光电传感与检测第七章

1、光栅传感与检测技术光栅传感与检测技术 在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。从理论上讲，平具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。从理论上讲，平行等宽而又等间隔的多狭缝就可视为光栅，任何装置只要能起行等宽而又等间隔的多狭缝就可视为光栅，任何装置只要能起到等间隔地分割波阵面都可以称作光栅。到等间隔地分割波阵面都可以称作光栅。 长度或直线位移的测量长度或直线位移的测量, 测量角度或角位移测量角度或角位移1 1、光栅的种类和特点光栅的种类和特点 透射光栅透射光栅的特点的特点 光源可以采用垂直

2、入射光，光电元件能够直接光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接接受，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换接受，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器结构简单，常用的光栅可做到每毫米器结构简单，常用的光栅可做到每毫米100100条线，条线，再经过电路细分，可以做到微米级的分辨率。再经过电路细分，可以做到微米级的分辨率。 金属金属反射光栅反射光栅的特点的特点 金属反射光栅的线膨胀系数很容易做到与机床金属反射光栅的线膨胀系数很容易做到与机床用的普通钢或铸铁一致，接长方便。用的普通钢或铸铁一致，接长方便。 长光栅有时也称为长光栅有时也称为光栅尺光栅尺 刻划在玻璃圆盘上的光栅称为刻划在玻璃圆盘上的

3、光栅称为圆光栅圆光栅 光栅位移传感器光栅位移传感器开放式开放式封闭式封闭式2 2、光栅工作原理光栅工作原理 莫尔条纹：如果将指示光栅在其自身的平面内转莫尔条纹：如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度过一个很小的角度，由于光的衍射作用，就会，由于光的衍射作用，就会产生明暗交替的干涉条纹。产生明暗交替的干涉条纹。叠合叠合主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹移动移动莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点：信息变换信息变换 当标尺光栅对应于指示光栅沿着与刻当标尺光栅对应于指示光栅沿着与刻线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹也移动，线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹

4、也移动，若光栅移动一个栅距若光栅移动一个栅距t t，莫尔条纹正好移动一个，莫尔条纹正好移动一个宽度宽度T T。若光栅向相反方向移动，条纹也向相反。若光栅向相反方向移动，条纹也向相反方向移动。方向移动。 放大作用放大作用 莫尔条纹间距莫尔条纹间距W W及光栅间的夹角及光栅间的夹角有有如下关系：如下关系： 误差的平均效应误差的平均效应 光栅信号与位移的对应关系光栅信号与位移的对应关系a)a) 信号波形的正弦性信号波形的正弦性 WWB)2/sin(2光栅传感器的构成图驱驱动动电电路路光源透镜标尺光栅 光敏元件指示光栅提高光栅位移测量系统的精度提高光栅位移测量系统的精度 :p采用高精度的光栅传感器 p

5、采用中等精度的光栅传感器，通过细分技术提高光栅数显装置的细分数 p采用误差修正 P1 P2 P3 P4 指示光栅指示光栅 标尺光栅标尺光栅 硅光电池硅光电池 聚光镜聚光镜 光源光源 光栅测量系统光栅测量系统基于零位光栅传感器的线位移测量系统设计基于零位光栅传感器的线位移测量系统设计 硬件设计硬件设计 线位移测量系统的结构X向导轨系统Y向导轨系统X-Y 工作台光栅传感器A光栅传感器B 信号细分电路 辨向电路 信号计数电路 微处理器电路LED显示电路信号细分电路原理图滤波相移比较组合正弦波信号两路正交方波四倍频脉冲信号对工作台移动进行辨向的单元结构D触发器与非门XCP+XCP-X2CP-X2CP+

6、 微处理器电路结构UB1UB2UB3UB4UB5UB6微处理器存储器通讯单元 UT1 UT5 UT6 UT10通讯单元 LED显示电路的原理 微处理器程序流程图微处理器程序流程图a a） 主程序流程主程序流程 b b）中断子程序流程）中断子程序流程进入中断子程序进入中断子程序查询按下的键值查询按下的键值调相应的应用子程序调相应的应用子程序退出中断退出中断保护现场保护现场恢复现场恢复现场初始化初始化采集、存储位移数据采集、存储位移数据查询测量状态查询测量状态字字标志位标志位= 1应用子程序应用子程序开始开始修正参数输入态修正参数输入态测量状态测量状态LED进行数据显示进行数据显示yesnoa)b)软件设计软件设计 基于增量式旋转编码器的角度测量系统设计基于增量式旋转编码器的角度测量系统设计 增量式旋转编码器构成图光敏元件信号处理驱动输出ABZ光源透镜指示光栅盘上狭缝 转轴圆光栅盘增量式旋转编码器输出a 、b两路信号的示意图aabbTX1 X2 X3 X4增量式旋转编码器辨向电路信号计数电路微处理器电路LED显示电路按键驱动电路旋转屏幕角度测量系统结构按键驱动电路原理图辨向电路原理图主程序机械转角数据采集进制转换多圈累加处理当前测量值置零数据单位转换数据误差修正按键中断软件的结构图莫尔条纹是如何产生的