光栅传感器的原理精选PPT.ppt

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1、关于光栅传感器的原理第1页，讲稿共23张，创作于星期日5.3.1 光栅传感器的结构l光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。示光栅）和光电接收元件组成。上一页下一页返 回第2页，讲稿共23张，创作于星期日光栅传感器测量位移的原理：光栅传感器测量位移的原理：当标尺光栅（主光栅）相对于指示当标尺光栅（主光栅）相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化。利用光电接收元件将莫尔条交替变化。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号转换成电脉冲信号，纹亮暗变化的光信号转换成电脉冲信号，并用

2、数字显示，便可测量出标尺光栅的并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。移动距离。第3页，讲稿共23张，创作于星期日光栅传感器光源：l钨丝灯泡：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（输出功率较大，工作范围较宽（-40到到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。使用寿命将降低。l半导体发光器件半导体发光器件:转换效率高，响应快速。转换效率高，响应快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达高可达30%左右。砷化镓发光二

3、极管的脉冲响应速度约为左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。上一页下一页返 回第4页，讲稿共23张，创作于星期日光栅副：指示光栅主光栅（标尺光栅）光栅副：指示光栅主光栅（标尺光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2上一页下一页返 回第5页，讲稿共23张，创作于星期日光电元件 l包括有包括有光电池光电池和和光敏三极管光敏三极管等部分。等部分。l在在采采用用固固态态光光源源时时，需需要要选选用用敏敏感感波波长长与与光

4、光源源相相接接近近的光敏元件，以获得高的转换效率。的光敏元件，以获得高的转换效率。在在光光敏敏元元件件的的输输出出端端，常常接接有有放放大大器器，通通过过放放大大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。器得到足够的信号输出以防干扰的影响。上一页下一页返 回第6页，讲稿共23张，创作于星期日5.3.2 莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定上一页下一页返 回第7页，讲稿共23张，创作于星期日5.3.3 莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了）调整夹角即

5、可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。因此可得到比光栅本身的刻线精度高

6、的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。上一页下一页返 回第8页，讲稿共23张，创作于星期日径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。上一页下一页返 回第9页，讲稿共23张，创作于星期日5.3.4 光栅的光路l透射光路透射光路l反射光路反射光路 上一页下一页返 回第10页，讲稿共23张，创作于星期日（1）透射式光路1-光源光源2-准

7、直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。上一页下一页返 回第11页，讲稿共23张，创作于星期日（2）反射式光路1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。上一页下一页返 回第12页，讲稿共23张，创作于星期日5.3.5 辨向原理单单个个光光电电元元件件接接收收

8、一一固固定定点点的的莫莫尔尔条条纹纹信信号号，只只能能判判别别明明暗暗的的变变化化而而不不能能辨辨别别莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动方方向向，因因而而就就不不能能判判别别运运动动零零件件的的运运动动方方向向，以以致致不不能能正确测量位移。正确测量位移。如如果果能能够够在在物物体体正正向向移移动动时时，将将得得到到的的脉脉冲冲数数累累加加，而而物物体体反反向向移移动动时时可可从从已已累累加加的的脉脉冲冲数数中中减减去去反反向向移移动动的的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。上一页下一页返 回第13页，讲稿共23张，创作于星期日辨向光路设置在相距的位置上设置两个光

9、电元件在相距的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差以得到两个相位互差90的正弦信号的正弦信号上一页下一页返 回第14页，讲稿共23张，创作于星期日辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。上一页下一页返 回第15页，讲稿共23张，创作于星期日上一页下一页返 回辨辨向向电电路路各各点点波波形形图图第16页，讲稿共23张，创作于星期日5.3.6细分技术细分技术l提高分辨力方法提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的

10、前提下，以对在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称栅距进行测微，电子学中称“细分细分”，来得到所需的最小读数值。来得到所需的最小读数值。l细分细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。以减小脉冲当量提高分辨力。上一页下一页返 回第17页，讲稿共23张，创作于星期日（1）直接细分l直接细分直接细分又称又称位置细分位置细分，常用的细分数为，常用的细分数为4。四细。四细分可用分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期

11、内将产生周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。个计数脉冲，实现了四细分。l优优点点：对对莫莫尔尔条条纹纹信信号号波波形形要要求求不不严严格格，电电路路简简单单，可用于静态和动态测量系统。可用于静态和动态测量系统。缺点：缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。光电元件安放困难，细分数不能太高。上一页下一页返 回第18页，讲稿共23张，创作于星期日上一页下一页返 回未未细细分分(a)与与细细分分(b)的的波波形形比比较较第19页，讲稿共23张，创作于星期日（2）电阻电桥细分法（矢量和法）用此信号去触发施密特电路 上一页下一页返 回第20页，讲稿共23张，创作于星期日电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分上一页下一页返 回第21页，讲稿共23张，创作于星期日（c）电阻链细分法（电阻分割法）电阻链细分法（电阻分割法）等电阻链细分电路等电阻链细分电路实质：用电阻衰减器来进行细分。实质：用电阻衰减器来进行细分。上一页返 回第22页，讲稿共23张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看29.09.2022第23页，讲稿共23张，创作于星期日