《項目二光柵傳感器》PPT課件

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1、2.1光柵基礎1.光柵的結(jié)構(gòu)光柵是在一塊長條型（圓形）光學玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透光與不透光相間排列的光電器件。柵線——光柵上的刻線，寬度a縫隙寬度b柵距w=a+b（也稱光柵常數(shù)）2、分類按原理和用途：物理光柵和計量光柵物理光柵：刻線細密,利用光的衍射現(xiàn)象,主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。2、分類按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金屬）透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料反射式光柵：刻劃基面采用金屬材

2、料按柵線形式：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光柵）黑白光柵：利用照相復制工藝加工而成,其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀,常用刻劃工藝加工而成。2、分類按應用類型：長光柵和圓光柵長光柵：刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，刻線相互平行；用于測量長度或線位移構(gòu)成：主光柵---標尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測量角度或角位移.柵距柵線寬度縫隙寬度柵距角圓光柵分類：

3、根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分三種：徑向光柵:其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；切向光柵:其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點兒或幾個毫米的小圓相切;環(huán)形光柵:一簇等間距同心圓組成.若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。3.莫爾條紋1).莫爾條紋的形成及其特征當指示光柵和主光柵的刻線相交一個微小的夾角θ時,光源照射光柵尺，由于擋光效應，兩塊光柵刻線的相交處形成暗帶，而在刻線彼此錯開處形成亮帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。莫爾條紋長光柵橫向莫爾條紋橫

4、向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角θ很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋?？v向莫爾條紋：當柵線的夾角θ＝0，且兩光柵柵距不等時產(chǎn)生的莫爾條紋。光閘莫爾條紋：當柵線的夾角θ＝0,且兩光柵柵距相等時產(chǎn)生的莫爾條紋。橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋縱向莫爾條紋2)莫爾條紋的特征①、位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角θ的關系為：B結(jié)論：θ越小,k越大，B越大。例如：θ=0.1°，W=0.02mm時θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad則：B=11.4592mm。莫

5、爾條紋間距放大了光柵間距，令k為放大系數(shù)，則：②、運動對應關系通過莫爾條紋的運動特性判別光柵的運動特性光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔；光柵改變運動方向，莫爾條紋隨之改變運動方向。當移動的刻線數(shù)i和角度θ一定時，莫爾條紋間距B與移動距離x成正比，即：③誤差的平均效應光電元件對光柵的柵距誤差具有平均消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。工作原理：利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量的測量：光柵的相對移動使

6、透射光強度呈周期性變化，光電元件把這種光強信號變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?，由電信號的變化即可獲得光柵的相對移動量。特點：數(shù)字式傳感器：能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器抗干擾能力強,穩(wěn)定性強;易于微機接口,便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量。2.2光柵傳感器的工作原理一、光電轉(zhuǎn)換原理1－光源；2－聚光鏡；3－光柵主尺；4－指示光柵；5－光敏元件；6－莫爾條紋；7－光強分布光閘莫爾條紋光電轉(zhuǎn)換原理理想情況：三角形二、光閘莫爾條紋測量位移原理當光電元件5接收到明暗相間的正弦信號時,根據(jù)光

7、電轉(zhuǎn)換原理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當主光柵移動一個柵距w時,電信號則變化了一個周期。光電元件輸出波形為：直流分量交流分量光柵相對位移量當波形重復到原來的相位和幅值時,相當于光柵移動了一個柵距w,如果光柵相對位移了N個柵距,此時位移x=NW。因此,只要能記錄移動過的莫爾條紋數(shù)N,就可以知道光柵的位移量x值。這就是利用光閘莫爾條紋測量位移的原理。三、辨向原理及辨向電路1）辨向的原因當指示光柵無論向前或向后移動時，在一固定點安裝的光電元件只能接收到莫爾條紋明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計數(shù)脈沖，從

8、而無法辨別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復移動時位移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向電路。2）辨向原理與辨向電路為辨別主光柵的移動方向,需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入來辨別移動方向,且兩個莫爾條紋信號相差90°相位。實現(xiàn)的方法是在相隔B／4條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件,當莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣,相位相差π／2。滯后還是超前完全取決于光柵的運動方向。這種區(qū)別運動方向的方法稱為位置細分辨向原理。圖7