光柵傳感器工作原理

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1、倪 霞 林 機械工程及自動化學院 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成u 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù)l 光柵數(shù)字式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列而成的光電器件。20線-150線/mm 25線-50線/mmWW透射式反射式為光柵常數(shù)，也稱

2、光柵柵距。W 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵的分類按用途分物理光柵計量光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析、光波長測量。利用莫爾條紋現(xiàn)象，主要用于長度、角度、速度、加速度、振動等物理量的測量。計量光柵長光柵圓光柵用于長度測量用于角度測量按光的走向透射式光柵反射式光柵 按柵線的形式黑白光柵（幅值光柵）閃耀光柵（相位光柵）徑向光柵切向光柵環(huán)形光柵 長光柵 - 直線位移圓光柵 - 角位移 構(gòu)成： 主光柵 - 標尺光柵，定光柵 指示光柵 -

3、動光柵長度 - 測量范圍；刻線密度 - 測量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm ) THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu) THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副 光 路光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 按運動形式分： 直線型-主光柵為直尺形直線移

4、動 旋轉(zhuǎn)型-主光柵為圓盤形旋轉(zhuǎn)運動按光學形式分： 透射式-光源與光電元件在兩側(cè)透射光 反射式-光源與光電元件同一側(cè)反射光 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 莫爾條紋的形成 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理+-位移正弦波 條紋寬度： WB W-柵距， a

5、-線寬， b-縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當 =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋 當 =0, w1w2 縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫 爾 條 紋移動 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù)莫爾條紋（Moire） n方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時 n 與光柵移動方向垂直n同步性：光柵移動一個柵距 n 莫爾條紋移動一個間距n 方向?qū)猲放大性：夾角很小n BW n 光學放大 n 提高靈敏度n可調(diào)性：夾角n 條紋間距B 靈活n準確性：

6、大量刻線 n 誤差平均效應n 克服個別/局部誤差n 提高精度 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù)莫爾條紋（Moire）的特性 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理 故 被測物體位移柵距脈沖數(shù)被測物體位移莫爾條紋移動正弦波方波脈沖通過光柵 轉(zhuǎn) 換通過光電 元件轉(zhuǎn)移整 形 轉(zhuǎn) 換邏輯電壓 轉(zhuǎn) 換 THE

7、COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理 u光柵傳感器特點 精度高： 測長(0.2+210-6L)m， 測角0.1量程大： 透射式-光柵尺長（米）， 反射式-幾十米響應快： 可用于動態(tài)測量增量式： 增量碼測量 計數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高： 對環(huán)境要求高溫度、 濕度、灰塵、振動、 移動精度成本高： 電路復雜 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY

8、機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵傳感器的工作原理 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路信號 各種接口放大細分整形四倍頻、判向加減計數(shù)正弦(余弦)信號方波信號數(shù)字信號信號轉(zhuǎn)換 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u信號的形成與轉(zhuǎn)換W 1 1 4nW W 2 2 4nW W 3 3 4

9、nW W sin x cos xcos x sin x THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u信號的形成與轉(zhuǎn)換標尺光柵 指示光柵假如移動了一個柵距W sin xsin x cos xcos xsin x cos xcos xsin x得到四個信號： THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u信號的形成與轉(zhuǎn)換 得

10、到一對相位相差 的正交差分信號2正弦差分信號余弦差分信號 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u信號放大 可得到相位差分別為 ， ， 的正弦信號0 2 1R ouRu 2R 2C1C 1 R ou Ru 2R 2C1C sinxcosx THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u 位移信號 p pu 2cos(

11、 )b p P Pu u u xW pu pu 2sin( )a p P Pu u u xW p pu 一對正交位移信號： 和au bu位移的方向：au正向時 超前bu反向時 超前aubu x位移的大?。?可見位移大小的信息包含在信號的相位中。 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u電阻鏈細分電路sin sina m mu U x U sin( ) cos2b m mu U x U ouau bu 1R2R 1 21 2 1 2b aR u R uR

12、 R R R 0pu p p mu U 設 ， 。則 21 2 ( )o a b bRu u u uR R 1 21 2 1 2cos sinm mR RU UR R R R sin cos cos sinm mU U sin( )mU 22 21 2co s RR R 2 21 2R R 2R 1R 12arctan RR 2 21 2 1 2m mR RU UR R 12 21 2sin RR R 注：ou aubu THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的

13、測量電路u五細分電路100sin 18K56K 24K33K 56K18K 33K24K 33K24K 24K33K 18K56K 56K18Kcossin 53 102 57 104 59 10 23 5 01836547290108126144162 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u信號整形 正弦信號通過電壓比較器，整形為同周期的方波信號。cosxRuiuRu sinxiu iuiu1.2M 5Viu 10K 2.7K13pRu ou10K

14、電壓比較器339LM1.2M 5Viu 10K 2.7K13p Ru ou10K電壓比較器339LM THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u五細分電路信號處理過程03672185490108 1261461 42 得到十路方波信號，其相位依次相差 18 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u五細分電路信號處

15、理過程03672108144 XP 0 36 72 108 144 0 36 72 108 144XP P P P P P P P P P P 0 36 72 108 144 0 36 72 108 144P P P P P P P P P P 0 36 72 108 144P P P P P 信號相位每變化 就產(chǎn)生一個新的方波，所以得到5倍頻（細分）。72 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u五細分電路信號處理過程185490126162 YP

16、18 54 90 126 162 18 54 90 126 162YP P P P P P P P P P P 18 54 90 126 162 18 54 90 126 162P P P P P P P P P P 18 54 90 126 162P P P P P 得到五細分（倍頻）后的 ， 正交方波。 XP YP THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u五細分電路實現(xiàn)： 18 162 90( ) )YP P P P 54 126( )P P 36

17、 108 0( ) )XP P P P 72 144( )P P 74LS86異或門74LS86異或門0P18P 36P 54P72P90P108P126P144P162P 2 1 35 11 13 964 13 8 12 1051110 4 1289 6 2 31 YPXP YBA 注：異或門74LS86：Y AB AB BA Y0 10 01 01 1 1100真值表： THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u 四細分、判向邏輯XPYP W小結(jié)：光

18、柵相對位移莫爾條紋正交正弦信號五細分正交方波信號 細分后的一個方波信號 是原正弦信號按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 細分后的方波信號仍是一對正交方波信號。 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u 四細分、判向邏輯關(guān)于正交方波信號的討論：AB正交方波信號位移方向信息： 正向移動時，A超前B； 反向移動時，B超前A。2 xW 位移大小信息： 相位 。1 1 0 00 1 1 0正交方波信號的狀態(tài)變化規(guī)律： 10 1100 01正向移動時反向

19、移動時結(jié)論：正交方波信號的狀態(tài)變化規(guī)律為：正向時00、10、11、01而反向時相反一個方波狀態(tài)改變四次 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u 四細分、判向邏輯AB正交方波信號1 1 0 00 1 1 0 l四細分： 一個方波內(nèi)狀態(tài)改變四次，記錄下狀態(tài)改變的次數(shù)，則一個方波又按相位被細分為四等分。l判向： 根據(jù)當前時刻和前一時刻的狀態(tài)，可以判斷出位移的方向。 (5 4)Wx n 因此，在整個位移過程中，我們只要記錄下信號狀態(tài)的變化次數(shù)，并在正向時做加

20、計數(shù)，反向時做減計數(shù)?？傻?5 4)W 脈沖當量W 柵距；x位移長度；n總計數(shù)值； THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測量電路u 結(jié)果顯示、打印位移長度：Wx n 總細分數(shù)9898.1234 mm顯示打印其它處理例：一光柵數(shù)顯系統(tǒng)，選用 的光柵傳感器，電子處理系統(tǒng)的電阻鏈細分數(shù)為25，后接 4 細分判向電路。問該系統(tǒng)的光 柵柵距是多少？脈沖當量和最小分辨率分別是多少？當光柵移動了 個柵距時，顯示數(shù)應該是多少？100線m m34118光柵柵距1 0.0110

21、0W mm mm 1 0.0001100 25 4mm mm 脈沖當量、最小分辨率均為顯示數(shù)為3118 100 0.0001 1.18754 mm mm THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的應用密封 式開啟式 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的應用 日本倉敷KBT-11WA臥式加工中心 THE COLLEGE OF ME

22、CHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的應用 思考與討論：問題：怎樣制作一個簡易的長度、角度、速度測量系統(tǒng)？ aubuau bu au bu 3、兩光電管之間的距離是多少？怎么調(diào)節(jié)？2、長度的最小分辨率怎么考慮？1、角度的最小最少分辨率約是多少？360 9(10 4) ?W 1( )4n W4、怎樣得到速度？ THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機 電 一 體 化 技 術(shù) 思考1、什么叫正交信號？有什么特點？2、光柵產(chǎn)生的莫爾條紋有那些特點？3、光柵測量位移（大小、方向）的原理。4、擬對一位移量進行測量，試給出測量方案，并說明其道理。