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1、第8章 数字式位移传感器,【内容提示】 数字式位移传感器是将被测物理量直接转换成数字量或准数字量输出的装置。它具有精度高、抗扰能力强、信号处理和传输方便、尤其适合计算机使用等优点。这类数字式位移传感器在测距、测角和测转速等方面具有明显的优势，因而很受电气工程及其自动化、机电一体化等专业人士的重视。本章主要讲述光栅传感器、旋转编码器、感应同步器等内容。,8.1 光栅传感器,8.1.1 光栅传感器的类型与结构,光栅 (raster displayrastergrating) 分为物理光栅和计量光栅，其中物理光栅多用于光谱仪器，作色散元件，而计量光栅主要用于精密位移测量，包括线位移和角位移。 光栅传
2、感器 (grating sensor)：利用光栅的莫尔条纹 (Moire fringe) 现象进行位移测量的器件。,1光栅传感器的分类, 按光线路径不同，可分为透射（或称直射）光栅和反射光栅。透射光栅是在透明玻璃上均匀刻划间距、宽度相等的栅线形成的，反射光栅是在具有强反射能力的基体上，均匀刻划间距、宽度相等的栅线而成，如图8-1所示；,图8-1 光栅传感器的基本结构,（b）反射光栅,（a）直射光栅,1光源 2透镜 3主光栅 4指示光栅 5光电元件 6聚光镜, 按光栅的形状和用途不同，可分为长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度，它分为黑白光栅和闪耀光栅两种；圆光栅用于测量角度，它又进一步分为径向光
3、栅和切向光栅，径向光栅是通过沿圆形基体周边在直径方向刻栅线形成，而切向光栅沿周边刻划的全部栅线均与光栅中央一个半径为r的圆相切。,还有按物理原理，将光栅分为黑白光栅和相位光栅。 2光栅传感器的结构 光栅传感器的基本结构如图8-1 所示，主要由光源、透镜、主光栅 (又称标尺光栅)、指示光栅、光电接收元件组成。,光源：过去多采用钨丝灯，功率较小，工作温度在40130，转换效率低，使用寿命短。半导体发光二极管，如砷化镓发光二极管，可以工作在60100，发射光的峰值波长为91009400 ，有较高转换效率和较快响应速度。,光栅副：由主光栅和指示光栅构成，主光栅一般固定在被测物上，且随被测物移动，指示光
4、栅固定，主光栅与指示光栅的相对位移量是被测物的位移量。整个测量装置的精度主要由主光栅的精度决定。 光电接收元件：其作用是检测莫尔条纹的移动。一般采用光敏三极管，或者光电池。选择时应考虑元件的光谱特性与光源相匹配。硅电池无需外加电压，受光面积大，性能稳定，但灵敏度低、响应慢；光敏三极管灵敏度高、响应快、但稳定性差。,8.1.2 光栅传感器工作原理,1光栅及其莫尔条纹 光栅（副）是光栅传感器的主要元件，由主光栅和指示光栅组成。在两块光栅板上，刻有透明和不透明（黑色）相间的直线条纹，设 a 为栅线宽度（不透明），b为间距宽度（透明），则称 为光栅栅距（也称光栅常数或光栅节距），如图8-2。制作时，一
5、般让 ，从而有,将两个栅距均为W的光栅重叠放置，中间保持一段间隔，两光栅的栅线错开一个小角度 ，由于光的干涉作用，光线在 p-p 线上的重叠处形成亮带，在 q-q 线上两光栅栅线的错开处形成暗带，这种亮暗相间的条纹即为莫尔条纹，如图8-3所示。,如果光栅片作向左向右的相对运动，则莫尔条纹作向下向上移动，莫尔条纹间距B与栅距W、光栅夹角 之间的关系示意图见图 8-4，具体表达式为,图8-4 条纹相关量关系示意图,图8-3 等栅距形成的莫尔条纹,图8-2 光栅栅距,于是可获得,（8-1）,其中， 。由式（8-1）可知，调节两光栅的交角，可以改变莫尔条纹的宽度（间距）。 越小，则 B 越大。但是如果
6、交角 过小，条纹宽度过大，会使莫尔条纹清晰度下降，进而导致分辨力降低。,莫尔条纹的几条特性：,1）移动特性：主光栅的左右移动方向和距离与莫尔条纹的上下移动方向和长短相对应，,具体为：移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距 B，主光栅相对指示光栅转角为逆时针或顺时针时，其主光栅移动方向与莫尔条纹移动方向见表 8-1 所示。,表8-1 光栅移动与莫尔条纹移动方向关系表,2）放大作用：由 知，当 下降时，k上升，尽管 W 很小，但由式（8-1）可知，B 可以大到清晰。 3）误差平均效应：莫尔条纹是由大量栅线共同形成的，因而对刻度误差具有平均抵消作用，可在很大程度上消除由于刻线误差引起的局部和短周期
7、误差影响，达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。,2测量原理 主光栅与指示光栅的相对位置不变，主光栅仅作向左或向右的运动。当主光栅向左或向右一个栅距 W 时，莫尔条纹向下或向上移动一个条纹间距 B，受光电元件的电压变化一个周期。假如移动距离为,（8-2）,则莫尔条纹向下或向上移动N个条纹间距B，受光电元件的电压变化N个周期。具体表达式为,当 时，x 从 ，莫尔条纹的光强变化及其对应的光电元件电压波形变化如图,8-5所示。设初始位置为光电元件接受莫尔条纹的亮带信号（图8-3中p-p的位置），对应图8-5中的 a 位置，随着光栅位移的进行，先后经过 b、c、d、e、f 等位置，最后回复到 g，即与
8、 a 相同的位置。光亮由强到弱，再由弱到强，此时电压波形正好经历了一个周期。,图8-5 随着x 移动莫尔条纹光强变化及其电压波形变化,将电压信号进行放大和整形，变为脉冲信号，对其进行计数，即为莫尔条纹移过的数目N，经式（8-2）可算得位移量x，从而完成测距过程。,例1 现有某光栅的栅线密度为100线/mm，主光栅与指示光栅的夹角为0.01弧度，要获得下列结果： 1）该光栅形成的莫尔条纹间距是多少？ 2）假如用四只光敏二极管接收莫尔条纹，且已知光敏二极管的响应时间为 ，问光栅允许的最快运动速度是多少？,解：1）由光栅密度可求得光栅栅距,由式（8-1）可求得条纹间距,2）光栅运动速度与光敏二极管响
9、应时间关系为,即为允许的最快速度。,3辨向原理与电路,以上阐述仅能获得位移量 x 与相应输出电压u的关系，对于被测物的移动方向无法判别。例如，被测物先向左移动5个栅距，然后向右移动2个栅距，总的结果是向左移动了3,个栅距。由于光电元件缺乏辨向本领，所以计数的结果是移动7个脉冲信号，该结果不正确。,图8-6 相距（1/4）B 的两个光电元件位置,在相隔1/4莫尔条纹间距B位置上，放两个光敏元件，如图8-6所示，获得相位相差90的两个正弦电压信号。然后送到辨向电路，见图8-7，进而获得可可判别被测物移动方向的脉冲个数（一个方向为加数，另一个方向为减数）。,图8-7 辨向电路原理框图,设主光栅向右（
10、正向），莫尔条纹向上，光敏元件1和2的输出电压分别为图8-8（a）中的 和 ，且 超前 90相角。经整形放大后获得两个方波信号 和 ， 仍超前 90。 反相后得到 ， 和 分别经过各自的微分电路后，获得 和 波形。由于 处于高电平时， 总处在低电平，与门1输出 为零。对于与门2， 处于高,（a）主光栅正向移动时各点波形,(b) 主光栅反向移动时各点波形,图8-8 辨向电路各点波形,电平时， 也处于高电平，所以与门2输出 有脉冲，加减控制触发器置1，可逆计数器作加法计数。,主光栅反向移动（向左）时，莫尔条纹向下移动。此时 超前 90相角，与正向移动的情况相反。整形放大后， 仍超前 90。由图8-
11、8（b）可知，当 和 同时为高电平时， 输出脉冲（高电平）。而对于与门2，由于 为高电平时， 却处于低电平，所以 无脉冲输出。于是，加减控制器置零，使可逆计数器作减法计数。,当主光栅正向移动时脉冲数累加，反相移动时从累加的脉冲数中减去反向移动获得的脉冲数，最终的计数结果，反映光栅传感器实际移动的方向和距离。,随着电子技术的发展，目前已经有集辨向与可逆计数于一体的专用集成芯片，如Hewltt Packard 公司生产的CMOS芯片HCTL-2020，它具有噪声滤波、正交解码、可逆计数等多种功能，对于改善测量系统的性能，提高检测质量有现实意义。,8.1.3 莫尔条纹细分技术,从前述原理我们可以知道
12、，被测物体移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，光电元件有一个周期的电压变化，通过电路处理可以获得一个脉冲信号。假如能在此周期内，输出多个脉冲，将可以减小脉冲当量，提高分辨率。 另外，在很多情况下，要求检测比一个栅距更小的位移量，于是，出现了要提高分辨率的要求。提高光栅传感器分辨率的两种基本方法：,1）在光栅片面积不变的前提下，增加刻线密度，减小栅距。但是该方法受光栅刻线工艺的限制，就目前工艺水平看，栅线密度7千条/mm基本可实现，但要上万条就困难了。,2） 采用细分技术，被测物移动一个栅距，均匀输出 n 个脉冲，则分辨率可以提高到 。,这种在一个莫尔条纹周期内有多个脉冲输出的方法，主要有电子细
13、分法、光学细分法和机械细分法等几种。由于细分后，计数脉冲的频率提高了，所以也称为倍频。下面谈谈两种电子细分法。,1直接细分法,直接细分又称位置细分，细分数目通常是4。在一个莫尔条纹间距内，相隔B / 4放置4个光电元件，于是可获得4个相位依次相差90的正弦信号。在每个信号由负到正过零点时，发出一个计数脉冲，经过整形，可得到4个相位依次相差90的方波信号，实现一个周期内4个脉冲。,另一种实现四细分的方法：在相距B / 4的位置上，放两个光电元件，获得相位相差 90的正弦交流信号 和 对其进行反相，并让 、 。于是获得了相位依次相差90的4个正弦交流信号： 、 、 和 。具体细分电路和工作波形如图
14、 8-9所示。,四个方波信号一次为S、C、 和 ，经微分后送入与门，再经或门，得到四个计数脉冲，如图8-9（b）。假设光栅正向移动时，或门 输出4个计数脉冲，此时 无脉冲输出。,其中， ， ， ， 。,图8-9（a） 四倍频细分电路原理图,图8-9（b）四倍频细分波形图,同理，当光栅反向移动时，一个条纹间距内，或门 输出4个计数脉冲，而 无脉冲输出。 直接细分法对莫尔条纹信号波形无特别要求，电路简单，但是一个莫尔条纹间距是有限的，要在其中安装过多的光电元件是件非常困难的工作，所以细分数不宜过高（4）。,2电阻电桥细分法,电阻电桥法也称矢量和法。在图8-10所示的电桥电路中， 和 为光电元件的输
15、出电信号，且 ， ，则有,（8-3）,设 ，则式（8-3）可以表述为,用该信号去触发施密特电路，当 时， ，施密特电路被触发（过零触发），发出脉冲信号。这里 角按细分数选择，即事先确定好 值。图8-11为电阻电桥10细分的示意图。,图8-10 电阻电桥细分原理,图8-11 电阻电桥10细分电路,除了以上介绍的两种细分方法之外，还有幅值分割细分法、复合细分法、调相法、锁相倍频法和微机细分法等，限于篇幅不能一一介绍。,8.1.4 光栅传感器的应用,由于光栅传感器具有测量精度高、测量范围广，可进行无接触测量，输出信号数字化等特点，因而在机械加工，特别是量具、数控机床位移测量、工作母机的坐标测量等方面得到了广泛的应用。光栅传感器通常作为长度，尤其是微小距离，以及角度的测量工具，也用来测量速度、加速度、振动等物理量。 图8-12为某型号光栅多功能测长仪结构示意图，主光栅为透射式黑白振幅光栅，指示光栅为四裂相光栅，光源为发光二极管，受光元件为光敏三极管，两光栅间隙为 0.02,图8-12 光栅多功能测长仪结构图,0.035mm，并相倾 角。当两光栅有相对移动时，产生莫尔条纹，利用光敏三极管受光，依次获得 、 、 和 等相
