光栅传感器工作原理

1、倪霞林 机械工程及自动化学院THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成u 数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术l 光栅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、相间排列而成的光电器件。20线-150线/mm25线-50线/mmWW透射式反射式为光栅常数，也称光栅栅距。W

2、数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅的分类光栅的分类按用途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、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长光栅 - 直线位移圆光栅 - 角位移 构成： 主光栅 - 标尺光栅，定光栅 指示光栅 -

3、动光栅长度 - 测量范围；刻线密度 - 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源透镜主光栅指示光栅光电元件光栅副光 路光栅传感器的结构按运动形式分： 直线型-

4、主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光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 光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的工作原理+-位

5、移正弦波条纹宽度： WBW-栅距， a-线宽， b-缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例：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（Moire）n方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 n 与光栅移动方向垂直n同步性：光栅移动一个栅距 n 莫尔条纹移动一个间距n 方向对应n放大性：夹角很小n BW n 光学放大 n 提高灵敏度n可调性：夹角n

6、条纹间距B 灵活n准确性：大量刻线 n 误差平均效应n 克服个别/局部误差n 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（Moire）的特性）的特性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工作原理故 被测物体位移栅距脉冲数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

7、移整 形 转 换逻辑电压 转 换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工作原理u光栅传感器特点 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式： 增量码测量 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 AUT

8、OMATION,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工作原理THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路信号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THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量

9、电路u信号的形成与转换W11 4nWW22 4n WW33 4nWWsin xc o s xc o s xsin xTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u信号的形成与转换标尺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：THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSIT

10、Y 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u信号的形成与转换得到一对相位相差 的正交差分信号2正弦差分信号余弦差分信号THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u信号放大可得到相位差分别为 ， ， 的正弦信号021RouRu2R2C1C1RouRu2R2C1Csin xcosxTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传

11、感器的测量电路光栅传感器的测量电路u 位移信号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。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u电阻链细分电路sinsinammuUxUsin()cos2bmmuUxUouaubu1R2R121212baR uR uRRRR0pu

12、 p pmuU设 ， 。则 212()oabbRuuuuRR121212cossinmmRRUURRRRsincoscos sinmmUUsin()mU22212c o sRRR2212RR2R1R12arctanRR221212mmRRUURR12212s i nRRR注：ouaubuauTHE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u五细分电路100sin18K56K24K33K56K18K33K24K33K24K24K33K18K56K56K18

13、Kcossin5310257104591023501 83 65 47 29 01 0 81 2 61 4 41 6 2THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u信号整形正弦信号通过电压比较器，整形为同周期的方波信号。cosxRuiuRusin xRuiuiuiu1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K电压比较器339LM1.2 M5Viu10K2.7K13 pRuou10K电压比较器339LMTHE COLLEGE OF MECH

14、ANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u五细分电路信号处理过程036721854901081261461 42得到十路方波信号，其相位依次相差 18THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u五细分电路信号处理过程03672108144XP0367210814403672108144XPPPPPPPPPPP036721081440367

15、2108144PPPPPPPPPP03672108144PPPPP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）。72THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u五细分电路信号处理过程185490126162YP185490126162185490126162YPPPPPPPPPPP185490126162185490126162PPPPPPPPPP185490126162PPPPP得到五细分（倍频）后的 ， 正交方波。 XPYPTHE

16、 COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u五细分电路实现：1816290()YPPPP54126()PP361080()XPPPP72144()PP74LS86异或门74LS86异或门0P18P36P54P72P90P108P126P144P162P21351113964138121051110412896231YPXPYBA注：异或门74LS86：YABABBAY01001010111100真值表：THE COLLEGE OF MECHANICAL

17、ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u 四细分、判向逻辑XPYPW小结：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。 THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u 四细分、判向逻辑关于正交方波信号的讨论：AB正交方波信号位移方

18、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THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u 四细分、判向逻辑AB正交方波信号11000110l四细分： 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

19、向： 根据当前时刻和前一时刻的状态，可以判断出位移的方向。(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；THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的测量电路光栅传感器的测量电路u 结果显示、打印位移长度：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10.01100W