傳感器第7章光柵傳感器

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1、 第7章 光柵傳感器 利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量測(cè)量； 利用光柵的相對(duì)移動(dòng)，使透射光的光強(qiáng)度呈周期性變化，再由光電元件變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?hào)，可獲得光柵的相對(duì)移動(dòng)量。 光柵傳感器精度高（測(cè)量直線(xiàn)精度最高可達(dá)到0.5m——3m/3000mm；測(cè)量角度精度最高可達(dá)0.15”）、分辨率高(可達(dá)0.05m和0.1”)、動(dòng)態(tài)范圍大，廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量、主動(dòng)測(cè)量及自動(dòng)化等領(lǐng)域。 7.1 光柵基礎(chǔ) 7.1.1 光柵分類(lèi)及結(jié)構(gòu) 1．光柵分類(lèi) 光柵按其原理和用途可分為: 物理光柵和計(jì)量光柵； ① 物理光柵 物理光柵刻線(xiàn)細(xì)密，利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析

2、和光波長(zhǎng)等量的測(cè)量； ② 計(jì)量光柵 主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測(cè)量。 按其透射形式，光柵可分為: ① 透射式光柵 刻劃基面采用玻璃材料； ② 反射式光柵 刻劃基面采用金屬材料。 按柵線(xiàn)形式，光柵可分為: ① 黑白光柵（幅值光柵） 利用照相復(fù)制加工而成，柵線(xiàn)與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)； ② 相位光柵(閃耀光柵) 橫斷面呈三角狀或鋸齒狀。 圖 閃耀光柵線(xiàn)槽斷面 按其應(yīng)用類(lèi)型可分為: ① 長(zhǎng)光柵又稱(chēng)為光柵尺 用于測(cè)量長(zhǎng)度或線(xiàn)位移； ② 圓光柵又稱(chēng)盤(pán)柵 用于測(cè)量角度或角位移。 長(zhǎng)光柵有透射式和反射式，均有黑白光柵和閃耀光柵

3、； 圓光柵一般只有透射式黑白光柵。 還有激光全息光柵和偏振光柵等新型光柵，本章介紹透射式的計(jì)量光柵。 2．光柵結(jié)構(gòu) 光柵 在刻劃基面（玻璃尺或金屬尺或玻璃圓盤(pán)）上等間距(或不等間距)地密集刻劃線(xiàn)（叫柵線(xiàn)），使刻?hào)啪€(xiàn)處不透光（或不反光），沒(méi)刻?hào)啪€(xiàn)處透光（或反光），形成黑白相間(透光與不透光)、排列間隔細(xì)小條紋構(gòu)成的光電器件； 柵線(xiàn) 光柵上的刻線(xiàn)叫柵線(xiàn)，其寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，也可以做成a：b=1.1:0.9,而w=a + b稱(chēng)為柵距； 柵距 又叫光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米長(zhǎng)度內(nèi)的柵線(xiàn)數(shù)表示柵線(xiàn)密度，如100線(xiàn)/mm、250線(xiàn)/m

4、m； 柵距角 圓光柵上相鄰兩條柵線(xiàn)的夾角叫柵距角y或稱(chēng)節(jié)距角。 圖7.1 光柵結(jié)構(gòu) 圓光柵有三種柵線(xiàn)形式： ① 徑向光柵 其柵線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)通過(guò)圓心（圖a）； ② 切向光柵 其柵線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)與光柵盤(pán)的一個(gè)小同心圓相切； ③ 環(huán)形光柵 其柵線(xiàn)為一簇等間距同心圓組成。 圓光柵通常在圓盤(pán)上刻有1080～64800條線(xiàn)。 圖7.2 圓光柵柵線(xiàn) 7．1．2 莫爾條紋原理 莫爾條紋成因 由主光柵和指示光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的(兩只光柵參數(shù)相同)。

5、 ① 主光柵（標(biāo)尺光柵）用于滿(mǎn)足測(cè)量范圍，可以移動(dòng)，也可以固定； ② 指示光柵(通常是從主尺上截一段)用于拾取信號(hào)，可以移動(dòng)，也可以固定。 ③ 將主光柵與指示光柵的刻劃面相向放置（片間縫隙很小）并且使兩者柵線(xiàn)有很小的夾角，組成光柵副，在與柵線(xiàn)垂直方向出現(xiàn)明暗相間的條紋： a--a線(xiàn)上兩只光柵柵線(xiàn)彼此重合，光線(xiàn)從縫隙中透過(guò)形成亮帶（一系列棱形圖案構(gòu)成）； b—b線(xiàn)上兩只光柵柵線(xiàn)相互交疊（錯(cuò)開(kāi)），遮擋縫隙，光線(xiàn)不能透過(guò)形成暗帶。 這種亮帶、暗帶相間的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。 由于莫爾條紋的方向與柵線(xiàn)方向近似垂直，故該莫爾條紋稱(chēng)為橫向莫爾條紋。 光閘莫爾條紋 當(dāng)主尺與指示光柵間刻線(xiàn)

6、夾角等于零時(shí)，莫爾條紋的寬度呈無(wú)限大，當(dāng)兩者相對(duì)移動(dòng)時(shí)入射光的作用就像閘門(mén)一樣時(shí)啟時(shí)閉，故稱(chēng)為光閘莫爾條紋。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，光閘莫爾條紋明暗變化一次。 7.1.3 莫爾條紋特點(diǎn) 1．位移放大作用 圖7.3 莫爾條紋原理 相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角的關(guān)系為 令k為放大系數(shù)，則 一般很小，所以放大系數(shù)k很大。若兩光柵的光柵常數(shù)相等，莫爾條紋具有放大作用。例如W=0.02mm，=0.1度，則B=11.4592mm，其k值約為573，其它方法不易得到如此大的放大倍數(shù)。所以盡管柵距很小，難以觀(guān)察，但莫爾條紋卻清晰可見(jiàn)，這有利于安裝接收莫爾條紋的

7、光電元件。 莫爾條紋的寬度B由給定的光柵常數(shù)W和光柵夾角決定。對(duì)于給定的兩光柵，夾角愈小，條紋寬度愈大，即條紋越稀。通過(guò)調(diào)整夾角可使條紋達(dá)到所需要求。 在安裝調(diào)節(jié)時(shí)，通過(guò)調(diào)整角，可以改變莫爾條紋寬度，從而使電接收元件能正確接收光信號(hào)。對(duì)于100線(xiàn)/mm的光柵，柵距為O.01 mm，當(dāng)夾角O.06時(shí)，莫爾條紋間距B可達(dá)10 mm，放大了1000倍。 2．運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的關(guān)系 莫爾條紋運(yùn)動(dòng)與光柵運(yùn)動(dòng)之間具有對(duì)應(yīng)性： 莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向與主光柵相對(duì)于指示光柵的位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖7.3所示。 主光柵向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距B；

8、 主光柵向左運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)一個(gè)條紋間距B； 由此可判斷主光柵或指示光柵的位移量和位移方向。 ? 若光柵柵距為w，i為刻線(xiàn)數(shù)，x為移動(dòng)距離，則 （7.3） 將式(7.3)代入式(7.1)中，有 （7.4） 當(dāng)i和一定時(shí)，莫爾條紋間距B與移動(dòng)距離x成正比。 ? 當(dāng)很小時(shí)，光柵副中任一光柵沿垂直于刻線(xiàn)方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就會(huì)沿近似垂直于光柵移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。 ? 當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距w時(shí)，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔B； ? 當(dāng)光柵

9、改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，莫爾條紋也隨之改變運(yùn)動(dòng)方向，兩者具有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此可以通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)來(lái)判別光柵的運(yùn)動(dòng)。 3．誤差減小作用 光電元件獲取的莫爾條紋是光柵的大量柵線(xiàn)（數(shù)百條）共同形成的，對(duì)柵線(xiàn)的刻劃誤差平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周期誤差的影響。個(gè)別柵線(xiàn)的柵距誤差或斷線(xiàn)以及瑕疵對(duì)莫爾條紋的影響微小，這是光柵傳感器精度高的一個(gè)重要原因。 刻劃誤差是隨機(jī)誤差。設(shè)單個(gè)柵距誤差為，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條刻線(xiàn)，則方差為 (7.5) 7.2 光柵傳感

10、器的工作原理 利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，將被測(cè)幾何量轉(zhuǎn)換為莫爾條紋的變化，再將莫爾條紋的變化經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量。 7.2.1光電轉(zhuǎn)換原理 █ 光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 由光源1、聚光鏡（透鏡）2、光柵主尺3、指示光柵4（光柵主尺或主光柵和指示光柵合起來(lái)組成光柵副）和光敏元件5組成。 光柵副是光柵傳感器的主要組成部分。二者刻線(xiàn)面相對(duì)，中間留有很小的間隙相疊合，變組成了光柵副。 指示光柵比主光柵短得多，通常刻有與主光柵一樣密度的柵線(xiàn)，一般為每毫米10、25、50、100線(xiàn)。 光電轉(zhuǎn)換原理 當(dāng)兩塊光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元

11、件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化： 在a處，兩光柵刻線(xiàn)不重疊，透過(guò)的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號(hào)最大； 在c處，由于光被遮去一半，光強(qiáng)減??； 在b處，光全被遮去而成全黑，光強(qiáng)為零。 若光柵繼續(xù)移動(dòng)，透射到光敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，形成圖7.4(b)的輸出波形。 下圖中的光電接收元件，5為4極硅光電池。 圖7.4 透射直讀式光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 在理想情況下，當(dāng)a=b=w時(shí)，光強(qiáng)亮度變化曲線(xiàn)呈三角形分布，如圖7.4(c)虛線(xiàn)所示。但實(shí)際上因?yàn)榭虅澱`差的存在造成亮度不均，使三角波形呈近似正弦波曲線(xiàn)。 7.2.2 莫爾條紋測(cè)量位移原理 當(dāng)光電元件接收到明暗相間的正弦

12、信號(hào)時(shí)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)； 當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距w時(shí)，電信號(hào)則變化了一個(gè)周期； 光電信號(hào)的輸出電壓可以用光柵位移x的正弦函數(shù)來(lái)表示，光敏元件輸出的波形為 式中：——輸出信號(hào)的直流分量； ——交流信號(hào)的幅值； x——光柵的相對(duì)位移量。 當(dāng)檢測(cè)到的光電信號(hào)波形重復(fù)到原來(lái)的相位和幅值時(shí)，相當(dāng)于光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距w，如果光柵相對(duì)位移了N個(gè)柵距，此時(shí)位移x=Nw。因此，只要記錄移動(dòng)過(guò)的莫爾條紋數(shù)N，就知道光柵的位移量x值。這就是利用光閘莫爾條紋測(cè)量位移的原理。 7.2.3 辨向原理 ? 位移測(cè)量傳感器必須能辨向，否則只能作為增量式位移傳感器使用； ? 為

13、辨別主光柵的移動(dòng)方向，需在莫爾條紋信號(hào)取兩個(gè)具有相位差90的信號(hào)來(lái)辨別移動(dòng)方向； ? 實(shí)現(xiàn)——在相隔B/4條紋間隔的兩個(gè)狹縫AB和CD位置安裝兩只光敏元件，兩個(gè)狹縫在結(jié)構(gòu)上相差/2，所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必是相差/2。 當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)兩個(gè)狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差/2。滯后還是超前完全取決于光柵的運(yùn)動(dòng)方向。這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的方法稱(chēng)為位置細(xì)分辨向。 圖7.5 辨向原理 ? 設(shè)AB為主信號(hào)，CD為門(mén)控信號(hào)。 差動(dòng)放大器是為了消除光電信號(hào)的直流分量，施密特電路起整形作用；兩路微分電路和門(mén)電路畫(huà)在了一起。 當(dāng)主光柵作

14、正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，CD產(chǎn)生的信號(hào)只允許AB產(chǎn)生的正脈沖通過(guò)，門(mén)電路在可逆計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算； 當(dāng)主光柵作反方向移動(dòng)時(shí)，則CD產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)只讓AB產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過(guò)； 門(mén)電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算,完成了辨向過(guò)程。 圖7.6 辨向原理電路框圖 7.3 莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 目前工藝水平，若進(jìn)行高精度幾何量測(cè)量(如納米測(cè)量)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。需要對(duì)柵距進(jìn)一步細(xì)分，才可能獲得更高的測(cè)量精度。 7.3.1 細(xì)分方法 目前使用的細(xì)分方法有： (1)增加光柵刻線(xiàn)密度； (2)倍頻法 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行電子插值，把一個(gè)周期變化的莫爾條紋信號(hào)再細(xì)分，即增大一個(gè)周期的脈沖數(shù)。在電子細(xì)分

15、中又可分為直接細(xì)分、電橋細(xì)分、示波管細(xì)分和鎖相細(xì)分等。 (3)機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。 7.3.2 光電元件直接細(xì)分 在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件,如圖7.4(c)，得到相位分別相差/2的四個(gè)正弦周期信號(hào),如下圖。 圖7.7四路電信號(hào)波形 用下圖（a）邏輯電路處理這一列信號(hào)：AB和CD兩光電元件輸出的和經(jīng)方波發(fā)生器后變成方波，并相差/2。在1、3點(diǎn)的方波經(jīng)倒相器倒相一次，便得到2、4點(diǎn)兩個(gè)方波倒相電壓。 經(jīng)微分后獲得5、6、7、8四點(diǎn)的正脈沖，同時(shí)送到與非門(mén)得到9點(diǎn)的12個(gè)輸出脈沖為原來(lái)任意一路的四倍，實(shí)現(xiàn)了四倍頻細(xì)分，如圖(b)。 圖7.8

16、四倍頻細(xì)分 (a)四倍邏輯；(b)波形圖 四倍頻細(xì)分法 用計(jì)數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以得到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量(即光柵固有分辨率的四倍)。 7.3.4 光柵傳感器的誤差 ? 單件光柵的誤差是由刻劃工藝和設(shè)備決定的。 ? 計(jì)量光柵大多數(shù)是在構(gòu)成莫爾條紋的情況下使用。由于莫爾條紋的平均誤差作用，使局部刻劃誤差的影響大大減小。 ? 設(shè)光電接收元件所覆蓋的光柵刻線(xiàn)總數(shù)為N，單個(gè)柵距誤差為，則可利用式(7.3) 粗略地描述平均誤差與單個(gè)柵距誤差之間的關(guān)系。 因?yàn)槌Ｓ脰啪嘟袨镺.05～O.01 mm，若取光電池尺寸為10 mm，則 平

17、均誤差△為 因此，其平均誤差△很小。實(shí)際上莫爾條紋變化一周，只移動(dòng)一個(gè)柵距，也就是在200～1000條柵線(xiàn)中只改變了一條柵線(xiàn)，因此單個(gè)柵距誤差的影響比式(7.3) 的還小。 ? 長(zhǎng)光柵柵距誤差一般水平為微米(m)數(shù)量級(jí)，圓光柵為秒(”)數(shù)量級(jí)。 7.4 常用光學(xué)系統(tǒng) 在光柵傳感器中，由于光柵的種類(lèi)和制作材料不同，故用來(lái)照明和接收莫爾條紋信號(hào)的光學(xué)系統(tǒng)有多種形式。 7．4．1透射直讀式光路 ? 將圖7.4中光電元件采用四極硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換元件，就構(gòu)成四細(xì)分直讀式分光系統(tǒng)。 ? 把形成的橫向莫爾條紋寬度B調(diào)整到等于四極硅光電池的寬度S(見(jiàn)圖7.4

18、(c))，這樣莫爾條紋變化一個(gè)條紋寬度B，四極硅光電池依次就輸出四路相位依次相差/2的電信號(hào)(如圖7.7所示波形)，四路電信號(hào)相當(dāng)于對(duì)莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行四細(xì)分。 ? 這種光路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，廣泛應(yīng)用于粗柵距的黑白透射光柵傳感器中。 7．4．2反射直讀式光路 反射直讀式光路如圖7.10所示。 ? 光源經(jīng)聚光鏡成平行光束并以一定角度通過(guò)場(chǎng)鏡3射向指示光柵，莫爾條紋是金屬制成的標(biāo)尺光柵5反射回來(lái)的光線(xiàn)與指示光柵4相互作用形成的，由光電元件6接收莫爾條紋并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 ? 這種光路常用于黑白反射光柵傳感器中。 圖7.10 反射直讀

19、式光路 7．4．3反射積分式光路 反射積分式光路如圖7.11所示。 ? 只用一只閃耀光柵作主光柵，沒(méi)有指示光柵。光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變成平行光束垂直入射到分光鏡上，經(jīng)過(guò)半透分光面時(shí)被分成CD、CE兩束光并垂直射到具有等腰三角形柵線(xiàn)的閃耀光柵上A、B兩點(diǎn)的線(xiàn)槽面時(shí)，最大強(qiáng)度的衍射光將沿原路反射回分光鏡,在分光面處相遇產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，其干涉條紋經(jīng)透鏡由光電元件接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 ? 這種光學(xué)系統(tǒng)具有光學(xué)四細(xì)分的作用，分辨力較高。例如，柵線(xiàn)密度為600線(xiàn)/mm時(shí)，干涉條紋變化一個(gè)周期就相當(dāng)于光柵移動(dòng)量為w=1/41/600=0.42m。 ? 這種光路只用于細(xì)柵距的反射式閃耀光柵傳感器

20、中。 圖7.11 反射積分式光路 ? 光柵傳感器的光源有單色光和普通白光兩種。 ? 對(duì)于柵距較大的黑自光柵常用普通白熾燈照明，對(duì)于柵距較小的閃耀光柵需用單色光源。光源的波長(zhǎng)應(yīng)與光電接收元件的峰值波長(zhǎng)匹配，是為了提高光電轉(zhuǎn)換靈敏度。 ? 光柵傳感器常用的光電元件有硅光電池、光電二極管和光電三極管等，但用得最多的還是硅光電池。 思考題與習(xí)題 1. 透射式光柵傳感器的莫爾條紋是怎樣產(chǎn)生的? 條紋間距、柵距和夾角的關(guān)系是什么? 一個(gè)200線(xiàn)/mm的透射式光柵的莫爾條紋放大倍數(shù)是多少? 2．怎樣理解光柵的誤差平均特性? 3. 如何判別譽(yù)柵傳感器的運(yùn)動(dòng)方向? 4．如何實(shí)現(xiàn)提高光電式編碼器的分辨率? 5．查閱資料，對(duì)計(jì)量光柵的軟、硬件細(xì)分各提出一種方案。