传感器第六章

这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。
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径向光栅进行角度测量
当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动， 测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。
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（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。
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（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。
该光路适用于黑白反射光栅。
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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。
C 2
i 1 i
n
i 1
1
（3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(j<K)应同时变化。
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二进制码盘的粗大误差及消除

要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘 制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只 要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输 出的粗大误差。

消除粗大误差方法：
器得到足够的信号输出以防干扰的影响。
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莫尔条纹形成的原理
横向莫尔条纹的斜率
tan tan

2
Baidu Nhomakorabea
莫尔条纹间距
BH AB BC sin

2

W 2 sin

2

W

莫尔条纹的宽度BH由 光栅常数与光栅夹角决定
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莫尔条纹技术的特点
（1）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。 （2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。 （3）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。 因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。
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数字式传感器
1 工作原理
码盘式传感器
2 码盘和码制 3 二进制码与循环码的转换 4应 用
1 光栅传感器的结构
2 莫尔条纹形成的原理
光栅式传感器
3 莫尔条纹技术的特点
4 光栅的光路
5 辨向原理
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工作原理

用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示 的电信号的转换部件。
(b)串行变换电路
循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码
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应用
光学码盘测角仪的原理图 1－光源 2－大孔径非球面聚光镜 3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
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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。
。
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光栅副：指示光栅＋主光栅
a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数） 通常情况下，a=b=W/2
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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
1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件
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码盘和码制
6 位 二 进 制 码 盘
根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关
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二进制码盘主要特点：
（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其 容量为2n ， 其最小分辨力θ1 ＝3600 ／2n ，它的最外圈角 节距为2θ1； （2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应于由零 位算起的转角为：
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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。
双读数头法，循环码代替二进制码 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。 当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有 困难。
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(a) 四位二进制码盘展开图 (b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图
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六 位 的 循 环 码 码 盘
(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码； (2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同； (3)循环码为无权码； (4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化， 不会产生粗误差。
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二进制码与循环码的转换
4位二进制码与循环码的对照表
C n Rn Ci Ci 1 Ri Ri Ci 1 Ci
不同为1 相同为0
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二进制码转换为循环码的电路
(a) 并行变换电路
(b)串行变换电路
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循环码转变为二进制码的电路
(a) 并行变换电路
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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
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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。
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辨 向 电 路 各 点 波 形 图