光栅传感器工作原理实用教案

1、THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 数字信号检测系统数字信号检测系统(xtng)的组成的组成u 数字信号检测(jin c)系统的组成数字信号检测系统的组成第1页/共34页第一页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术l 光栅(gungshn)数字式传感器光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列(pili)而成的光电器件。20线-150线/mm25

2、线-50线/mmWW透射(tu sh)式反射式为光栅常数，也称光栅栅距。W 数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成第2页/共34页第二页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)的的分类分类按用途(yngt)分物理光栅计量光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析(un p fn x)、光波长测量。利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。计量光栅长光栅圆光栅用于长度测量用于角度测量按光的走向透射式光栅反射式光栅按栅线

3、的形式黑白光栅（幅值光栅）闪耀光栅（相位光栅）径向光栅切向光栅环形光栅第3页/共34页第三页，共35页。长光栅(gungshn) - 直线位移圆光栅(gungshn) - 角位移 构成(guchng)： 主光栅 - 标尺光栅，定光栅 指示光栅 - 动光栅长度 - 测量范围；刻线密度(md) - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构第4页/共34页第四页，共3

4、5页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的结构和工传感器的结构和工作原理作原理光源透镜主光栅指示光栅光电元件光栅副光 路光栅(gungshn)传感器的结构第5页/共34页第五页，共35页。按运动形式分： 直线型-主光栅(gungshn)为直尺形直线移动 旋转型-主光栅(gungshn)为圆盘形旋转运动按光学形式分： 透射式-光源与光电元件(yunjin)在两侧透射光 反射式-光源与光电元件(yunjin)同一侧反射光THE COLLEGE OF M

5、ECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的结构和工作光栅传感器的结构和工作(gngzu)原理原理光栅传感器的结构第6页/共34页第六页，共35页。莫尔条纹的形成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的结构光栅传感器的结构(jigu)和工作原和工作原理理光栅传感器的工作(gngzu)原理+-位移正弦波第7页/共34页第七页，共35页。条纹(tio wn)宽度： WBW-栅距， a-线宽，

6、b-缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例(tl)：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术莫尔条纹莫尔条纹(tio wn)（Moire）第8页/共34页第八页，共35页。方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距 方向对应放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度可调性：夹角 条纹间距B 灵活准确性

7、：大量刻线 误差平均(pngjn)效应 克服个别/局部误差 提高精度 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术莫尔条纹莫尔条纹(tio wn)（Moire）的）的特性特性第9页/共34页第九页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的结构和传感器的结构和工作原理工作原理光栅传感器的工作(gngzu)原理故 被测物体(wt)位移栅距脉冲数

8、被测物体位移莫尔条纹移动正弦波方波脉冲通过光栅 转 换通过光电 元件转移整 形 转 换逻辑电压 转 换第10页/共34页第十页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的结构光栅传感器的结构(jigu)和工作和工作原理原理光栅传感器的工作(gngzu)原理第11页/共34页第十一页，共35页。u光栅(gungshn)传感器特点 精度高： 测长(0.2+210-6L)m， 测角0.1量程大： 透射式-光栅尺长（米）， 反射式-几十米响应快： 可用于动态测量增量(zn

9、lin)式： 增量(zn lin)码测量 计数 断电数据消失要求高： 对环境要求高温度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度成本高： 电路复杂 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的结构光栅传感器的结构(jigu)和工作和工作原理原理光栅传感器的工作原理第12页/共34页第十二页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量光栅传感器的测量(cli

10、ng)电路电路信号(xnho)各种接口放大细分整形四倍频、判向加减计数正弦(余弦)信号方波信号数字信号信号转换第13页/共34页第十三页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电路传感器的测量电路u信号(xnho)的形成与转换W11 4nWW22 4n WW33 4nWWsin xc o s xc o s xsin x第14页/共34页第十四页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUT

11、OMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量光栅传感器的测量(cling)电路电路u信号(xnho)的形成与转换标尺(bioch)光栅指示光栅假如移动了一个栅距Wsin xsin xc o s xc o s xsin xc o s xc o s xsin x得到四个信号：第15页/共34页第十五页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电路传感器的测量电路u信号(xnho)的形成与转换得到一对相位

12、相差 的正交差分信号2正弦差分信号余弦差分信号第16页/共34页第十六页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量光栅传感器的测量(cling)电路电路u信号(xnho)放大可得到相位差分别为 ， ， 的正弦信号021RouRu2R2C1C1RouRu2R2C1Csin xcosx第17页/共34页第十七页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化

13、技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电路传感器的测量电路u 位移(wiy)信号ppu2cos()bpP PuuuxW pupu2sin()apP PuuuxW ppu一对正交位移信号： 和aubu位移的方向：au正向时 超前aubu反向时 超前aubux位移的大小： 可见位移大小的信息包含在信号的相位中。第18页/共34页第十八页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量传感器的测量电路电路u电阻(dinz)链细分电路sinsin

14、ammuUxUsin()cos2bmmuUxUouaubu1R2R121212baR uR uRRRR0pu p pmuU设 ， 。则 212()oabbRuuuuRR121212cossinmmRRUURRRRsincoscos sinmmUUsin()mU22212c o sRRR2212RR2R1R12arctanRR221212mmRRUURR12212s inRRR注：ouaubuau第19页/共34页第十九页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测

15、量光栅传感器的测量(cling)电路电路u五细分电路(dinl)100sin18K56K24K33K56K18K33K24K33K24K24K33K18K56K56K18Kcossin5310257104591023501 83 65 47 29 01 0 81 2 61 4 41 6 2第20页/共34页第二十页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电传感器的测量电路路u信号(xnho)整形正弦信号(xnho)通过电压比较器，整形为

16、同周期的方波信号(xnho)。cosxRuiuRusin xRuiuiuiu1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K电压比较器339LM1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K电压比较器339LM第21页/共34页第二十一页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电传感器的测量电路路u五细分电路(dinl)信号处理过程03672185490108126146142得到十路方波信号，其相位依次相差 18第22页

17、/共34页第二十二页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量传感器的测量电路电路u五细分电路(dinl)信号处理过程03672108144XP0367210814403672108144XPPPPPPPPPPP0367210814403672108144PPPPPPPPPP03672108144PPPPP信号相位每变化 就产生一个新的方波，所以得到5倍频（细分）。72第23页/共34页第二十三页，共35页。THE COLLEGE OF

18、MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量传感器的测量电路电路u五细分电路信号处理(xn ho ch l)过程185490126162YP185490126162185490126162YPPPPPPPPPPP185490126162185490126162PPPPPPPPPP185490126162PPPPP得到五细分（倍频）后的 ， 正交方波。 XPYP第24页/共34页第二十四页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTO

19、MATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量光栅传感器的测量(cling)电路电路u五细分电路(dinl)实现：1816290()YPPPP54126()PP361080()XPPPP72144()PP74LS86异或门74LS86异或门0P18P36P54P72P90P108P126P144P162P21351113964138121051110412896231YPXPYBA注：异或门74LS86：YABABBAY01001010111100真值表：第25页/共34页第二十五页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINE

20、ERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量光栅传感器的测量(cling)电路电路u 四细分、判向逻辑(lu j)XPYPW小结(xioji)：光栅相对位移莫尔条纹正交正弦信号五细分正交方波信号 细分后的一个方波信号是原正弦信号按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。 细分后的方波信号仍是一对正交方波信号。 第26页/共34页第二十六页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量光栅传感器的测量(cl

21、ing)电路电路u 四细分、判向逻辑(lu j)关于(guny)正交方波信号的讨论：AB正交方波信号位移方向信息： 正向移动时，A超前B； 反向移动时，B超前A。2xW位移大小信息： 相位 。11000110正交方波信号的状态变化规律：10110001正向移动时反向移动时结论：正交方波信号的状态变化规律为：正向时00、10、11、01而反向时相反一个方波状态改变四次第27页/共34页第二十七页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电传

22、感器的测量电路路u 四细分、判向逻辑(lu j)AB正交方波信号11000110l四细分：l 一个方波内状态改变四次，记录下状态改变的次数，则一个方波又按相位被细分为四等分。l判向：l 根据当前时刻和前一时刻的状态，可以判断(pndun)出位移的方向。(54)Wxn 因此，在整个位移过程中，我们只要记录下信号状态的变化次数，并在正向时做加计数，反向时做减计数。可得(54)W脉冲当量W 栅距；x位移长度；n总计数值；第28页/共34页第二十八页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体

23、化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的测量电传感器的测量电路路u 结果显示、打印(d yn)位移长度：Wxn总细分数9 8 9 8 .1 2 3 4mm显示打印其它处理例：一光栅数显系统，选用 的光栅传感器，电子处理系统的电阻链细分数为25，后接 4 细分判向电路。问该系统的光栅栅距是多少？脉冲当量和最小分辨率分别是多少？当光栅移动了 个栅距时，显示数应该是多少？100线m m34118光栅栅距10.01100Wmmmm10.0001100254mmmm脉冲当量、最小分辨率均为显示数为31181000.00011.18754mmmm第29页/共34页第二十九页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅光栅(gungshn)传感器的应用传感器的应用密封式开启式第30页/共34页第三十页，共35页。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIV