光栅传感器教学课件PPT汇总.ppt

反射式光栅 透射式光栅 透射式圆光栅 2、光栅的外形及结构 4、光栅副：指示光栅＋主光栅 安装有直线光栅的数控机床加工实况 优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。 辨向电路 六、辨向技术 如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。 * * 光栅传感器 一、光栅的种类和结构 二、光栅传感器的构成 三、莫尔条纹的形成原理及特点四、莫尔条纹测量位移 五、细分技术 六、辨向技术 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以及精密测量方面，测量精度可达几微米。只要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、振动、变形等，均可测量。 一、光栅的类型和结构 光栅 透射式光栅 反射式光栅 通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成 在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹。 光栅 长光栅 圆光栅 测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长 测量角位移的光栅为圆形 1、光栅的类型 固定 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔 可移动电缆 防尘保护罩的内部为长光栅 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺 可移动电缆 长光栅 圆光栅 通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。 3、栅距 黑白透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多明暗相间，宽度相同的透光线，称为栅线。设栅线宽为a，线间缝宽为b，a+b=W称为光栅节距(栅距)。 二、光栅传感器的构成 对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。 光栅传感器结构为： 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。如图所示。 图光栅传感器的组成 三、莫尔条纹的形成原理及特点 当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角θ时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带 ；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带 。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹。 1、莫尔条纹的形成原理 图 莫尔条纹 B 2、莫尔条纹的宽度 （θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度） 设a=b=W/2，则 所以， 当θ很小时， 3、莫尔条纹的特点 1）莫尔条纹的移动方向与光栅夹角有对应关系 当主光栅沿栅线垂直方向移动时，莫尔条纹沿着夹角θ平分线（近似平行于栅线）方向移动 表 莫尔条纹和光栅移动方向与夹角转向之间的关系 向上 向右 向下 向左 逆时针方向 向下 向右 向上 向左 顺时针方向 莫尔条纹移动方向 标尺光栅移动方向 标尺光栅相对指示光栅的转角方向 2）光学放大作用 由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ较小时，可使θ1，则BW。 如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝ ＝0.00029 rad，则：B=0.01/0.00029≈3.44mm，放大344倍。 放大倍数可通过改变θ角连续变化，从而获得任意粗细的莫尔条纹，即光栅具有连续变倍的作用。 3）均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。 莫尔条纹的主要特性： （1）消除光栅刻线不均匀误差 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。 即准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度 （2）位移的放大特性 放大性：夹角θ很小 → B＝ W / θ W → 光学放大 → 提高灵敏度 可调性：夹角θ↓→ 条纹间距B↑ → 灵活 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移动方向垂直 （3）移动特性 －输出信号中直 流分量 （4）光强与位置关系 对应性：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“倍频技术”。 注意事项： 光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光 栅的安装间隙无关。 莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则 光敏元件无法分辨光强的变化。 四、莫尔条纹测量位移 光栅每移过一个栅距