.2光柵傳感器的工作原理

8.2.1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和光電元件5組成，如圖a所示。當(dāng)兩塊光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光電元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化，如圖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(hào)也最大；在c處，光被遮去一半，光強(qiáng)減??；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(dòng)，則透射到光電元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，因而形成圖8c所示的輸出波形。

a)組成b)莫爾條紋c)光強(qiáng)分布8.2.1光電轉(zhuǎn)換原理

8.2.2莫爾條紋測(cè)量位移的原理當(dāng)光元件5接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距w時(shí)，電信號(hào)變化一個(gè)周期。這樣，光信號(hào)的輸出電壓U可以用光柵位移x的正弦函數(shù)來表示，光電元件輸出的波形為

由上式可知，利用光柵可以測(cè)量位移量x的值。輸出信號(hào)靈敏度：輸出電壓信號(hào)的斜率為

由上式可見，當(dāng)2

x/w=(2n

1)

/2，即x=w/4，3w/4，5w/4，…時(shí)，斜率最大，靈敏度最高，故其輸出信號(hào)靈敏度Ku為8.2.3辨向原理位移測(cè)量傳感器如果不能辨向，則只能作為增量式傳感器使用。辨向原理如圖所示。為辨別主光柵的移動(dòng)方向，需要有兩個(gè)具有相差的莫爾條紋信號(hào)同時(shí)輸入來辨別方向，且這兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)相差90°相位。實(shí)現(xiàn)的方法是在相隔B/4條紋間隔的位置上安裝兩個(gè)光電元件，當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)兩個(gè)狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差90°，滯后還是超前完全取決于光柵運(yùn)動(dòng)的方向。這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向稱為位置細(xì)分辨向原理。8.2.3辨向原理如圖所示為辨向原理電路框圖。AB與CD兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差90°，所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必然相差90°。AB為主信號(hào)，CD為門控信號(hào)。當(dāng)主光柵作正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，CD產(chǎn)生的信號(hào)只允許AB產(chǎn)生的正脈沖通過，門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算；當(dāng)主光柵作反方向移動(dòng)時(shí)，CD產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過，門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。這樣就完成了辨向過程。8.4常用光學(xué)系統(tǒng)

8.4.1透射直讀式光中將圖中光電元件5采用四極硅光電池作為轉(zhuǎn)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如圖c，這樣莫爾條紋變化一個(gè)條紋寬度B，四級(jí)硅光電池依次輸出四路相位相差90°的電信號(hào)，如圖8-11所示波形，四路電信號(hào)相當(dāng)于對(duì)莫爾條紋進(jìn)行四細(xì)分。這種光路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，目前廣泛應(yīng)用于粗柵距的黑白透射光柵傳感器中。8.4.2反射直讀式光路反射直讀式光路如圖所示。光源1經(jīng)聚光鏡2成平行光束，并以一定角度通過場(chǎng)鏡3射向指示光柵4，莫爾條紋是金屬制成的標(biāo)尺光柵5反射回來的光線與指示光柵4相互作用形成的，由光電元件6接收莫爾條紋并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種光路常用于黑白反射光柵傳感器中。

8.4.3反射積分式光路

反射積分式光路如圖所示。圖中，只用一只閃耀光柵作主光柵，沒有指示光柵。光源1發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2變成平等光束垂直入射到具有等腰三角形柵線的閃耀光柵4上A、B兩點(diǎn)的線槽面。此時(shí)最大強(qiáng)度的衍射光將沿原路反射回分光鏡3。在分光面處相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，其干涉條紋經(jīng)透鏡5由光電元件6接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種光學(xué)系統(tǒng)具有光學(xué)四細(xì)分的作用，分辨力較高。例如，柵線密度為600線/mm時(shí)，干涉條紋變化一個(gè)周期就相當(dāng)于光柵移動(dòng)量為△w=1/4×1/600=0.42μm。這種光路只用于光柵移動(dòng)的反射式閃耀光柵傳感器。測(cè)量精度高（分辨率為0.1μm），動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（0～1000mm），可進(jìn)行無接觸測(cè)量，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化。在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別