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1、1,位移的检测,线位移 角位移,2,3,4,0、激光测距系统,- 大范围远距离测距（几千/几十千米）,1）脉冲测距法,测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）,远距离 - 固体/二氧化碳；近距离 - 半导体,巨脉冲激光器 - 地球月球距离（分辨力：1m）,距离,5,3）激光三角法,2）相位差测距法,激光束调制 - 相位差 - 时间 - 距离,特点：测量精度高、分辨力强,6,原理：,y = f (x),7,Keyence 激光测距传感器,激光测距产品,8,特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高,精度：光学元件本身的精度、环境温度、
2、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征,9,应用：,10,11,厚度测量：,(a) 参考表面：两传感器同向 - 减小偏心误差,(b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面 - 克服钢板本身上下起伏造成的误差,12,测量范围：16mm左右；相对测量精度：0.1% 0.2%,适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度,特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感,不能测量镜面 - 漫反射原理,13,微小位移测量- 数字式位移传感器,数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。 与模拟传感器相比的特点是:抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。 常用的数字式传感器
3、光栅传感器 旋转式光电编码器,14,5.1 光栅传感器,一.光栅及其测量系统 1.光栅的结构类型 1）长光栅尺,15,光栅式传感器,- 等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件,物理光栅：,计量光栅：,利用光的衍射现象分析光谱、测定波长,利用光的莫尔条纹现象测量精密位移,16,长光栅 - 直线位移；圆光栅 - 角位移,构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),17,18,2）圆光栅,刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。 根据栅线刻划的方向，圆光栅
4、分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切 若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。,19,2.光栅测量系统（光栅读数头）,20,21,22,23,二.光栅传感器的工作原理,1.莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时, 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。,24,(1) 莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝
5、宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,25,26,莫尔条纹的特征,1) 放大作用,放大倍数为 1/,越小, B越大。 例如=0.1时 =0.1=0.12/360 =0.00175432rad W=0.02mm BH=11.4592mm。,27,2) 对应关系,28,29,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服
6、个别误差 提高精度,(2) 光栅传感器分类与结构原理,按运动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,30,31,3） 误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划误差有平均抵消作用, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。 例W=0.02mm, 接收元件尺寸1010mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。,32,
7、2.辨向原理及辨向电路,1）为什么要辨向 当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。,33,2）辨向原理与辨向电路,34,辨向电路,35,设计数器记得脉冲数为N，位移 x=N W 光栅测量位移属于增量式测量。,36,三.细分技术,目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。 细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内, 发出n脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n
8、倍, 因此也称之为n倍频。 细分类型： 电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。,37,1. 四倍频细分 在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2电压信号（S和C），将这两个信号整形、反相得到四个依次相差/2的电压信号。0（S），90（C）180（S）270（C）。,在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。,38,2.电位器桥（电阻链）细分 实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为90度的交流信号 Umsin,Umcos和-Umsin,-Umcos。以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个
9、电位器，构成电位器桥，把=0-360度, （x=0-W） 分成四个象限。 每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。,39,40,四.光栅数显装置,41,主要芯片简介 1.光栅信号处理芯片(HKF710502) 主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。 2.逻辑控制芯片（HKE701314） 主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验及超速报警。 3.可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201) 主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲
10、，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。,42,五.光栅传感器的应用,43,44,45,5.2 旋转式光电编码器,一.增量式旋转光电编码器 1.工作原理,46,2.增量式光电盘,47,48,4.旋转方向的判别,49,二.绝对式光电编码器,1.测量原理,50,2.绝对式光电码盘,51,52,3.循环码盘,1）编码规则 将二进制码右移 一位并舍去最末位与原二进制做不进位加法。 2）特点 相邻两个数码之间只有一位变化。,53,4.提高分辨率的方法插值法,54,三.光电编码器的应用,1.在数控机床中的应用,55,2.电机控制-角度及转速的测量 脉冲频率法,56,57,脉冲周期法,58,59,(4) 光栅传感器特点,精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1 量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式-几十米 响应快：可用于动态测量 增量式：增量码测量 计数 断电数据消失 要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 成本高：电路复杂,60,二、激光干涉测量系统,单频激光干涉系统,61,双频激光干涉系统,- 信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）,62,双频激光干涉测量系统,
