数字式传感器

现代建筑装饰
现代防伪印刷技术
莫尔条纹演示
两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之 间的夹角为 时，光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块 光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗 带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的 条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。
莫尔条纹有如下几个重要特性: （1）消除光栅刻线的不均匀误差 • 由于光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收到 的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内 许多刻线的综合结果,几条刻线的栅距误差或断 裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。 因此它 对光栅尺的栅距误差有平均效应，这有利于提 高光栅的测量精度。 • 例：W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2,在 10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻 线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。
（2）位移的放大特性 • 当光栅每移动一个光栅距W时，莫尔条纹也跟 着移动一个条纹宽度B。
W W B sin
放大倍数：K
1

举例： 一直线光栅，每毫米刻线数为50条， W=1/ 50= 0.02mm ， （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 主光栅与指示光栅的夹角 =0.1，则： =0.1 = 0.1×2π/360 =0.00175432rad B ≈W/θ =11.4592mm （由于B较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。）
（3）移动特性 • 莫尔条纹随光栅尺的移动而移动，它们之间有 严格的对应关系，包括移动方向和位移量。移 动一个栅距W，莫尔条纹也移动一个间距B。 （4）光强与位置关系 • 两块光栅相对移动时，从固定点观察到莫尔条 纹光强的变化近似为余弦波形变化。光栅移动 一个栅距W，光强变化一个周期。
图9-5 光电元件输出信号
9.1.3 光栅数显表
• 光栅数显表由整形放大电路、细分电路、 辨向电路及数字显示电路等组成。
三座标数显表
•
光栅数显装置的结构示意图和电路原理框 图如图9-7所示。图中各环节的典型电路及工作 原理上面已经介绍过。在实际应用中对于不带 微处理器的光栅数显装置，完成有关功能的电 路往往由一些大规模集成电路（IS）芯片来实 现，这套芯片共分三片，另外再配两片驱动器 和少量的电阻、电容，即可组成一台光栅数显 表。
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
2.光栅的结构： （以玻璃透射式直线光栅为例） 组成：光栅尺、光栅读数头 直线光栅包括一长和一短两块配套使用，长的 称为标尺光栅，要求与行程等长。通常光栅长度为 1m，行程大于1m时，需要将光栅接长。短的为指 示光栅。 安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上 （如工作台上或丝杠上）光栅读数头安装在机床固 定部件上（如机床底座上）。指示光栅装在光栅读 数头中。
金属反射光栅
1）光栅尺
图9-1 光栅尺 1—标尺光栅；2—指示光栅
测量时两光栅尺相互平行放置，并保持0.05～ 0.1mm的间隙。
图9-2 光栅线纹
两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片， 线纹密度为25、50、100、250条/mm等。 线纹之间距离相等，该间距称为栅距。
2）光栅读数头
• 光栅读数头组成：由光源、透镜、指示光栅、 光敏元件和驱动线路组成。 • 常见结构（按光路分）：分光读数头、垂直入 射读数头、反射读数头。 • 作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。
ห้องสมุดไป่ตู้
直线光栅： 玻璃透射光栅是在玻璃的表面上涂上一层均 匀的感光材料或金属镀膜，用照相腐蚀等方法制 成透明与不透明间隔相等的线纹。 特点： √光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光 信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单； √每毫米上线纹数多，一般为100、125、250条 /mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。
工作台
光栅在机床上的安装位置
图为 利用光栅 传感器测 量数控机 床工作台 位移量的 现场照片。
工作台运动方向
光栅
光栅在机床上的安装位置
9.1.1 光栅的类型与结构
1.光栅的种类：
按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光 栅检测线位移，圆光栅测量角位移。 直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反 射光栅。透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精 度可达1μm以上。 本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线 光栅。
（a）
（b ）
图9-7 光栅数显装置 （a）结构示意；（b）电路原理 1—读数头；2—壳体；3—发光接受线路板； 4—指示光栅座；5—指示光栅； 6—光栅刻线；7—光栅尺；8—标尺光栅
图9-3 垂直入射光栅读数头结构 1-光源；2-透镜；3-标尺光栅；4-光敏元件；5-驱动线路；6-指示光栅
9.1.2 光栅传感器的工作原理
• 光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条 纹是指两块光栅叠合时，出现光的明暗相间的条 纹。
• 莫尔条纹 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，只能看到干涉的花纹，这种光学现 象就是莫尔条纹。
玻璃透射光栅
金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用 照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线；常用 的线纹数为4、10、25、40、50条/mm，分辨率低。 特点： √标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料 一致； √标尺光栅的安装和调整比较方便； √安装面积较小； √易于接长或制成整根的钢带长光栅； √不易碰碎。
本章内容
9.1 光栅传感器
9.2 编码器
9.3 感应同步器
学习目标
• 了解光栅的原理、结构和细分、辨向技术。 • 掌握绝对式和增量式编码器的原理、分辨力。 • 掌握感应同步器的原理、结构和信号处理方 式。
9.1 光栅传感器
通常意义上讲，光栅按用途分有两大类： 物理光栅（衍射光栅）：200～500条/㎜，栅 距0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理， 用于光谱分析和光波波长的测定。 计量光栅：25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、 250条/㎜等，栅距0.004～0.25㎜，主要是利用光 的透射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。