光栅传感器工作原理 (1)

光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
广州安协立anxieli
0 36 72 108 144
PX
PX P0 P36 P72 P108 P144 P0 P36 P72 P108 P144 P0 P36 P72 P108 P144 P0 P36 P72 P108 P144
广州安协anxieli
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 透镜 光源 主光栅 指示光栅
广州安协立anxieli
光电元件
光栅副 光 路
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构
广州安协立anxieli
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
ub
2、长度的最小分辨率 怎么考虑？
W ?

3、两光电管之间的距 离是多少？怎么调节？
ua ub
1 ( n )W 4
4、怎样得到速度？
思考
1、什么叫正交信号？有什么特点？
广州安协立anxieli
2、光栅产生的莫尔条纹有那些特点？
3、光栅测量位移（大小、方向）的原理。
4、拟对一位移量进行测量，试给出测量方案， 并说明其道理。
9 8 9 8 .1 2 3 4
mm
x n W
总细分数
打印
其它处理 例：一光栅数显系统，选用100 线 m m 的 光栅栅距 光栅传感器，电子处理系统的电阻链细分数 W 1 为25，后接 4 细分判向电路。问该系统的光
100
m m 0.01m m
脉冲当量、最小分辨率均为 栅栅距是多少？脉冲当量和最小分辨率分别 1 mm 0.0001mm 100 25 4 是多少？当光栅移动了 个栅距时，显示 118 3 4 显示数为 数应该是多少？ 3 118 100 0.0001mm 1.1875mm 4
光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
广州安协立anxieli
被 莫 测 尔 正 物 通过光栅 条 通过光电 弦 整 形 体 转 换 纹 元件转移 波 转 换 位 移 移 动
方 逻辑电压 脉 波 转 换 冲
故
被测物体位移＝栅距×脉冲数
光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
广州安协立anxieli
计量光栅 圆光栅 用于角度测量 透射式光栅 按光的走向 反射式光栅 按栅线的形式
径向光栅 切向光栅 环形光栅
黑白光栅（幅值光栅） 闪耀光栅（相位光栅）
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 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 )
莫尔条纹（Moire）的特性
广州安协立anxieli
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 →方向对应 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 可调性：夹角θ↓ → 条纹间距B↑ → 灵活 准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度
2.7 K u
ui
o
ui
uR
cos x
uo
ui
uR
10 K
L M 339 电压比较器
电压比较器 正弦信号通过电压比较器，整形为同周期的方波信号。
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
0 18 36 54 72 90 108 126 144 162
得到十路方波信号，其相位依次相差1 8
74LS86异或门
光栅传感器的测量电路
四细分、判向逻辑 小结：
广州安协立anxieli
PX
PY
W
光栅 相对位移 莫尔条纹 正交 正弦信号 五细分 正交 方波信号
细分后的一个方波信号 是原正弦信号按相位等分的 五分一，因此，分辨率提高 了五倍。 细分后的方波信号仍是 一对正交方波信号。
光栅传感器的测量电路
光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
光栅传感器特点 精度高： 测长±(0.2+2×10-6L)μm， 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
四细分、判向逻辑 关于正交方波信号的讨论： 正交方波信号
广州安协立anxieli
源自文库
位移方向信息： 正向移动时，A超前B；
A B
1
1
0
0
反向移动时，B超前A。 位移大小信息：
0
1
1
0
2 x 。 相位 W
结论： 正交方波信号的状态变化规律为： 正向时00、10、11、01而反向时相反 一个方波状态改变四次
正弦差分信号
余弦差分信号 得到一对相位相差

2
的正交差分信号
光栅传感器的测量电路
信号放大
广州安协立anxieli
R1
C1
－ C1 ＋
R1
uo
uo
sin x
R2
uR R 2
uR
－ C ＋ 2
C2
cos x

可得到相位差分别为 0 ， ， 的正弦信号 2
光栅传感器的测量电路
位移信号
广州安协立anxieli
正交方波信号的状态变化规律： 10 正向移动时 00 01 11 反向移动时
光栅传感器的测量电路
四细分、判向逻辑 正交方波信号 四细分：
广州安协立anxieli
A B
1
0
1
1
0
1
0
0
一个方波内状态改变四次， 记录下状态改变的次数，则一个 方波又按相位被细分为四等分。 判向： 根据当前时刻和前一时刻的 状态，可以判断出位移的方向。
cos x
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换 标尺光栅 假如移动了一个栅距 W 指示光栅
s in x 得到四个信号： s in x
广州安协立anxieli
s in x
cos x
s in x
cos x cos x cos x
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
广州安协立anxieli
2 ua u p u P P sin( x ) W
u a 和 ub 一对正交位移信号：
位移的方向： 正向时u a 超前ub 反向时ub 超前u a
up
u p p
2 ub u p u P P cos( x ) W
x 位移的大小：
可见位移大小的 信息包含在信号的 相位中。
因此，在整个位移过程中，我们只要记录下信号状态的 变化次数，并在正向时做加计数，反向时做减计数。可得
x n W
(5 4 )
x－ 位移长度； n － 总计数值； W － 栅距； W ( 5 4 ) 脉冲当量
光栅传感器的测量电路
结果显示、打印 位移长度： 显示
广州安协立anxieli
光栅传感器的应用
广州安协立anxieli
光栅传感器的应用
广州安协立anxieli
高速冲床上，下安装光栅传感器
光栅传感器的应用
思考与讨论：
广州安协立anxieli
问题：怎样制作一个简易的长度、角度、速度测量系统？
ua
ua
1、角度的最小最少分 辨率约是多少？
360

ub
(10 4)
9
up
u p p
光栅传感器的测量电路
电阻链细分电路 设 up
广州安协立anxieli
uo
0 ， up p Um 。则
ua U m sin x U m sin
ub U m sin( x ) U m cos 2 ub u
u
o
a

R2 (u a u b ) u b R1 R2 R1u b R2 u a R1 R2 R1 R2 R1 R2 Um cos Um sin R1 R2 R1 R2
R1 arctan R2
光栅传感器的测量电路
五细分电路
广州安协立anxieli
sin
56 K 33K 18 K
0
0 18 36 54 72 90 108 126 144 162
24 K
10 5 3 10
2 5 2 3 5 7 10 4 5 9 10
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的工作原理 莫尔条纹的形成
广州安协立anxieli
+
位移
正弦波
莫尔条纹（Moire）
主光栅 指示光栅 均匀刻线 夹角
广州安协立anxieli
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度：
B
W

W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b ，a=b=W/2 特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹
光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻
线均匀、相间排列而成的光电器件。 透射式 20线-150线/mm
W
W
反射式
25线-50线/mm
W 为光栅常数，也称光栅栅距。
光栅的分类
按用途分
广州安协立anxieli
物理光栅 利用光的衍射现象，主要用于光谱分 析、光波长测量。 计量光栅 利用莫尔条纹现象，主要用于长度、 角度、速度、加速度、振动等物理量 的测量。 长光栅 用于长度测量
光栅传感器的测量电路 信号
广州安协立anxieli 方波信号
信 号 转 换
放 大
细 分
整 形
四 倍 频 、 判 向
加 减 计 数
数字信号
正弦(余弦)信号 各种接口
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换 W
广州安协立anxieli
s in x
cos x
sin x
n1W 1 4 W n2W 2 4 W n3W 3 4 W
P18 P54 P90 P126 P162
得到五细分（倍频）后的 PX ，PY 正交方波。
光栅传感器的测量电路
五细分电路实现：
广州安协立anxieli
注：异或门74LS86：
P36 P108 P0 P18 P162 P90
P54 P126 P72 P144
1 3 2 5 6 4
P0 P36 P72 P108 P144
72
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
广州安协立anxieli
18 54 90 126 162
PY
PY P18 P54 P90 P126 P162 P18 P54 P90 P126 P162 P18 P54 P90 P126 P162 P18 P54 P90 P126 P162
广州安协立电子科技有限公司
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
广州安协立anxieli
传 感 器
放 大 器
细 分 电 路
整 形 电 路
细 分 电 路
脉冲 当量 变 换 电 路
计 数 器
寄 存 器
计 算 机
显示 执行 机 构
辨向电路
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
光栅数字式传感器
13 11 12 9 8 10
真值表：
74LS86异或门
9 8 10 13 11 12 2 5 1 3 4 6
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 1 1 0
Y AB AB
A
B
Y
PY PX
PY (( P18 P162 ) P90 ) ( P54 P126 ) PX (( P36 P108 ) P0 ) ( P72 P144 )
18 K
24 K
56 K
33K
cos
24 K
33K 56 K 18 K
33K
24 K
18 K
56 K
sin
光栅传感器的测量电路
信号整形
广州安协立anxieli
5V
ui uR
sin x
10 K 10 K 10 K
13 p 13 p
2.7K 5 V 1 .2 M
ui ui uR
＋ 1 .2 M － ＋ L M 33 9 －
Um sin cos Um cos sin
R1
R2
ub
ua
' Um sin( )
uo
注：
R R
2 1 2 2
U
' m

R 12 R 22 U R1 R 2
R R
2 1 2
m
cos
R R
2 2
R1
s in R
R1
2 1 2 2
R2