光柵傳感器工作原理

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1、倪 霞 林 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成u 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵的分類按用途分物理光柵計(jì)量光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析、光波長(zhǎng)測(cè)量。利用莫爾條紋現(xiàn)象，主要用于長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等物理量的測(cè)量。計(jì)量光柵長(zhǎng)光柵圓光柵用于長(zhǎng)度測(cè)量用于角度測(cè)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(zhǎng)光柵 - 直線位移圓光柵 - 角位移 構(gòu)成： 主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵 指示光柵 -

3、動(dòng)光柵長(zhǎng)度 - 測(cè)量范圍；刻線密度 - 測(cè)量精度 ( 10、25、50、100、125線/mm ) THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 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(jī) 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(yùn)動(dòng)形式分： 直線型-主光柵為直尺形直線移

4、動(dòng) 旋轉(zhuǎn)型-主光柵為圓盤形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按光學(xué)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(jī) 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(jī) 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(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋 當(dāng) =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(dòng) THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù)莫爾條紋（Moire） n方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí) n 與光柵移動(dòng)方向垂直n同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 n 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距n 方向?qū)?yīng)n放大性：夾角很小n BW n 光學(xué)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(zhǔn)確性：

6、大量刻線 n 誤差平均效應(yīng)n 克服個(gè)別/局部誤差n 提高精度 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù)莫爾條紋（Moire）的特性 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 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(cè)物體位移柵距脈沖數(shù)被測(cè)物體位移莫爾條紋移動(dòng)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(jī) 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(diǎn) 精度高： 測(cè)長(zhǎng)(0.2+210-6L)m， 測(cè)角0.1量程大： 透射式-光柵尺長(zhǎng)（米）， 反射式-幾十米響應(yīng)快： 可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量增量式： 增量碼測(cè)量 計(jì)數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高： 對(duì)環(huán)境要求高溫度、 濕度、灰塵、振動(dòng)、 移動(dòng)精度成本高： 電路復(fù)雜 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY

8、機(jī) 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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路信號(hào) 各種接口放大細(xì)分整形四倍頻、判向加減計(jì)數(shù)正弦(余弦)信號(hào)方波信號(hào)數(shù)字信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)的形成與轉(zhuǎn)換標(biāo)尺光柵 指示光柵假如移動(dòng)了一個(gè)柵距W sin xsin x cos xcos xsin x cos xcos xsin x得到四個(gè)信號(hào)： THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)的形成與轉(zhuǎn)換 得

10、到一對(duì)相位相差 的正交差分信號(hào)2正弦差分信號(hào)余弦差分信號(hào) THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)放大 可得到相位差分別為 ， ， 的正弦信號(hào)0 2 1R ouRu 2R 2C1C 1 R ou Ru 2R 2C1C sinxcosx THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u 位移信號(hào) 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(duì)正交位移信號(hào)： 和au bu位移的方向：au正向時(shí) 超前bu反向時(shí) 超前aubu x位移的大?。?可見位移大小的信息包含在信號(hào)的相位中。 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u電阻鏈細(xì)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(shè) ， 。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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的

13、測(cè)量電路u五細(xì)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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u信號(hào)整形 正弦信號(hào)通過電壓比較器，整形為同周期的方波信號(hào)。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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路信號(hào)處理過程03672185490108 1261461 42 得到十路方波信號(hào)，其相位依次相差 18 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路信號(hào)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(hào)相位每變化 就產(chǎn)生一個(gè)新的方波，所以得到5倍頻（細(xì)分）。72 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路信號(hào)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(xì)分（倍頻）后的 ， 正交方波。 XP YP THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u五細(xì)分電路實(shí)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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u 四細(xì)分、判向邏輯XPYP W小結(jié)：光

18、柵相對(duì)位移莫爾條紋正交正弦信號(hào)五細(xì)分正交方波信號(hào) 細(xì)分后的一個(gè)方波信號(hào) 是原正弦信號(hào)按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 細(xì)分后的方波信號(hào)仍是一對(duì)正交方波信號(hào)。 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u 四細(xì)分、判向邏輯關(guān)于正交方波信號(hào)的討論：AB正交方波信號(hào)位移方向信息： 正向移動(dòng)時(shí)，A超前B； 反向移動(dòng)時(shí)，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(hào)的狀態(tài)變化規(guī)律： 10 1100 01正向移動(dòng)時(shí)反向

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

20、計(jì)數(shù)，反向時(shí)做減計(jì)數(shù)?？傻?5 4)W 脈沖當(dāng)量W 柵距；x位移長(zhǎng)度；n總計(jì)數(shù)值； THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的測(cè)量電路u 結(jié)果顯示、打印位移長(zhǎng)度：Wx n 總細(xì)分?jǐn)?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(xì)分?jǐn)?shù)為25，后接 4 細(xì)分判向電路。問該系統(tǒng)的光 柵柵距是多少？脈沖當(dāng)量和最小分辨率分別是多少？當(dāng)光柵移動(dòng)了 個(gè)柵距時(shí)，顯示數(shù)應(yīng)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(dāng)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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的應(yīng)用密封 式開啟式 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的應(yīng)用 日本倉(cāng)敷KBT-11WA臥式加工中心 THE COLLEGE OF ME

22、CHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 光柵傳感器的應(yīng)用 思考與討論：?jiǎn)栴}：怎樣制作一個(gè)簡(jiǎn)易的長(zhǎng)度、角度、速度測(cè)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(zhǎng)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(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 思考1、什么叫正交信號(hào)？有什么特點(diǎn)？2、光柵產(chǎn)生的莫爾條紋有那些特點(diǎn)？3、光柵測(cè)量位移（大小、方向）的原理。4、擬對(duì)一位移量進(jìn)行測(cè)量，試給出測(cè)量方案，并說(shuō)明其道理。