项目二光栅传感器学习教案

1、会计学1第一页，共47页。第1页/共46页第二页，共47页。黑白光栅：利用照相复制工艺加工黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成而成, ,其栅线与缝隙其栅线与缝隙(fngx)(fngx)为黑白相间结构；为黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状相位光栅：横断面呈锯齿状, ,常用常用刻划工艺加工而成。刻划工艺加工而成。第2页/共46页第三页，共47页。 长光栅：刻划长光栅：刻划(k hu)(k hu)在玻璃尺上的光栅，也在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移位移第3页/共46页第四页，共47页。构成：主光栅构成：主光栅(gungsh

2、n) - 标尺光栅标尺光栅(gungshn)，定光栅，定光栅(gungshn)；指示光栅；指示光栅(gungshn) - 动光栅动光栅(gungshn)长度长度(chngd) - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm )第4页/共46页第五页，共47页。 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来(yn(yn li) li)测量角度或测量角度或角位移角位移. .wab放大(a) 长光栅(b) 圆光栅放大wab第5页/共46页第六页，共47页。栅距栅距栅线宽度栅线宽度(kund)缝隙缝隙(fngx)宽宽度度栅

3、距角栅距角第6页/共46页第七页，共47页。圆光栅分类：圆光栅分类：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种： 径向光栅径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切只有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅环形光栅: 一簇等间距同心圆组成一簇等间距同心圆组成(z chn).若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。第7页/共46页第八页，共47页。(a) 径向光栅(b) 切向光栅(c

4、) 环形光栅第8页/共46页第九页，共47页。第9页/共46页第十页，共47页。第10页/共46页第十一页，共47页。 长光栅横向长光栅横向(hn(hn xinxin) )莫尔条纹莫尔条纹第11页/共46页第十二页，共47页。横向横向(hn xin)莫尔条纹：由于两光栅的栅线莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角夹角 很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向横向(hn xin)莫尔条纹。莫尔条纹。纵向莫尔条纹：当栅线的夹角纵向莫尔条纹：当栅线的夹角0，且两光栅，且两光栅(gungshn)栅距不等时产生的莫尔条纹。栅距不等时产生的莫尔条纹。光闸莫尔条纹：当栅线的夹

5、角光闸莫尔条纹：当栅线的夹角(ji jio)0, 且两光栅且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。栅距相等时产生的莫尔条纹。第12页/共46页第十三页，共47页。横向横向(hn xin)莫尔条纹莫尔条纹光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹(tio wn) 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹(tio wn)第13页/共46页第十四页，共47页。2sin2wWB相邻两条莫尔条纹相邻两条莫尔条纹(tio wn)(tio wn)间距间距B B与栅距与栅距w w及两及两光栅夹角光栅夹角的关系为：的关系为：wababaababaBw2 1B第14页/共46页第十五页，共47页。1WBBkW结论结论(jiln)(jiln)： 越小越小

6、, k, k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1， W=0.02mm W=0.02mm时时 =0.1 =0.1=0.1=0.12/360=0.00175432rad2/360=0.00175432rad 则：则：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫尔条纹间距莫尔条纹间距(jin j)(jin j)放大了光栅间距放大了光栅间距(jin j)(jin j)，令，令k k为放大系数，则：为放大系数，则：第15页/共46页第十六页，共47页。光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变光栅改变(gibin)(gibi

7、n)运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向，莫尔条纹随之改变(gibin)(gibin)运动方向。运动方向。当移动的刻线数当移动的刻线数i i和角度和角度一定时，莫尔条纹间距一定时，莫尔条纹间距B B与移动与移动距离距离x x成正比，即：成正比，即： /Wx ixBi第16页/共46页第十七页，共47页。 误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, , 几条刻线的栅距误差或断裂对几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度莫尔条纹的位置和形状影响

8、甚微。能在很大程度(chngd)(chngd)上消上消除短周期误差的影响。除短周期误差的影响。第17页/共46页第十八页，共47页。第18页/共46页第十九页，共47页。一、光电转换一、光电转换(zhunhun)(zhunhun)原原理理 1 1光源；光源；2 2聚光镜；聚光镜；3 3光栅主尺；光栅主尺；4 4指示指示(zhsh)(zhsh)光栅；光栅；5 5光敏元件；光敏元件；6 6莫尔条纹；莫尔条纹；7 7光强分布光强分布 第19页/共46页第二十页，共47页。 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹(tio wn)光电转换光电转换原理原理理想理想(lxing)情况：三角形情况：三角形第20页/共46页

9、第二十一页，共47页。0022sin()sin , ()WmmUUUxUUxW二、光闸莫尔条纹测量二、光闸莫尔条纹测量(cling)(cling)位移原理位移原理 当光电元件当光电元件5 5接收到明暗相间的正弦信号时接收到明暗相间的正弦信号时, ,根据光电根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距栅距w w时时, ,电信号则变化了一个周期。光电元件输出波电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：形为：直流分量直流分量(fn ling)交流交流(jioli)分量分量光栅相对光栅相对位移量位移量第21页/共46页第二十二页，共47页。

10、 当波形重复到当波形重复到原来的相位原来的相位(xingwi)(xingwi)和幅和幅值时值时, ,相当于光栅相当于光栅移动了一个栅距移动了一个栅距w,w,如果光栅相对位移如果光栅相对位移了了N N个栅距个栅距, ,此时位此时位移移x=NWx=NW。 因此因此, ,只要能记只要能记录移动过的莫尔条录移动过的莫尔条纹数纹数N,N,就可以知道就可以知道光栅的位移量光栅的位移量x x值值。这就是利用光闸。这就是利用光闸莫尔条纹测量位移莫尔条纹测量位移的原理。的原理。第22页/共46页第二十三页，共47页。第23页/共46页第二十四页，共47页。 为辨别主光栅的移动方向为辨别主光栅的移动方向, ,需要

11、有两个具有相差的需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向, ,且两个莫尔条且两个莫尔条纹信号相差纹信号相差9090相位。相位。 实现的方法是在相隔实现的方法是在相隔B B4 4条纹间隔的位置上安装两条纹间隔的位置上安装两只光敏元件只光敏元件, ,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样律完全一样, ,相位相差相位相差2 2。滞后。滞后(zh hu)(zh hu)还是超还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。方法称为位置细分

12、辨向原理。第24页/共46页第二十五页，共47页。图7.5 辨向原理(yunl) M1M2莫尔条纹ACBDBB4第25页/共46页第二十六页，共47页。 1 1、2 2光电元件；光电元件；3 3指示光栅；指示光栅；4 4莫尔条纹；莫尔条纹； A A光栅移动方向；光栅移动方向；B B莫尔条纹移动方向；莫尔条纹移动方向； U1U1元件元件ABAB对应的输出电压；对应的输出电压； U2U2元件元件CDCD对应的输出电压；对应的输出电压；第26页/共46页第二十七页，共47页。第27页/共46页第二十八页，共47页。第28页/共46页第二十九页，共47页。 U1 U1和和U2U2经过整形后得两个方波信

13、号经过整形后得两个方波信号U1U1和和U2U2 。 U1 U1产生计数脉冲，产生计数脉冲， U2 U2的电平状态作为与门的控的电平状态作为与门的控制信号制信号, , 来控制在不同的移动方向来控制在不同的移动方向(fngxing)(fngxing)时时, , U1U1所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向(fngxing)(fngxing)正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲, , 再将其输入可逆计数器再将其输入可逆计数器, , 实时显示出相对于某个参考实时显示出相对于某个参考点的位移量。点的位移量。 第29页/共46

14、页第三十页，共47页。当光栅沿当光栅沿A A向移动时向移动时, ,莫尔条纹向莫尔条纹向B B向移动。向移动。 U2 U2超前超前U1 U1 9090。U1U1经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）正好发生在正好发生在U2U2的的“1”“1”电平时电平时, , 从而经从而经Y1Y1输出一个加计数输出一个加计数(j sh)(j sh)脉冲脉冲; ; 而而U1U1经反相并微分后产生的脉冲（如经反相并微分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与图中虚线所示）则与U2U2的的“0”“0”电平相遇电平相遇, , 与门与门Y2Y2被阻塞被阻塞, , 无脉冲输出。无脉冲输出

15、。 当光栅沿当光栅沿A A反方向移动时反方向移动时, , 莫尔条纹向莫尔条纹向B B反向移动。反向移动。U1U1超前超前U290U290。U1U1的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在U2U2为为“0”“0”电平时电平时, , 与门与门Y1Y1无脉冲输出无脉冲输出; ; 而而U1U1的反相微分脉冲则发生在的反相微分脉冲则发生在U2U2的的“1”“1”电平时电平时, , 与门与门Y2Y2输出一个减计数输出一个减计数(j sh)(j sh)脉冲。脉冲。 第30页/共46页第三十一页，共47页。辨向电路(dinl)各点波形第31页/共46页第三十二页，共47页。第32页/共46页第三十三页，共47页。第3

16、3页/共46页第三十四页，共47页。第34页/共46页第三十五页，共47页。1. 1. 四倍频细分四倍频细分 方案：在一个莫尔条纹宽度上并列方案：在一个莫尔条纹宽度上并列(bngli)(bngli)放置四放置四个光电元件，得到四个相差依次为个光电元件，得到四个相差依次为/2/2的电压信号；或的电压信号；或在相差在相差B/4B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相差差/2/2的电压信号。的电压信号。 在光栅作相对运动时，经过微分在光栅作相对运动时，经过微分

17、(wi fn)电路，在正电路，在正向运动时，得到四个微分向运动时，得到四个微分(wi fn)脉冲（加计数脉冲）脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分；反向运动时，得到四个微分(wi fn)脉冲（减计数脉脉冲（减计数脉冲）。冲）。第35页/共46页第三十六页，共47页。相距相距B/4B/4放置放置(fngzh)(fngzh)四个光四个光电元件电元件 第36页/共46页第三十七页，共47页。四倍频细分电路(dinl)原理框图第37页/共46页第三十八页，共47页。细分前后(qinhu)比较第38页/共46页第三十九页，共47页。2.4 2.4 光栅光栅(gungshn)(gungshn)传感

18、器的光学系统传感器的光学系统组成：光源组成：光源(gungyun)、透镜、光栅、光敏元、透镜、光栅、光敏元件件光源：白炽灯或其它发光元件；光源：白炽灯或其它发光元件；透镜透镜(tujng)：把光线变成平行光束照射在光尺上；：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件：输出电压信号；光敏元件：输出电压信号；形式形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等：透射直读式、反射直读式、反射积分式等第39页/共46页第四十页，共47页。特点：光电元件采用四极特点：光电元件采用四极(s j)(s j)硅光电池构成四细分直硅光电池构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差读式分光系统，输出的四路电信

19、号相位依次相差/2/2，相当，相当于对莫尔条纹信号进行四细分。于对莫尔条纹信号进行四细分。第40页/共46页第四十一页，共47页。特点：标尺光栅特点：标尺光栅(gungshn)为反射式光为反射式光栅栅(gungshn)， 光源经透镜成平行光束光源经透镜成平行光束并以一定角度射向指示光栅并以一定角度射向指示光栅(gungshn)，莫尔条纹，莫尔条纹是由标尺光栅是由标尺光栅(gungshn)反射回来的反射回来的光线与指示光栅光线与指示光栅(gungshn)相互作用而相互作用而成。成。（b）反射直读式）反射直读式2 2、反射、反射(fnsh)(fnsh)直直读式读式第41页/共46页第四十二页，共47页。特点：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光