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1,第三節(jié)大位移檢測(cè)傳感器,二、光柵位移傳感器,2,二、光柵式位移傳感器光柵式位移傳感器有測(cè)量線(xiàn)位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量角位移的圓光柵。,3,光柵式位移傳感器的分類(lèi),1測(cè)量線(xiàn)位移的長(zhǎng)光柵,2測(cè)量角位移的圓光柵,4,,,長(zhǎng)光柵,圓光柵,5,由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)器件稱(chēng)為光柵，如圖所示。用玻璃制成的光柵稱(chēng)為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。光柵的刻痕密度一般為每厘米10、25、50、100線(xiàn)?？毯壑g的距離為柵距W。,莫爾條紋,6,光柵結(jié)構(gòu)放大圖,7,長(zhǎng)光柵是在兩塊光學(xué)玻璃上或具有強(qiáng)反射能力的金屬表面上，刻上相同的均勻密集的平行細(xì)線(xiàn)。如果將這兩塊玻璃板或金屬板重疊放置，并使它們的刻線(xiàn)間有一微小夾角?，此時(shí)，由于光的干涉效應(yīng)，兩塊光柵的刻線(xiàn)相交處，光會(huì)從縫隙透過(guò)，形成亮帶（如圖a-a線(xiàn)），而在一塊光柵的刻線(xiàn)與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶（b-b），這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋，這些條紋稱(chēng)為莫爾條紋。條紋方向與刻線(xiàn)方向近似垂直。,莫爾條紋,8,根據(jù)莫爾條紋效應(yīng)設(shè)計(jì)光柵傳感器。,莫爾條紋,9,若光柵柵距為W，兩個(gè)相鄰莫爾條紋的間距為BH，（即莫爾條紋中兩條暗紋或兩條亮紋之間的距離）則有,莫爾條紋,這里θ是弧度，如果夾角為0.10，則θ=0.1/180*π,則BH=573W,相當(dāng)于把柵距放大了573倍。,10,——運(yùn)動(dòng)方向：當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線(xiàn)垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線(xiàn)方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。——莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例：光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH；——莫爾條紋具有位移放大作用：莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為BH=W/θ,θ越小，則BH越大。這相當(dāng)于把柵距W放大了1/θ倍。如對(duì)于25線(xiàn)/mm長(zhǎng)光柵而言，W=0.04mm,若θ=0.016rad，則BH=2.5mm(這樣，可把肉眼看不見(jiàn)的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來(lái)檢測(cè)光柵的位移。可以實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量),莫爾條紋有如下特點(diǎn),11,——當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線(xiàn)垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。,,其電壓為：,莫爾條紋有如下特點(diǎn),12,——莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用：莫爾條紋由大量的光柵柵線(xiàn)共同形成，所以對(duì)光柵柵線(xiàn)的刻劃誤差有平均作用。通過(guò)莫爾條紋所獲得的精度可以比光柵本身柵線(xiàn)的刻劃精度還要高。,莫爾條紋有如下特點(diǎn),——莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)等于光柵移過(guò)的柵線(xiàn)數(shù)。如采用100線(xiàn)/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了xmm(即移過(guò)100 x條光柵柵線(xiàn)時(shí)），則從光電元件前掠過(guò)的莫爾條紋也是100 x條。由于莫爾條紋間距比柵距寬的多，所以能夠被光敏元件識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際位移。,13,當(dāng)兩個(gè)光柵沿刻線(xiàn)垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線(xiàn)方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，通過(guò)測(cè)量莫爾條紋移過(guò)的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。光柵運(yùn)動(dòng)方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向也作相應(yīng)改變。查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向.莫爾條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動(dòng)近似按正弦規(guī)律變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。因此可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測(cè)出光柵移動(dòng)的距離和方向。光柵傳感器就是根據(jù)這一原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的檢測(cè)。,1.長(zhǎng)光柵位移傳感器的工作原理,14,在作直線(xiàn)位移測(cè)量時(shí)，常把前面介紹的兩塊光柵作成一個(gè)標(biāo)尺光柵和一個(gè)指示光柵。標(biāo)尺光柵是一個(gè)長(zhǎng)條形光柵，光柵長(zhǎng)度由所需量程決定。指示光柵較短，通常根據(jù)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的需要而定，一般與光學(xué)系統(tǒng)物鏡直徑相同。光柵條紋密度有25條/mm，50條/mm、100條/mm或更密，柵線(xiàn)長(zhǎng)度一般為6～12mm。,2.長(zhǎng)光柵位移傳感器,15,,光柵的構(gòu)造：,16,2.長(zhǎng)光柵位移傳感器,根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，光柵可以制成透射光柵和反射光柵。透射光柵的柵線(xiàn)刻制在透明材料上，要求較高時(shí)，可以采用光學(xué)玻璃；而指示光柵最好采用光學(xué)玻璃。反射光柵的柵線(xiàn)刻制在具有反射率很高的金屬或鍍以金屬膜的玻璃上。,17,由于采用不同形式的光柵，光學(xué)系統(tǒng)也各不相同，常采用的光學(xué)系統(tǒng)有：(1)透射式光路(2)反射式光路,3.光學(xué)系統(tǒng),18,（1）透射式光路,光源5發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)準(zhǔn)直透鏡4變成平行光，入射到指示光柵3上，經(jīng)過(guò)指示光柵3和標(biāo)尺光柵2，再透射到光敏元件1上。一般標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而光源、指示光柵和光敏元件固定在被測(cè)位移體上，莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)被光敏元件接收。每當(dāng)亮帶通過(guò)光敏元件時(shí)，有一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)輸出。,19,透射式光柵,20,（2）反射式光路,光源1發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)聚光鏡2及場(chǎng)鏡4后以平行光束射向指示光柵5上，再經(jīng)標(biāo)尺光柵6反射后形成莫爾條紋，通過(guò)反射鏡3和物鏡系統(tǒng)7把莫爾條紋的信號(hào)送入光敏元件8上.當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵有相對(duì)位移時(shí)，光敏元件可接收到移動(dòng)的莫爾條紋信號(hào)。,21,反射式光柵,22,長(zhǎng)光柵式位移傳感器的特點(diǎn)長(zhǎng)光柵位移傳感器的測(cè)長(zhǎng)精度可達(dá)0.5～3?m(3000mm范圍內(nèi))，分辨力可達(dá)0.1?m,可進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量,23,用兩塊刻線(xiàn)數(shù)目相同，切線(xiàn)圓半徑分別為r1、r2的切向圓光柵同心放置，所產(chǎn)生的環(huán)形莫爾條紋如圖所示,4.圓光柵,其條紋間距為,24,用兩塊刻線(xiàn)數(shù)目相同的徑向圓光柵偏心放置，偏心量為e，這時(shí)形成不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋如圖所示,4.圓光柵,其條紋間距為,25,動(dòng)光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，因此，可將軸旋轉(zhuǎn)的角度量變換成莫爾條紋信號(hào)。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件，將莫爾條紋的變化轉(zhuǎn)換成近似于正弦波形的電信號(hào)。測(cè)角精度可達(dá)0.15”，分辨力可達(dá)0.1”，甚至更高。,4.圓光柵,26,二、光柵式位移傳感器4.圓光柵(1)切向圓光柵(2)徑向圓光柵,徑向圓光柵切向圓光柵,4.圓光柵,27,由前面分析，光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，光電元件輸出就變化一個(gè)周期2π，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)脈沖，若按此進(jìn)行計(jì)數(shù)，則它的分辨力只有一個(gè)光柵柵距W.為了能夠分辨比W更小的位移量，就要提高分辨力，一種方法是可以采用增加刻劃密度的方法來(lái)減少柵距，但這種方法受到制造工藝或成本的限制，如倘若要讀出位移為0.1?m，勢(shì)必要求每毫米刻線(xiàn)1萬(wàn)條，這是目前工藝水平無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。,,5.細(xì)分技術(shù),28,,——常用的細(xì)分方法有四倍頻細(xì)分法、十六倍頻細(xì)分法、計(jì)算機(jī)細(xì)分法等。,5.細(xì)分技術(shù),另一種方法是采用柵距細(xì)分技術(shù)，由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖提高了n倍，所以細(xì)分又稱(chēng)倍頻，細(xì)分后可以在不增加刻線(xiàn)數(shù)的情況下較大地提高光柵的分辨力。,29,四倍頻細(xì)分法在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，如右下圖(a)所示，得到相位分別相差π/2四個(gè)正弦周期信號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)，使其合并得到如右下圖所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了1/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。此種方法被稱(chēng)為四倍頻細(xì)分法。,,,,,30,課堂練習(xí),31,4、在下述位移傳感器中，適宜于測(cè)量大位移的傳感器是（單一）,A、電阻式傳感器,B、電感式傳感器,C、壓電式傳感器,D、光柵式傳感器,32,4、在下述位移傳感器中，適宜于測(cè)量大位移的傳感器是（單一）,D、光柵式傳感器,33,1、若光柵式位移傳感器的光柵柵距為0.04mm,柵線(xiàn)的夾角為1.80，則相鄰莫爾條紋的間距為（單一）,A、0.022mm,B、0.07mm,C、1.27mm,D、3.99mm,34,11、若光柵式位移傳感器的光柵柵距為0.04mm,柵線(xiàn)的夾角為1.80，則相鄰莫爾條紋的間距為（單一）,C、1.27mm,35,23、四倍細(xì)分式光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)，分辨力為0.004/mm脈沖，則光柵的柵距為（）（模擬一）,36,23、四倍細(xì)分式光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí)，分辨力為0.004/mm脈沖，則光柵的柵距為（）（模擬一）,用四倍細(xì)分，則分辨力是光柵柵距的1/4，則光柵柵距為分辨力的4倍。4*0.004=0.016mm,37,9、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，如果柵線(xiàn)為50線(xiàn)/mm,當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí),則分辨率為（）（模擬一）,38,9、四倍細(xì)分光柵式位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)，如果柵線(xiàn)為50線(xiàn)/mm,當(dāng)用4個(gè)光電元件接收莫爾條紋的移動(dòng)信號(hào)時(shí),則分辨率為（）（模擬一）,分辨率是一個(gè)光柵柵距，即1/50=0.02mm，若用四個(gè)光電元件，即經(jīng)過(guò)四倍細(xì)分后，則光柵柵距為分辨力的4倍。分辨力為0.02/4=0.005mm,39,23、為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率，需要對(duì)磁柵、容柵等大位移測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行（）（模擬四）,40,23、為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率，需要對(duì)磁柵、容柵等大位移測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行（細(xì)分）（模擬四）,41,31、已知光柵式位移傳感器的柵線(xiàn)為50線(xiàn)/mm，主光柵和指示光柵的柵線(xiàn)的夾角為0.2。(模擬四）（1）求光柵莫爾條紋的間距，及莫爾條紋的放大系數(shù)；（2）測(cè)量時(shí)，若光電元件接收到莫爾條紋10個(gè)周期的光強(qiáng)信號(hào)，求測(cè)得的位移是多少？（3）若采用四倍細(xì)分電路，可得到的分辨力是多少？,,,42,31、已知光柵式位移傳感器的柵線(xiàn)為50線(xiàn)/mm，主光柵和指示光柵的柵線(xiàn)的夾角為0.2。（1）求光柵莫爾條紋的間距，及莫爾條紋的放大系數(shù)；（2）測(cè)量時(shí)，若光電元件接收到莫爾條紋10個(gè)周期的光強(qiáng)信號(hào)，求測(cè)得的位移是多少？（3）若采用四倍細(xì)分電路，可得到的分辨力是多少？,,,43,10、若某光柵柵線(xiàn)為25線(xiàn)/mm，則四倍細(xì)分后，其分辨力是多少？,,,A、0.001mm/脈沖,B、0.005mm/脈沖,C、0.01mm/脈沖,D、0.02mm/脈沖,44,10、若某光柵柵線(xiàn)為25線(xiàn)/mm，則四倍細(xì)分后，其分辨力是多少？(密押二）,,,=1/25/4=0.01mm,C、0.01mm/脈沖,