光栅传感器与光电编码器

光栅式传感器基本工作原理和计量光栅的种类莫尔条纹辨向原理及细分电路基本工作原理和计量光栅的种类一、基本工作原理光栅栅线放大图二、光栅的种类：光栅的种类很多，若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。计量光栅的分类黑白透射长光栅光栅传感器的构成原理图莫尔条纹横向莫尔条纹相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。长光栅横向模尔条纹从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫尔条纹间距B为:由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。当θ＝0、B＝∞时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故将这种条纹称为光闸莫尔条纹。WWB2sin2横向莫尔条纹重要特性:①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系②莫尔条纹具有位移放大作用③莫尔条纹具有平均光栅误差作用辨向原理和细分电路一、辨向原理在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别光栅的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，并将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务的电路就是辨向电路。)22sin(0WxUUum用正弦函数表示为：式中，u为光电元件输出电压，U0为输出信号中的平均直流分量，Um为输出信号中正弦交流分量的幅值。B3600θ0USCAUSCB4321光栅信号的实际输出电路辨向电路原理框图sinθcosθ[A][A][B]AAY1=A*[B]Y2=A*[B]取样整形微分Y1取样整形反相微分Y2Y1：“加脉冲”，当光栅正向移动时输出脉冲信号。此时Y2门堵塞。Y2：“减脉冲”，当光栅反向移动时输出脉冲信号。此时Y1门堵塞。光栅移动时辨向电路各点波形sinθcosθsinθ-cosθ[A][A][A][A]AAAA[B][B]Y1Y2Y2Y1a)正向移动b)反向移动依次相距B／4的位置安放四个光电元件辨向原理和细分电路二、细分电路以移动过的莫尔条纹数量来确定位移量，能测量的最小位移量就是光栅栅距。为了提高分辨率，以测量小于栅距的位移量，应采用细分技术。光栅信号细分技术主要有光学细分、电子细分和微机软件细分方式。光学细分由于结构复杂、调试困难、成本高等原因，已很少使用。而电子细分的原理是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲，就可使分辨率为原来的n倍，每个脉冲当量相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率为原来的n倍，所以也称为n倍频。细分与未细分的比较注意：在电子细分技术中，常采用四倍频细分法，这种细分法也是许多其他细分法的基础。四倍频细分电路电阻桥细分电路电子细分不可能得到高的细分数，且细分数是固定的，所以现在大多数光栅数显表都采用了微机软件细分法。计算机软件细分光栅信号的计算机软件细分技术是目前应用较为广泛、也比较成熟的细分技术。软件细分法一般是：将二个相差π/2的信号通过A/D转换输入微机，再利用一定的算法计算出莫尔信号的相位，即可推算出此时莫尔条纹内的位置点，得到小于栅距的细分值，又称小数。通过辨向电路输出的为大数脉冲，脉冲频率对应于莫尔条纹变化频率，脉冲当量为光栅栅距值。大数计数、辩向电路A/D转换、采样/保持电路sinθcosθ大、小数合并细分程序（计算）显示测量值大数脉冲（主脉冲）方向信号计算结果（细分值）光栅信号微机软件细分原理图经过大小数合并处理后，再由微机进行数值计算和码制转换等处理，即可得到测量值。采用微机软件细分方法，不但可以得到高细分数，而且可以通过编程改变细分数、结构简单、成本低、可靠性高，非常适用于智能检测与控制等系统。光电编码器编码器概述-编码器是将位移量转换成以数字代码形式输出的传感器，这类传感器的种类很多，按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器，直线式编码器又称为编码尺，旋转式编码器又称为编码盘。编码尺和编码盘可以分别用于直线位移和角位移的测量，但由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的，因此旋转式编码器应用更为广泛。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而广泛用于各种位移测量。光电式编码器具有非接触、体积小、分辨率高的特点，作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用，为科学研究、军事、航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段。光电式编码器光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成，其基本结构如图所示。旋转式编码器又分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准才能完成角位移测量。绝对式编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定的数字码输出。码盘一般由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。码盘构造如图所示，这是一个6位的二进制码盘。当光源将光投射在转动的码盘上时，光线透过亮区和狭缝后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者有光照或光照为强，数码输出为“1”，后者无光照或光照为弱，数码输出为“0”。所以，当码盘旋转至不同的位置时，光敏元件输出信号的组合将反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。实际应用中，较少采用二进制编码器，因为这种传感器的任何微小的制作误差都可能引起读数的粗误差。主要是当二进制码在某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码需要同时改变，即造成编码在一些位置的变化时光电接收元件输出信号发生陡变。如果由于刻划误差等原因，使得某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。为了清除粗误差，可采用相邻位置的编码无陡变的形式。常用循环码来代替二进制码，如图所示为一个6位的循环码码盘。十进制数二进制循环码十进制数二进制循环码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000循环码是一种无权码，这给译码造成一定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为：式中，R为循环码；C为二进制码。根据上式，可以用与非门构成循环码/二进制码转换电路。这种转换电路所用元件是比较多的，如采用存储器芯片或软件编程方式可以方便地实现循环码到二进制码的转换。1iiiCRC