位移檢測(cè)傳感器之光柵傳感器.ppt

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1,第三節(jié)大位移檢測(cè)傳感器,二、光柵位移傳感器,2,二、光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器有測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量角位移的圓光柵。,3,光柵式位移傳感器的分類,1測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵,2測(cè)量角位移的圓光柵,4,,,長(zhǎng)光柵,圓光柵,5,由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)器件稱為光柵，如圖所示。用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。光柵的刻痕密度一般為每厘米10、25、50、100線?？毯壑g的距離為柵距W。,莫爾條紋,6,光柵結(jié)構(gòu)放大圖,7,長(zhǎng)光柵是在兩塊光學(xué)玻璃上或具有強(qiáng)反射能力的金屬表面上，刻上相同的均勻密集的平行細(xì)線。如果將這兩塊玻璃板或金屬板重疊放置，并使它們的刻線間有一微小夾角?，此時(shí)，由于光的干涉效應(yīng)，兩塊光柵的刻線相交處，光會(huì)從縫隙透過，形成亮帶（如圖a-a線），而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶（b-b），這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋，這些條紋稱為莫爾條紋。條紋方向與刻線方向近似垂直。,莫爾條紋,8,根據(jù)莫爾條紋效應(yīng)設(shè)計(jì)光柵傳感器。,莫爾條紋,9,若光柵柵距為W，兩個(gè)相鄰莫爾條紋的間距為BH，（即莫爾條紋中兩條暗紋或兩條亮紋之間的距離）則有,莫爾條紋,這里θ是弧度，如果夾角為0.10，則θ=0.1/180*π,則BH=573W,相當(dāng)于把柵距放大了573倍。,10,——運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變?！獱枟l紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例：光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH；——莫爾條紋具有位移放大作用：莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為BH=W/θ,θ越小，則BH越大。這相當(dāng)于把柵距W放大了1/θ倍。如對(duì)于25線/mm長(zhǎng)光柵而言，W=0.04mm,若θ=0.016rad，則BH=2.5mm(這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來檢測(cè)光柵的位移?？梢詫?shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量),莫爾條紋有如下特點(diǎn),11,——當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。,,其電壓為：,莫爾條紋有如下特點(diǎn),12,——莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用：莫爾條紋由大量的光柵柵線共同形成，所以對(duì)光柵柵線的刻劃誤差有平均作用。通過莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身柵線的刻劃精度還要高。,莫爾條紋有如下特點(diǎn),——莫爾條紋移過的條紋數(shù)等于光柵移過的柵線數(shù)。如采用100線/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了xmm(即移過100 x條光柵柵線時(shí)），則從光電元件前掠過的莫爾條紋也是100 x條。由于莫爾條紋間距比柵距寬的多，所以能夠被光敏元件識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際位移。,13,當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，通過測(cè)量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向.莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。因此可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測(cè)出光柵移動(dòng)的距離和方向。光柵傳感器就是根據(jù)這一原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的檢測(cè)。,1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理,14,在作直線位移測(cè)量時(shí)，常把前面介紹的兩塊光柵作成一個(gè)標(biāo)尺光柵和一個(gè)指示光柵。標(biāo)尺光柵是一個(gè)長(zhǎng)條形光柵，光柵長(zhǎng)度由所需量程決定。指示光柵較短，通常根據(jù)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的需要而定，一般與光學(xué)系統(tǒng)物鏡直徑相同。光柵條紋密度有25條/mm，50條/mm、100條/mm或更密，柵線長(zhǎng)度一般為6～12mm。,2.長(zhǎng)光柵位移傳感器,15,,光柵的構(gòu)造：,16,2.長(zhǎng)光柵位移傳感器,根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，光柵可以制成透射光柵和反射光柵。透射光柵的柵線刻制在透明材料上，要求較高時(shí)，可以采用光學(xué)玻璃；而指示光柵最好采用光學(xué)玻璃。反射光柵的柵線刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。,17,由于采用不同形式的光柵，光學(xué)系統(tǒng)也各不相同，常采用的光學(xué)系統(tǒng)有：(1)透射式光路(2)反射式光路,3.光學(xué)系統(tǒng),18,（1）透射式光路,光源5發(fā)出的光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡4變成平行光，入射到指示光柵3上，經(jīng)過指示光柵3和標(biāo)尺光柵2，再透射到光敏元件1上。一般標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而光源、指示光柵和光敏元件固定在被測(cè)位移體上，莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)被光敏元件接收。每當(dāng)亮帶通過光敏元件時(shí)，有一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)輸出。,19,透射式光柵,20,（2）反射式光路,光源1發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡2及場(chǎng)鏡4后以平行光束射向指示光柵5上，再經(jīng)標(biāo)尺光柵6反射后形成莫爾條紋，通過反射鏡3和物鏡系統(tǒng)7把莫爾條紋的信號(hào)送入光敏元件8上.當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵有相對(duì)位移時(shí)，光敏元件可接收到移動(dòng)的莫爾條紋信號(hào)。,21,反射式光柵,22,長(zhǎng)光柵式位移傳感器的特點(diǎn)長(zhǎng)光柵位移傳感器的測(cè)長(zhǎng)精度可達(dá)0.5～3?m(3000mm范圍內(nèi))，分辨力可達(dá)0.1?m,可進(jìn)行無接觸測(cè)量,23,用兩塊刻線數(shù)目相同，切線圓半徑分別為r1、r2的切向圓光柵同心放置，所產(chǎn)生的環(huán)形莫爾條紋如圖所示,4.圓光柵,其條紋間距為,24,用兩塊刻線數(shù)目相同的徑向圓光柵偏心放置，偏心量為e，這時(shí)形成不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋如圖所示,4.圓光柵,其條紋間距為,25,動(dòng)光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，因此，可將軸旋轉(zhuǎn)的角度量變換成莫爾條紋信號(hào)。通過光電轉(zhuǎn)換元件，將莫爾條紋的變化轉(zhuǎn)換成近似于正弦波形的電信號(hào)。測(cè)角精度可達(dá)0.15”，分辨力可達(dá)0.1”，甚至更高。,4.圓光柵,26,二、光柵式位移傳感器4.圓光柵(1)切向圓光柵(2)徑向圓光柵,徑向圓光柵切向圓光柵,4.圓光柵,27,由前面分析，光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，光電元件輸出就變化一個(gè)周期2π，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)脈沖，若按此進(jìn)行計(jì)數(shù)，則它的分辨力只有一個(gè)光柵柵距W.為了能夠分辨比W更小的位移量，就要提高分辨力，一種方法是可以采用增加刻劃密度的方法來減少柵距，但這種方法受到制造工藝或成本的限制，如倘若要讀出位移為0.1?m，勢(shì)必要求每毫米刻線1萬條，這是目前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。,,5.細(xì)分技術(shù),28,,——常用的細(xì)分方法有四倍頻細(xì)分法、十六倍頻細(xì)分法、計(jì)算機(jī)細(xì)分法等。,5.細(xì)分技術(shù),另一種方法是采用柵距細(xì)分技術(shù)，由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖提高了n倍，所以細(xì)分又稱倍頻，細(xì)分后可以在不增加刻線數(shù)的情況下較大地提高光柵的分辨力。,29,四倍頻細(xì)分法在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，如右下圖(a)所示，得到相位分別相差π/2四個(gè)正弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)，使其合并得到如右下圖所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了1/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱為四倍頻細(xì)分法。,,,,,30,課堂練習(xí),31,4、在下述位移傳感器中，適宜于測(cè)量大位移的傳感器是（單一）,A、電阻式傳感器,B、電感式傳感器,C、壓電式傳感器,D、光柵式傳感器,32,4、在下述位移傳感器中，適宜于測(cè)量大位移的傳感器是（單一）,D、光柵式傳感器,33,1、若光柵式位移傳感器的光柵柵距為0.04mm,柵線的夾角為1.80，則相鄰莫爾條紋的間距為（單一）,A、0.022mm,B、0.07mm,C、1.27mm,D、3.99mm,34,11、若光柵式位移傳感器的光柵柵距為0.04mm,柵線的夾角為1.80，則相鄰莫爾條紋的間距為（單一）,C、1.27mm,35,23、四倍細(xì)分式光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)，分辨力為0.004/mm脈沖，則光柵的柵距為（）（模擬一）,36,23、四倍細(xì)分式光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)，分辨力為0.004/mm脈沖，則光柵的柵距為（）（模擬一）,用四倍細(xì)分，則分辨力是光柵柵距的1/4，則光柵柵距為分辨力的4倍。4*0.004=0.016mm,37,9、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，如果柵線為50線/mm,當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí),則分辨率為（）（模擬一）,38,9、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，如果柵線為50線/mm,當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí),則分辨率為（）（模擬一）,分辨率是一個(gè)光柵柵距，即1/50=0.02mm，若用四個(gè)光電元件，即經(jīng)過四倍細(xì)分后，則光柵柵距為分辨力的4倍。分辨力為0.02/4=0.005mm,39,23、為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率，需要對(duì)磁柵、容柵等大位移測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行（）（模擬四）,40,23、為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率，需要對(duì)磁柵、容柵等大位移測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行（細(xì)分）（模擬四）,41,31、已知光柵式位移傳感器的柵線為50線/mm，主光柵和指示光柵的柵線的夾角為0.2。(模擬四）（1）求光柵莫爾條紋的間距，及莫爾條紋的放大系數(shù)；（2）測(cè)量時(shí)，若光電元件接收到莫爾條紋10個(gè)周期的光強(qiáng)信號(hào)，求測(cè)得的位移是多少？（3）若采用四倍細(xì)分電路，可得到的分辨力是多少？,,,42,31、已知光柵式位移傳感器的柵線為50線/mm，主光柵和指示光柵的柵線的夾角為0.2。（1）求光柵莫爾條紋的間距，及莫爾條紋的放大系數(shù)；（2）測(cè)量時(shí)，若光電元件接收到莫爾條紋10個(gè)周期的光強(qiáng)信號(hào)，求測(cè)得的位移是多少？（3）若采用四倍細(xì)分電路，可得到的分辨力是多少？,,,43,10、若某光柵柵線為25線/mm，則四倍細(xì)分后，其分辨力是多少？,,,A、0.001mm/脈沖,B、0.005mm/脈沖,C、0.01mm/脈沖,D、0.02mm/脈沖,44,10、若某光柵柵線為25線/mm，則四倍細(xì)分后，其分辨力是多少？(密押二）,,,=1/25/4=0.01mm,C、0.01mm/脈沖,