光栅传感器

4.5光栅传感器光栅作为一种光学器件，很早就有，但早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长测量，直到了近代才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，它的突出特点是精度非常高，分辨力特别强（长度可达0.05µ，角度可达0.1″），所以广泛应用于精密加工，光学加工，大规模集成电路的设计、检测等方面,尤其是目前军事领域。光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。栅线——光栅上的刻线，宽度a缝隙宽度b栅距w=a+b（也称光栅常数）光栅的结构按原理和用途：物理光栅和计量光栅物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。分类按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料按应用类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移构成：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)圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.wab放大(a)长光栅(b)圆光栅放大wab栅距栅线宽度缝隙宽度栅距角圆光栅分类：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：径向光栅:其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅:其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切;环形光栅:一簇等间距同心圆组成.若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。(a)径向光栅(b)切向光栅(c)环形光栅按栅线形式：黑白光栅和闪耀光栅黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。4.5.1光栅传感器的结构光栅副主光栅和指示光栅之间的距离d可根据光栅的栅距来选择。主光栅和指示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅的精度决定了整个装置的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，主要有光电池和光敏晶体管。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，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。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尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆防尘保护罩的内部为长栅光栅的外形及结构光栅的外形及结构扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆4.5.2.莫尔条纹的形成当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角θ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暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。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”长光栅横向莫尔条纹2sin2WWB相邻两条莫尔条纹间距B与栅距W及两光栅夹角θ的关系为：莫尔条纹演示主光栅指示光栅莫尔条纹移动均匀刻线夹角明暗相间条纹横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角θ很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0，且两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。光闸莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0,且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。横向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹4.5.3莫尔条纹的特征1.位移放大作用2sin2WWB相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系为：wababaababaBw21B1WBBkW结论：θ越小,k越大，B越大。例如：θ=0.1°，W=0.02mm时θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad则：B=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：2.可以进行细分，提高精度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.误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,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。能在很大程度上消除短周期误差的影响。（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。4.5.4光栅的光路光源1发出光线→准直透镜2→平行光束→光栅副3、4→光电元件5接收透射式长光栅透射式圆光栅固定（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。光源6→聚集透镜5→场镜3→平行光呈某角度照射反射光栅副1、2上→反射镜4→物镜7→光电池8。反射式光栅4.5.5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。辨向光路设置在相距1/4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。辨向电路各点波形图2u是元件1输出的波形，超前90°是元件2输出的波形；是波经整形放大后的脉冲方波；是波形经整形放大后的脉冲方波，仍超前90°；是反相后得到的脉冲方波；是经微分电路后得到的脉冲波；是经微分电路后得到的脉冲波1u2u2u2u2u1u1u2u1u1u1u1uwu1wu1对于“与门”：当高电平时，总是处于低电平，所以输出为零（0）对于“与门”：当高电平时,总是处于高电平，所以输出为高（1）此时触发器：置“1”，→（控制）“可逆计数器”作加法计数1y2ywu12u1ywu12u2y4.5.6细分技术目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。细分方法：1.增加光栅刻线密度；2.电子细分；3.机械和光学细分。每个输出脉冲间隔代表一个栅距电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n个脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频法。通常采用的电子细分方法有：直接细分和电阻电桥细分、电阻链细分等。1.直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。四倍频细分方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，得到四个相差依次为π/2的电压信号；或在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差π/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相差π/2的电压信号。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。相距B/4放置四个光电元件采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。细分前后比较4.5.7光栅传感器的应用由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。例:光栅式万能测长仪光源：红外发光二极管主光栅：透射式黑白振幅光栅；指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为π/2的原始信号；光电元件：光电三极管四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。光栅应用光栅应用光栅应用光栅应用光栅应用光栅应用光栅应用长度计光栅传感器的应用优点：测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态性能好，适合非接触动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。缺点：对工作环境要求较高，不能承受大冲击和振动，要求密封，防止尘埃、油污、铁屑的污染，成本高。数显表光栅传感器的应用