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1、返回總目錄第2章新型傳感器原理及應用光柵數字傳感器本章內容光柵數字傳感器P27光柵傳感器實際上是光電傳感器的一個特殊應用。由于光柵測量具有結構簡單、測量精度高、易于實現自動化和數字化等優(yōu)點,因而得到了廣泛的應用。一.光柵的結構和類型光柵主要由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。通常,標尺光柵固定在活動部件上,如機床的工作臺或絲桿上。光柵讀數頭則安裝在固定部件上,如機床的底座上。當活動部件移動時,讀數頭和標尺光柵也就隨之做相對的移動。1.光柵尺標尺光柵和光柵讀數頭中的指示光柵構成光柵尺,如圖5.26所示,其中長的一塊為標尺光柵,短的一塊為指
2、示光柵。兩光柵上均勻地刻有相互平行、透光和不透光相間的線紋,這些線紋與兩光柵相對運動的方向垂直。從圖上光柵尺線紋的局部放大部分來看,白的部分b為透光線紋寬度,黑的部分a為不透光線紋寬度,設柵距為W,則W=a+b,一般光柵尺的透光線紋和不透光線紋寬度是相等的,即a=b。常見長光柵的線紋寬度為(25,50,100,125,250)線/mm。光柵數字傳感器圖5.26光柵尺光柵數字傳感器2.光柵讀數頭光柵讀數頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅動線路組成,如圖5.27(a)所示。光柵讀數頭的光源一般采用白熾燈。白熾燈發(fā)出的光線經過透鏡后變成平
3、行光束,照射在光柵尺上。圖5.27光柵讀數頭由于光敏元件輸出的電壓信號比較微弱,因此必須首先將該電壓信號進行放大,以避免在傳輸過程中被多種干擾信號所淹沒、覆蓋而造成失真。驅動電路的功能就是實現對光敏元件輸出信號進行功率放大和電壓放大。光柵讀數頭的結構形式按光路分,除了垂直入射式外,常見的還有分光讀數頭、反射讀數頭等,其結構如圖5.27(b)、圖5.27(c)所示。光柵按其形狀和用途可以分為長光柵和圓光柵兩類,長光柵用于長度測量,又稱直線光柵,圓光柵用于角度測量;按光線的走向可分為透射光柵和反射光柵。二.光柵傳感器的工作原理光柵是利用莫爾
4、條紋現象來進行測量的。所謂莫爾(Moire),法文的原意是水面上產生的波紋。莫爾條紋是指兩塊光柵疊合時,出現光的明暗相間的條紋,從光學原理來講,如果光柵柵距與光的波長相比較是很大的話,就可以按幾何光學原理來進行分析。如圖5.28所示為兩塊柵距相等的光柵疊合在一起,并使它們的刻線之間的夾角為θ時,這時光柵上就會出現若干條明暗相間的條紋,這就是莫爾條紋。莫爾條紋有如下幾個重要特性。光柵數字傳感器1.消除光柵刻線的不均勻誤差由于光柵尺的刻線非常密集,光電元件接收到的莫爾條紋所對應的明暗信號,是一個區(qū)域內許多刻線的綜合結果。因此它對光柵尺的柵距
5、誤差有平均效應,這有利于提高光柵的測量精度。2.位移的放大特性莫爾條紋間距是放大了的光柵柵距W,它隨著光柵刻線夾角而改變。當1時,可推導得莫爾條紋的間距??芍叫tB越大,相當于把微小的柵距擴大了1/倍。3.移動特性莫爾條紋隨光柵尺的移動而移動,它們之間有嚴格的對應關系,包括移動方向和位移量。位移一個柵距W,莫爾條紋也移動一個間距B。移動方向的關系詳見表5-2。莫爾條紋如圖5.28所示。主光柵相對指示光柵的轉角方向為逆時針方向,主光柵向左移動,則莫爾條紋向下移動;主光柵向右移動,莫爾條紋向上移動。光柵數字傳感器主光柵相對指示光柵的轉角方
6、向主光櫥移動方向莫爾條紋移動方向順時針方向向左向上向右向下逆時針方向向左向下向右向上表5-2光柵移動與莫爾條紋移動關系表光柵數字傳感器4.光強與位置關系兩塊光柵相對移動時,從固定點觀察到莫爾條紋光強的變化近似為余弦波形變化。光柵移動一個柵距W,光強變化一個周期2,這種正弦波形的光強變化照射到光電元件上,即可轉換成電信號關于位置的正弦變化。當光電元件接收到光的明暗變化,則光信號就轉換為如圖5.29所示的電壓信號輸出,它可以用光柵位移量x的余弦函數表示為式中U0——光電元件輸出的電壓信號;Um——輸出信號中的最大電壓信號;Uav——輸出信號
7、中的平均直流分量。光柵數字傳感器圖5.29等柵距形成的莫爾條紋(θ≠0)圖5.28莫爾條紋X—光柵移動方向;y—莫爾條紋移動方向光柵數字傳感器三.辨向與細分電路1.辨向原理在實際應用中,被測物體的移動方向往往不是固定的。無論主光柵向前或向后移動,在一固定點觀察時,莫爾條紋都是作明暗交替變化。因此,只根據一條莫爾條紋信號,則無法判別光柵移動方向,也就不能正確測量往復移動時的位移。為了辨向,需要兩個一定相位差的莫爾條紋信號。光柵數字傳感器圖5.30所示為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔1/4條紋間距的位置上安裝兩個光電元件,得到兩個相位
8、差/2的電信號U01和U02,經過整形后得到兩個方波信號U'01和U'02,從圖中波形的對應關系可以看出,在光柵向A方向移動時,U'01經微分電路后產生的脈沖(如圖中實線所示)正好發(fā)生在U'02的“1”電平