光栅传感器

θ
2
=
W 2 sin
θ
2
≈
W
θ
莫尔条纹的宽度BH由 光栅常数与光栅夹角决定
4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术
莫尔条纹技术的特点
调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度,起到了放大作用,又提高了测 量精度. 例:当 W = 0.02mm
辨向光路设置
在相距的位置上设置两个光电元件1和2, 以得到两个相位互差90°的正弦信号
辨向电路
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辨向.
辨 向 电 路 各 点 波 形 图
4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术
未 细 分 与 细 分 的 波 形 比 较
(a) (b)
(2)电阻电桥细分法(矢量和法)
R2 R1 U sc = e1 + e2 R1 + R2 R1 + R2
A sin(θ + α ) U sc = sin α + cos α
用此信号去触发施密特电路
电阻电桥细分法用于10细分
(c)电阻链细分法(电阻分割法)
光栅传感器的结构
光栅传感器由光源,透镜,光栅副(主光栅和 指示光栅)和光电接收元件组成.
光栅传感器光源:
钨丝灯泡: 输出功率较大,工作范围较宽(-40℃到+130℃) 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. 半导体发光器件: 转换效率高,响应特征快速. 如砷化镓发光二极管,与硅光敏三极管相结合,转换效率最 高可达30%左右.砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几 十ns,可以使光源工作在触发状态,从而减小功耗和热耗 散.
实质:用电阻衰减器来进行细分.
等电阻链细分电路 End the 4.5
�
a=b
W = a+b
4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术
莫尔条纹形成原理
横向莫尔条纹的斜率
tan α = tan
θ
2
莫尔Fra Baidu bibliotek纹间距
BH = AB = BC sin
细分技术
提高分辨力方法: 在选择合适的光栅栅距的前提下,以对栅距进行测 微,电子学中称"细分",来得到所需的最小读数值. 细分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.
(1)直接细分
直接细分又称位置细分,常用的细分数为4.四 细分可用4个依次相距的光电元件,在莫尔条纹 的一个周期内将产生4个计数脉冲,实现了四细 分. 优点:对莫尔条纹信号波形要求不严格,电路 简单,可用于静态和动态测量系统. 缺点:光电元件安放困难,细分数不能太高.
θ = 0.00174532rad(0.1'') 时
得 BH = 11.4592mm
莫尔条纹技术的特点
莫尔条纹的移动量,移动方向与光栅的移动量,移动方向具有对应关系. 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用.刻线的局部误差和周期 误差对于精度没有直接的影响. 例如:设 W = 0.02mm ,接收元件为10x10mm的硅光电池,则在接收范围内 将有500条栅线,由此,使得任意栅线的栅距误差或瑕疵,对整个莫尔条纹 的位置和形状影响很小.
光栅副:指示光栅+主光栅
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.
4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术
该光路适用于黑白反射光栅.
4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术
辨向原理
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. 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.
光栅的光路
透射光路 反射光路
(1)透射式光路
1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件
此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅. 特点:结构简单,位置紧凑,调整使用方便,应用广泛.
(2)反射式光路
1反射主光栅 2-指示光栅 3-场镜 4-反射镜 5-聚光镜 6-光源 7-物镜 8-光电电池.
4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术
什么是光栅
在玻璃尺(或金属尺)或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划,得到间隔很小的黑白相 间的条纹,没有刻划的地方透光(或反光),刻划的发黑处不透光(或不反光), 这就是光栅,其中刻线称为栅线. a — 栅线的宽度 b — 缝隙的宽度 W — 光栅的栅距