《光栅传感器》.ppt

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传感器原理及应用 光栅基础 1.光栅的结构 光栅是在一块长条型(圆形)光学玻璃(或金属)上均匀刻上许多宽度相等的刻线,形成透光与不透光相间排列的光电器件。 栅线——光栅上的刻线,宽度a 缝隙宽度b 栅距w=a+b(也称光栅常数) 2、分类 按原理和用途:物理光栅和计量光栅 物理光栅:刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。 计量光栅:主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。 2、分类 按光的走向:透射式(玻璃)和反射式(金属) 透射式光栅:刻划基面采用玻璃材料 反射式光栅:刻划基面采用金属材料 按栅线形式:黑白光栅(幅值光栅)和闪耀光栅(相位光栅) 黑白光栅:利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构; 相位光栅:横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。 2、分类 按应用类型:长光栅和圆光栅 光栅传感器的工作原理 工作原理: 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量:光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化,光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号,由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。 特点: 数字式传感器:能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比,数字式传感器抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。 3.莫尔条纹 1).莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角θ时, 光源照射光栅尺,两块光栅刻线的重合处,光从缝隙通过,形成亮带,而在刻线彼此错开处,由于相互挡光作用形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。 莫尔条纹演示 2) 莫尔条纹的特征 ①、位移放大作用 ②、运动对应关系 三、辨向原理及辨向电路 1)辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时,在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化,后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲,从而无法辨别光栅移动的方向,也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。 2)辨向原理与辨向电路 AB与CD两个狭缝在结构上相差π/2,所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π/2。 AB为主信号,CD为门控信号。 当主光栅作正向运动时,CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过,门电路在可逆计数器中作加法运算; 当主光栅作反方向移动时,则CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过,门电路在可逆计数器中作减法运算。 莫尔条纹细分技术 目的:提高分辨力(测量更小的位移量)。 细分方法: 1.增加光栅刻线密度; 2.电子细分; 3.机械和光学细分。 电子细分:在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内, 发出n个脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此也称之为n倍频法。 通常采用的电子细分方法有:四倍频细分和电桥细分等。 光栅传感器 长光栅:刻划在玻璃尺上的光栅,也称为光栅尺,刻线相互平行;用于测量长度或线位移 圆光栅:在圆盘玻璃上刻线,用来测量角度或角位移. 栅距 栅线宽度 缝隙宽度 栅距角 圆光栅分类: 根据栅线刻划的方向,圆光栅分三种: 径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心; 切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅: 一簇等间距同心圆组成. 若按光线的走向,圆光栅只有透射光栅。 光栅传感器的组成 1-光源;2-聚光镜;3-光栅主尺;4-指示光栅; 5-光敏元件;6-莫尔条纹;7-光强分布 光栅传感器的组成 组成:光源、透镜、光栅、光敏元件 光源:白炽灯或其它发光元件; 透镜:把光线变成平行光束照射在光尺上; 光敏元件:输出电压信号; 构成:主光栅 --- 标尺光栅,定光栅;指示光栅 --- 动光栅 长度 --- 测量范围;刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ) 长光栅横向莫尔条纹 横向莫尔条纹:由于两光栅的栅线夹角θ 很小,条纹近似与栅线的方向垂直,故称为横向莫尔条纹。 纵向莫尔条纹:当栅线的夹角θ=0,且两光栅栅距不等时产生的莫尔条纹。 光闸莫尔条纹:当栅线的夹角θ=0, 且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。 横向莫尔条纹 光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系为: B 结论: θ越小, k越大,B越大。 例如:θ=0.1°, W=0.02mm时 θ

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