光栅式传感器

第五节光栅传感器一、光栅的种类和结构二、光栅传感器的构成三、莫尔条纹的形成原理及特点四、莫尔条纹测量位移五、细分技术六、辨向技术光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以及精密测量方面，测量精度可达几微米。只要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、振动、变形等，均可测量。一、光栅的类型和结构光栅透射式光栅反射式光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹。光栅长光栅圆光栅测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长测量角位移的光栅为圆形1、光栅的类型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2、光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆长光栅圆光栅通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。3、栅距黑白透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多明暗相间，宽度相同的透光线，称为栅线。设栅线宽为a，线间缝宽为b，a+b=W称为光栅节距(栅距)。4、光栅副：指示光栅＋主光栅二、光栅传感器的构成对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。光栅传感器结构为：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。如图5-5-1所示。图5-5-1光栅传感器的组成三、莫尔条纹的形成原理及特点当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角θ时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹。1、莫尔条纹的形成原理图5-5-2莫尔条纹B2、莫尔条纹的宽度（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）2sin2/BW2sin2/WB22sinWB则有设a=b=W/2，则所以，当θ很小时，3、莫尔条纹的特点1）莫尔条纹的移动方向与光栅夹角有对应关系当主光栅沿栅线垂直方向移动时，莫尔条纹沿着夹角θ平分线（近似平行于栅线）方向移动表5-1莫尔条纹和光栅移动方向与夹角转向之间的关系标尺光栅相对指示光栅的转角方向标尺光栅移动方向莫尔条纹移动方向顺时针方向向左向上向右向下逆时针方向向左向下向右向上2）光学放大作用由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ较小时，可使θ1，则BW。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝＝0.00029rad，则：B=0.01/0.00029≈3.44mm，放大344倍。01放大倍数可通过改变θ角连续变化，从而获得任意粗细的莫尔条纹，即光栅具有连续变倍的作用。3）均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。四、莫尔条纹测量位移光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。由于光栅的遮光作用，透过光栅的光强随莫尔条纹的移动而变化，变化规律接近于一直流信号和一交流信号的叠加。固定在指示光栅一侧的光电转换元件的输出，可以用光栅位移量X的正弦函数表示，如图5-5-3所示。只要测量波形变化的周期数N（等于莫尔条纹移动数）就可知道光栅的位移量X，其数学表达式为图5-5-3光电元件输出与光栅位移的关系X=N·W在实际装置中常将光源、计量光栅、光电转换和前置放大组合在一起构成传感器（光栅读数头）；将具有细分辨向的差补器、计数器和由步进电机、打印机或绘图机等组成的受控装置装在一个箱内，常称为数字显示器。计量光栅光电转换前置放大光源细分辨向受控装置计数传感器数字显示器3自由度光栅数显表安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部五、细分技术当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分.例如100线光栅的W=0.01mm，若n=4，则分辨率可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后计数脉冲提高了n倍，因此也称之为n倍频。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。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。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。如图5-5-4所示。图5-5-4四细分图5-5-5光栅传感器电流型输出信号(a)正弦信号;(b)整形后的信号;(c)5倍频处理后的信号六、辨向技术如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。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。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。上一页下一页返回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。