光柵傳感器課件.ppt

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1、一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)二、莫爾條紋形成原理及特點(diǎn)三、光柵傳感器的應(yīng)用第10章光柵傳感器光柵是由許多具有等節(jié)距刻線分布的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件。光柵式傳感器有如下特點(diǎn)：1.精度高。2.大量程測(cè)量兼有高分辨力。3.可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。4.具有較強(qiáng)的抗干擾能力。按其原理和用途，它又可分為物理光柵和計(jì)量光柵。1）物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長(zhǎng)等量的測(cè)量。2）計(jì)量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測(cè)量位移、速度、加速度、振動(dòng)等物理量。本章主要介紹計(jì)量光柵的原理與應(yīng)用。一、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)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。光柵傳感器

2、光源：鎢絲燈泡：輸出功率較大，工作范圍較寬（-40℃到+130℃）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機(jī)械振動(dòng)和沖擊條件下工作時(shí)，使用壽命將降低。半導(dǎo)體發(fā)光器件:轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。光柵副：指示光柵＋主光柵a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2徑向圓光柵切向圓光柵光電元件包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時(shí)，需要選用敏感波長(zhǎng)與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端

3、，常接有放大器，通過(guò)放大器得到足夠的信號(hào)輸出以防干擾的影響。二、莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距2.1線光柵莫爾條紋W1=W2，且θ很小時(shí)2.2徑向圓光柵莫爾條紋兩塊節(jié)距角都是α的徑向光柵偏心疊合，其圓中心相距為2S，則莫爾條紋方程為2.3切向圓光柵莫爾條紋兩塊節(jié)距角都是α，內(nèi)切小圓半徑都是r的切向光柵同心疊合，則莫爾條紋方程為三、莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)（2）位移放大作用當(dāng)兩光柵交角θ很小時(shí)，相當(dāng)于把柵距w放大了1/θ倍。當(dāng)θ=0時(shí)，B→∞,稱為光閘莫爾條紋。(3)同步性光柵運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距w，莫爾條紋相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)條紋間距。(1)條紋的移動(dòng)與光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)在保持兩光

4、柵交角一定的情況下，使一個(gè)光柵固定，另一個(gè)光柵沿柵線的垂直方向運(yùn)動(dòng)，則莫爾條紋將沿柵線方向移動(dòng)。若光柵反向運(yùn)動(dòng)，則莫爾條紋的移動(dòng)方向也相應(yīng)反向。徑向光柵進(jìn)行角度測(cè)量當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，條紋即沿徑向移動(dòng)，測(cè)出條紋移動(dòng)數(shù)目，即可得到標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。四、光柵的光路透射光路反射光路（1）透射式光路1-光源2-準(zhǔn)直透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。（2）反射式光路1反射主光柵2-指示光柵3-場(chǎng)鏡4-反射鏡5-聚光鏡6-光源7-物鏡8-光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。五、辨向原

5、理單個(gè)光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測(cè)量位移。如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測(cè)量結(jié)果。辨向光路設(shè)置在相距Bh/4的位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，以得到兩個(gè)相位互差90°的正弦信號(hào)辨向電路正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。辨向電路各點(diǎn)波形圖六細(xì)分技術(shù)提高分辨力方法：在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對(duì)柵距進(jìn)行測(cè)微，電子學(xué)中稱“細(xì)分

6、”，來(lái)得到所需的最小讀數(shù)值。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。直接細(xì)分直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。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。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。未細(xì)分(a)與細(xì)分(b)的波形比較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)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）反射式光柵透射

7、式光柵透射式圓光柵固定投影柵測(cè)量三維物體形貌令：T------光柵的周期D-----攝像機(jī)鏡頭和光柵投影儀鏡頭光心間的距離L-----攝像機(jī)鏡頭和光柵投影儀鏡頭光心連線到參考平面的距離Δφ(x,y)----物體表面變形光柵與參考平面上光柵的相位差則被測(cè)物體表面高度為四步相移法測(cè)量方法將四幅相位差為90°的光柵依次投影于物體表面，得到四幅變形光柵圖案。四幅變形光柵的光強(qiáng)分布為則稱為包裹相位