莫爾條紋的形成原理及特點(diǎn)四.ppt

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1、河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第五講光柵傳感器一、光柵的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)二、光柵傳感器的構(gòu)成三、莫爾條紋的形成原理及特點(diǎn)四、莫爾條紋測(cè)量位移五、細(xì)分技術(shù)六、辨向技術(shù)光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種脈沖輸出數(shù)字式傳感器，它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等閉環(huán)系統(tǒng)的線位移和角位移的自動(dòng)檢測(cè)以及精密測(cè)量方面，測(cè)量精度可達(dá)幾微米。只要能夠轉(zhuǎn)換成位移的物理量，如速度、加速度、振動(dòng)、變形等，均可測(cè)量。一、光柵的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)光柵透射式光柵反射式光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋的玻璃構(gòu)成在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條紋。光柵長(zhǎng)光柵圓光柵測(cè)量

2、線位移的光柵為矩形并隨被測(cè)長(zhǎng)度增加而加長(zhǎng)測(cè)量角位移的光柵為圓形1、光柵的類(lèi)型尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜2、光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜長(zhǎng)光柵圓光柵通常a=b；光柵的精度越高，柵距W就越??；一般柵距可由刻線密度算出，刻線密度為25，50，100，250條/mm。3、柵距黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學(xué)玻璃上，均勻地刻上許多明暗相間，寬度相同的透光線，稱(chēng)為柵線。設(shè)柵線寬為a，線間縫寬為b，a+b=W稱(chēng)為光柵節(jié)距(柵距)。4、光柵副：指示光柵＋主光柵二、光柵傳感器

3、的構(gòu)成對(duì)于線位移測(cè)量，兩塊光柵長(zhǎng)短不等，長(zhǎng)的隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)，稱(chēng)為標(biāo)尺光柵，短的固定安放，稱(chēng)指示光柵；而測(cè)量角位移時(shí)，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。光柵傳感器結(jié)構(gòu)為：光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。如圖5-5-1所示。圖5-5-1光柵傳感器的組成三、莫爾條紋的形成原理及特點(diǎn)當(dāng)兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個(gè)夾角θ時(shí)，兩塊光柵的暗條與亮條重合的地方，使光線透不過(guò)去，形成一條暗帶；而亮條與亮條重合的地方，部分光線得以通過(guò)，形成一條亮帶。這種亮帶與暗帶形成的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。1、莫爾條紋的形成原理圖5-5-

4、2莫爾條紋B2、莫爾條紋的寬度（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）設(shè)a=b=W/2，則所以，當(dāng)θ很小時(shí)，3、莫爾條紋的特點(diǎn)1）莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵夾角有對(duì)應(yīng)關(guān)系當(dāng)主光柵沿柵線垂直方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動(dòng)表5-1莫爾條紋和光柵移動(dòng)方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵的轉(zhuǎn)角方向標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向莫爾條紋移動(dòng)方向順時(shí)針?lè)较蛳蜃笙蛏舷蛴蚁蛳履鏁r(shí)針?lè)较蛳蜃笙蛳孪蛴蚁蛏?）光學(xué)放大作用由公式B=W/θ可知，當(dāng)W一定，而θ較小時(shí)，可使θ<<1，則B>>W。如：長(zhǎng)光柵在一毫米內(nèi)刻線為100條，θ＝＝0.00029r

5、ad，則：B=0.01/0.00029≈3.44mm，放大344倍。放大倍數(shù)可通過(guò)改變?chǔ)冉沁B續(xù)變化，從而獲得任意粗細(xì)的莫爾條紋，即光柵具有連續(xù)變倍的作用。3）均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻線誤差有平均作用。四、莫爾條紋測(cè)量位移光柵每移過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移過(guò)一個(gè)間距B。通過(guò)測(cè)量莫爾條紋移過(guò)的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。由于光柵的遮光作用，透過(guò)光柵的光強(qiáng)隨莫爾條紋的移動(dòng)而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號(hào)和一交流信號(hào)的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量X的正弦函數(shù)表示，如圖5-5-3所示。只要測(cè)量

6、波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動(dòng)數(shù)）就可知道光柵的位移量X，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為圖5-5-3光電元件輸出與光柵位移的關(guān)系X=N·W在實(shí)際裝置中常將光源、計(jì)量光柵、光電轉(zhuǎn)換和前置放大組合在一起構(gòu)成傳感器（光柵讀數(shù)頭）；將具有細(xì)分辨向的差補(bǔ)器、計(jì)數(shù)器和由步進(jìn)電機(jī)、打印機(jī)或繪圖機(jī)等組成的受控裝置裝在一個(gè)箱內(nèi)，常稱(chēng)為數(shù)字顯示器。計(jì)量光柵光電轉(zhuǎn)換前置放大光源細(xì)分辨向受控裝置計(jì)數(shù)傳感器數(shù)字顯示器3自由度光柵數(shù)顯表安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部五、細(xì)分技術(shù)當(dāng)使用一個(gè)光電池通過(guò)判斷信號(hào)周期的方法來(lái)

7、進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分.例如100線光柵的W=0.01mm，若n=4，則分辨率可從0.01mm提高到0.0025mm。因?yàn)榧?xì)分后計(jì)數(shù)脈沖提高了n倍，因此也稱(chēng)之為n倍頻。細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分辨力。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形要求不嚴(yán)格，電路簡(jiǎn)單，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。缺點(diǎn)：光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。直接細(xì)分又稱(chēng)位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4

8、。四細(xì)分可用4個(gè)依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。如圖5-5-4所