光栅传感器与光电编码器.ppt

2002/12总结 光栅式传感器 基本工作原理和计量光栅的种类 莫尔条纹 横向莫尔条纹重要特性: ①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 ②莫尔条纹具有位移放大作用 ③莫尔条纹具有平均光栅误差作用 辨向原理和细分电路 辨向原理和细分电路 光学细分由于结构复杂、调试困难、成本高等原因，已很少使用。而电子细分的原理是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲，就可使分辨率为原来的n倍，每个脉冲当量相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率为原来的n倍，所以也称为n倍频。 计算机软件细分 光栅信号的计算机软件细分技术是目前应用较为广泛、也比较成熟的细分技术。 软件细分法一般是： 将二个相差π/2的信号通过A/D转换输入微机，再利用一定的算法计算出莫尔信号的相位，即可推算出此时莫尔条纹内的位置点，得到小于栅距的细分值，又称小数。 通过辨向电路输出的为大数脉冲，脉冲频率对应于莫尔条纹变化频率，脉冲当量为光栅栅距值。 光电编码器 * * 基本工作原理和计量光栅的种类 莫尔条纹 辨向原理及细分电路 一、基本工作原理 光栅栅线放大图 二、光栅的种类： 光栅的种类很多，若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。 而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。 计量光栅的分类 黑白透射长光栅 光栅传感器的构成原理图 横向莫尔条纹 相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。 长光栅横向模尔条纹 从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫尔条纹间距B为: 由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。当θ＝0、B＝∞时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故将这种条纹称为光闸莫尔条纹。 一、辨向原理 在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别光栅的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，并将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务的电路就是辨向电路。 用正弦函数表示为： 式中，u为光电元件输出电压，U0为输出信号中的平均直流分量，Um为输出信号中正弦交流分量的幅值。 辨向电路原理框图 光栅移动时辨向电路各点波形 依次相距B／4的位置安放四个光电元件 二、细分电路 以移动过的莫尔条纹数量来确定位移量，能测量的最小位移量就是光栅栅距。为了提高分辨率，以测量小于栅距的位移量，应采用细分技术。光栅信号细分技术主要有光学细分、电子细分和微机软件细分方式。 细分与未细分的比较 注意： 在电子细分技术中，常采用四倍频细分法，这种细分法也是许多其他细分法的基础。 四倍频细分电路 电阻桥细分电路 电子细分不可能得到高的细分数，且细分数是固定的，所以现在大多数光栅数显表都采用了微机软件细分法。 经过大小数合并处理后，再由微机进行数值计算和码制转换等处理，即可得到测量值。 采用微机软件细分方法，不但可以得到高细分数，而且可以通过编程改变细分数、结构简单、成本低、可靠性高，非常适用于智能检测与控制等系统。 编码器概述- 编码器是将位移量转换成以数字代码形式输出的传感器，这类传感器的种类很多，按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器，直线式编码器又称为编码尺，旋转式编码器又称为编码盘。编码尺和编码盘可以分别用于直线位移和角位移的测量，但由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的，因此旋转式编码器应用更为广泛。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而广泛用于各种位移测量。