光栅式位移传感器课程设计

湖南科技大学课程设计题目：光栅式位移传感器结构及其电路设计
***名：**
学号： **********
班级： 10-03
专业：测控技术与仪器
指导教师：杨书仪余以道
课程设计时间：2013年6月
一．绪论
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

这次课程设计选用的题目为光栅式位移传感器，光栅式位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。

其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。

光栅式位移传感器在现代工业中的作用是十分巨大的，不仅进一步完善了代加工工业的精度，同时也提高了其工作效率。

随着国内加工业、制造业等工业越来越成熟，对加工的精度要求也日益提高。

因此，越来越多的企业选择在各种机床上安装光栅式位移传感器，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等。

其工作环境相对来说并不很苛刻，操作也很简单。

二．光栅式位移传感器的基本原理
光栅式位移传感器的基本原理是两片光栅，主光栅和副光栅之间存在一偏角a，当两主副光栅发生横向相对运动时，光栅面上出现纵向移动的亮条纹。

在光栅面的两侧分别加上光源和光敏元件（包括硅光电池，光电二极管，光电三极管等。

）光源发出通过透镜产生一簇平行光照射在副光栅上，主光栅移动时，光源产生的平行光部分透过两光栅之间的缝隙而产生亮纹，这时光敏器件接受光源的照射使光敏器件的电阻的阻值发生变化。

从而在外部的测控电路中的电流或电压值发生变化，再根据电量的输出判断亮纹出现的个数。

根据亮纹个数和主光栅位移的关系科技计算主光栅的位移量。

莫尔条纹简介：是18 世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。

从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的条纹，这种光学现象就是莫尔条纹。

光栅式位移传感器分为透射式和反射式光栅位移传感器两种。

此次课程设计就透射式光栅位移传感器进行设计研究。

1.莫尔条纹的几何光学原理
对于栅距较大的黑白光栅，莫尔条纹的形成可以近似的看做是两块光栅的栅线的相互挡光作用的结果。

光线在均匀透明的介质中是按直线传播的。

在a-a 线上的两个山栅线相互重叠，光线透过间隙形成亮带。

而在b-b 线相互遮挡就形成了暗帯。

由以上光学图像可知长光栅的条纹斜率为
θθαcot )cos 1(tan 12w w -
= 个条纹间距为
θθθcos 2)(cos sin 212221212
1222
w w w w w w w w w B -+=-+=
莫尔条纹具有如下特点：
（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。

主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。

因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。

（2）莫尔条纹具有位移放大作用
当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。

当两个光栅刻线夹角θ较小时，由式（12.1.1）可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/ θ倍。

例如，对50条/mm的光栅，W=0.02mm，若取，则莫尔条纹间距，K=573，相当于将栅距放大了573倍。

因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。

（3）莫尔条纹具有误差平均效应
莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。

因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。

（4）莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化
由于光栅刻线夹角θ可以调节，因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距，这给实际应用带来了方便。

当两光栅的相对移动方向不变时，改变θ的方向，则莫尔条纹的移动方向改变。

三．总体设计方案的确定
总体的设计方案如上，利用光栅产生莫尔条纹的这一现象在主光栅发生移动时，在特定光源的作用下产生莫尔条纹，在光栅的另一侧置一光敏元件，感受光强变化，从而改变光敏元件的电阻值，光电转换电路中产生周期变化的信号。

转换电路的设计方案：
1.简单一点来说检测输出信号为模拟信号，将信号放大，滤波。

用示波器显示模拟信号。

信号大致为一类似正余弦的图像，通过数波峰个数来大致确定产生的亮条纹的个数。

再乘以栅距就的主光栅的位移。

主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件，将光信号转换成电信号。

在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图12.1.4所示。

在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。

光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。

光电器件的输出电压可用公式表示为
式中——输出信号中的直流分量；
——输出信号中的交流分量幅值；
x——两光栅的相对位移。

通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应，因此光栅的位移为
2.细分电路
光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。

但是，在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用两种方法实现：1）增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制。

2）采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨力提高到。

细分的方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等。

下面介绍常用的直接细分方法。

直接细分又称位置细分，常用细分数为4，因此也称为四倍频细分。

图12.1.7给出了一种四倍频细分电路及其波形。

在上述辨向电路的基础上，将获得的两个相位相差90º的正弦信号分别整形和反相，就可得到4个相位依次为0°(S)、90º(C)、180º()、270º()的方波信号，经RC微分电路后就可在光栅移动一个栅距时，得到均匀分布的4个计数脉冲，再送到可逆计数器进行加法或减法计数，这样可将分辩率提高4倍。

四倍频细分的优点是电路简单，对莫尔条纹信号的波形无严格要求，其缺点是细分数不高。

采用电桥细分、调制信号细分、锁相细分等可有效提高细分数，有关细分电路请参阅其他资料。

光栅数字传感器的应用
光栅数字传感器具有测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态特性好，适合于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。

但是光栅在工业现场使用时，对工作环境要求较高，不能承受大的冲击和振动，要求密封，以防止尘埃、油污和铁屑等的污染，成本较高。

四．传感器各部分器件的选择
光栅式位移传感器的主要由照明系统，光栅，以及光电接受系统组成。

1.照明系统的选择：光栅是位移传感器的光源有单色光和普通光源两种。

对于栅距较小的光栅，单色性不好会降低莫尔条纹的反差。

栅距较大的光栅的黑白光栅常用普通白炽电灯照明。

2.光栅的选择：主光栅材质有玻璃和金属两种。

栅线的宽度略大于缝宽。

但不大于0.55W 。

指示光栅用光学玻璃制作，和主光栅的栅距相等。

3.光电元件的选择：硅光电池或者光电二极管或者光电三极管。

五．误差分析
误差的分析可以从由光栅式位移传感器的各个部分来分析。

光源部分：光源对整个传感器系统的误差主要来源于栅距不同时，光栅对光的特性好坏来确定的。

在本次传感器这几种的光源部分产生的影响是可以忽略的。

光栅部分：由计算公式有
θθθcos 2)(cos sin 212
22
12
12
1
22
2
w w w w w w w w
w B -+=
-+=
可见这部分应该是整个系统中出现的误差的主要来源。

包括光栅片材质的选择使的光栅片对各种光的特性不一。

第二个是栅距的选择，栅距大，莫尔条纹反差大，信号强，光栅副间歇变化的影响小，而且光栅片容易刻画，成本低，光路简单。

但是分辨率低，要求电子细分倍数大，电路复杂。

栅距小时，其结果则相反。

第三个，因为光栅片上刻画的栅线的距离是很小的，且刻画时是很难保证各个栅线之间的距离是完全保持相等的，主副光栅之间的夹角 也是难以精确测量的，所以也会带来误差。

第四个，就是光电接受电路系统中的误差，转换电路设计时，因为水平问题，以及没能预测到的电路设计时线路之间的寄生电容，电感的影响。

六．说明书
光栅线位移传感器概述
开放式光栅线位移传感器为高精度型，输出波形为正弦波，主要用于精密仪器的数字化的改造，最高分辨率可达0.1um；封闭式光栅线位移传感器则主要用于普通机床、仪器的数字化改造，输出的波形为方波，按外形可分为小型尺和标准尺，其中标准型最长可做到3000mm，分辨率有1um、5um。

光栅线位移传感器结构
开放式光栅线位移传感器的标尺光栅裸露在外，微型发光器件和接收器件都装在传感头里。

开放式光栅线位移传感器的精度较高，要求的工作环境条件高，通常运用于精密仪器及使用条件较好的数控设备上。

封闭式光栅线位移传感器则是发光器件、光电转换器件和光栅尺封装在紧固的铝合金型材里，其中发光器件采用红外发光二极管、光电转换器件采用光电三极管，在铝合金型材下部有柔性的密封胶条，可以防止铁屑、切屑和冷却剂等污染物进入尺体中。

电气连接线经过缓冲电路进入传感头，然后再通过能防止干扰的电缆线送进光栅数显表，显示位移的变化。

光栅线位移传感器工作原理
光栅位移传感器，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。

经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入示波器显示波形。

光栅线位移传感器参数
光栅线位移传感器的安装
光栅线位移传感的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位，一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。

开放式光栅线位移传感器的安装必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。

如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。

一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。

光栅线位移传感器常见故障及判断
1.接电源后数显表无显示
可检查电源线是否断线，插头接触是否良好；数显表电源保险丝是否熔断；供电电压是否符合要求。

2.数显表不计数
可检查传感器电缆有无断线、破损或将传感器插头换至另一台数显表，若传感器能正常工作说明原数显表有问题。

3.数显表间断计数
可检查光栅尺安装是否正确，光栅尺所有固定螺钉是否松动，光栅尺是否被污染；插头与插座是否接触良好；光栅尺移动时是否与其他部件刮碰、摩擦；机床导轨运动副精度是否过低，造成光栅工作间隙变化。

4.数显表显示报警
检查有无接光栅传感器；光栅传感器是否移动速度过快；光栅尺是否被污染。

5.光栅传感器移动后只有末位显示器闪烁
检查A或B相是否无信号或只有一相信号；是否有一路信号线不通；是否光敏三极管损坏。

6.移动光栅传感器只有一个方向计数，而另一个方向不计数（即单方向计数）
可检查是否光栅传感器A、B信号输出短路；光栅传感器A、B信号移相不正确；数显表有故障。

7.读数头移动发出吱吱声或移动困难
检查是否密封胶条有裂口；指示光栅脱落，标尺光栅严重接触摩擦；下滑体滚珠脱落；上滑体严重变形。

8.新光栅传感器安装后，其显示值不准
检查是否安装基面不符合要求；光栅尺尺体和读数头安装不合要求；严重碰撞使光栅副位置变化。

七.参考文献
【1】唐文彦传感器第3版机械工业出版社
【2】杨裕根诸世敏现代工程图学第3版北京邮电大学出版社【3】周知进赵又红机械设计基础中南大学出版社
【4】李小坚赵山林冯晓君龙怀冰protel DXP 电路设计第2版
人民邮电出版社
【5】张国雄李醒飞测控电路第4版机械工业出版社【6】张宏润传感器技术大全北京航空航天大学出版社【7】樊尚春传感器技术及应用北京航空航天大学出版社
目录
第一章绪论 (1)
第二章光栅位移传感器的基本理论 (2)
第三章总体设计 (5)
第四章传感器各部分器件的选
择 (10)
第五章误差分析 (11)
第六章说明书 (12)
第七章参考文献 (16)。