光栅式传感器课件

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1、Chapter6数字传感器,6.2 光栅传感器 Grating Sensor,传感器原理及实验,6.2 光栅传感器,在一百多年前，人们就开始利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光波的波长等方面，本世纪50年代，人们利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。 物理光栅： 利用光的衍射现象分析光谱、测定波长。 计量光栅： 利用光的莫尔条纹现象测量精密位移。,回顾位移量测量,电阻式 电位器 应变式 电感式 差动电感式 差动变压器 电容式 变极距式 变面积式 电涡流式 电涡流测微移 霍尔器件 霍尔位移传感器 量程 几微米 几百毫米 精度 0.1% 1.0%,？ 大

2、量程 高精度,模拟式传感器,回顾位移量测量,数字式位移传感器 编码器 光栅,？ 大量程 高精度,脉冲数字式传感器,6.2 光栅传感器,6.2.1 光栅传感器的结构原理 6.2.2 莫尔条纹形成的原理及特点 6.2.3 光栅的光路 6.2.4 辨向原理 6.2.5 细分技术 6.2.6 应用 长度计 数控机床 桥梁健康检测系统,6.2 光栅传感器,1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。 光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已

3、覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。,6.2.1 光栅传感器的结构原理,按光栅的形状和用途分为： 长光栅线位移 分辨率0.0010.1m；测量范围 米。 圆光栅角位移 角度分辨率0.01 ,6.2.1 光栅传感器的结构原理,光栅副是光栅传感器的主要部分。 主光栅(标尺光删) 指示光栅 标尺光栅的有效长度决定了传感器的有效测量长度和范围。,光栅由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。,图1 光栅传感器构成,6.2.1 光栅传感器的结构原理,图2 扫描光栅传感器构成,1. 光源,钨丝灯泡 发光二极管,1. 光源,用钨

4、丝灯泡，它有较大的输出功率，较宽的工作范围为一400C130C，但是它与光电元件相组合的转换效率低。 在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低，因此，必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。,1. 光源,半导体发光器件近年来发展很快，如砷化镓发光二极管可以在-66C 100C的温度下工作，发出的光为近似红外光(9194)，接近硅光敏三极管的敏感波长。 虽然砷化镓发光二极管的输出功率比钨丝灯泡低，但是它是与硅光敏三极管相结合，有很高的转换效率，最高可达30左右。 此外砷化镓发光二极管的脉冲响应时间约为几十纳秒，与光敏三极管组合可得到的响应速度。这种快速的响应特征，可以使光源工作在

5、触发状态，从而减小功耗和热耗散。,2. 光电元件,光电池 光敏三极管,2. 光电元件,光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,3. 光栅副,光栅副是光栅传感器的核心部分。 在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅。 透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条，如图3所示。,图3 黑白透射光栅示意图 (a)主光栅 (b)指示光栅,3. 光栅副,a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度， a+b=W称为光栅的栅距

6、(或光栅常数)。 两光栅之间的缝隙0.02 0.035mm。,通常情况，a=b=w/2，也可以做成a:b=1.1:0.9。 刻线密度一般为每毫米(10、25、50、1000)线。,6.2.2 莫尔条纹形成的原理及特点,莫尔条纹（Moire fringes） 1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出莫尔条纹这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。 在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光

7、线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称横向莫尔条纹。,1. 莫尔条纹的形成原理,图4 莫尔条纹形成原理,1. 莫尔条纹的形成原理,当移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用标尺光栅相对于指示光栅数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。,(1) 长光栅莫尔条纹,播放动画,(2) 长光栅光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,(3) 圆弧莫尔条纹,单击准备演示,播放动画,(4) 光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,1. 莫尔条纹的形成原理,由图

8、5可见，在a-a线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在d-d线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。 因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。,1. 莫尔条纹的形成原理,图5 莫尔条纹,1. 莫尔条纹的形成原理,由图可以看出， 式中，为亮(暗)带的倾斜角；为两光栅的栅线夹角。 BH为横向莫尔条纹之间的距离；W为光栅常数。,2. 莫尔条纹 技术的特点,特性（光栅传感器具有高精度的原因） （1）运动对应关系 （2）位移放大作用 （3）误差平均作用,2. 莫尔条纹技术的特点,(1) 莫尔条纹运动对应关

9、系 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。,2. 莫尔条纹技术的特点,(2) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为：,（6 - 1）,2. 莫尔条纹技术的特点,(2) 位移的放大作用 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。 例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大

10、了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。,2. 莫尔条纹技术的特点,(3) 误差的平均效应 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，能在很大程度上消除短周期误差的影响。,6.2.3 光栅的光路,光路的形式,图6 垂直透射式光路 图7 反射式光路,6.2.3 光栅的光路,1. 透射式光路,图8 透射式长光栅 图9 透射式圆光栅,6.2.3 光栅的光路,1. 透射式光路 在透明的玻璃上均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做透射光栅。 透射光栅的主光栅一般用普通工业用白玻璃，而指示光栅最好用光学玻璃。 光源1发出的光，经准直透镜2形成平行光束垂直

11、投射到光栅上，由主光栅3和指示光栅斗形成的莫尔条纹光信号由光电元件5接收。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 光路特点是结构简单，位置紧凑，凋整使用声便，目前应用比较广泛。,6.2.3 光栅的光路,2. 反射式光路,图10 反射式长光栅,6.2.3 光栅的光路,2. 反射式光路 在具有强反射能力的基体(不锈钢或玻璃镀金属膜)上，均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做反射光栅。 光源6经聚光镜和场镜3后形成平行光束，以一定角度射向指示光栅2，经反射主光栅1反射后形成莫尔条纹，再经反射镜4和物镜7在光电电池8上成像。 该光路适用于黑白反射光栅。,6.2.4 辨向原理,在实际应用中，大部分被

12、测物体的移动往往不止是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。,6.2.4 辨向原理,设主光栅随被测零件正向移动10个栅距后，又反向移动1个栅距，也就是相当于正向移动了9个栅距。可是，单个光电元件由于缺乏辨向本领，从正向运动的10个栅距得到了10个条纹信号，从反向运动的1个栅距又得到1个条纹信号，总计得到11个条纹信号。这和正向移动11个栅距得到的条纹信号数相同，因而这种测量结果是不正确的。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时

13、可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。,6.2.4 辨向原理,完成这种辨向任务的电路就是辨向电路。 为了能够辨向，应当在相距的位置上设两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90的正弦信号，如图所示，然后送到辨向电路中处理，如图所示。,6.2.4 辨向原理,图11 相距1/4BH的两个光电元件,6.2.4 辨向原理,图12 辩向电路原理,6.2.4 辨向原理,图13 辩向电路各点波形图,6.2.4 辨向原理,主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件2的输出电压波形如图（a）中曲线所示。光电元件1的输出电压波形如曲线所示，显然U1超前U290相角。 U1”是

14、U1反相后得到的方波。 U1W和U1W”是U1和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。 由图(a)可见，对于与门Y1，由于U1W处于高电平时， U2总是处于低电平，因此Y1输出为零；对于与门Y2，U1W”处于高电平， U2处于高电平，因此与门Y2有信号输出。使加减控制触发器置1，可逆计数器做加法计数。,6.2.4 辨向原理,主光栅反向移动时，莫尔条纹下移动，这时光电元件2的输出电压波形如图（b）中曲线所示。光电元件1的输出电压波形如U1曲线所示，显然U2超前U190相角。与正向移动时情况相反。整形放大后的U2仍超前U1 90。 U1”是U1反相后得到的方波。 U1W和U1W”是U1和U1”两个

15、方波经微分电路后得到的波形。 由图(b)可见，对于与门Y1，由于U1W处于高电平时， U2也处高电平，因此Y1有输出；对于与门Y2，U1W”处于高电平，U2处于低电平，因此与门Y2没有信号输出。因此加减控制触发器置0，可逆计数器做减法计数。,6.2.4 辨向原理,正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可以辨向，因而可以进行正确的测量。,6.2.5 细分技术,图14 光栅位移与光强、输出电压的关系,6.2.5 细分技术,前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图5看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最

16、亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数(如图14所示)。,6.2.5 细分技术,如以电压输出，即 uo光电元件输出的电压信号； Uo输出信号中的平均直流分量； Um输出信号中正弦交流分量的幅值。 由式可见，输出电压反映了位移量的大小。,（6 - 2）,6.2.5 细分技术,利用光栅进行测量时，当运动零件移动一个栅距，输出一个周期的交变信号，也即产生一个脉冲间隔。 因此，只要记录波形变化周期数或脉冲间隔数n，就可以知道光栅的位移x，即x=nB。 每个脉冲间隔代表移过一个栅距，即分辨力(或称脉冲当量)为一个栅距。 例如每毫米250条栅线的长光栅，栅距为4m，那么其分辨力(脉冲当量)为4m。,6.2.5 细分技术,细分技术就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量，提高分辨力。 1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，在一个莫尔条纹周期