光柵測量系統倪霞林

機械工程及自動化學院當前第1頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

數字信號檢測系統的組成

數字信號檢測系統的組成傳感器整形電路放大器細分電路脈沖當量變換電路計數器寄存器計算機顯示執行機構辨向電路數字信號檢測系統的組成細分電路當前第2頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵數字式傳感器光柵是由很多等節距的透光的縫隙或不透光的刻線均勻、相間排列而成的光電器件。20線-150線/mm25線-50線/mm透射式反射式為光柵常數，也稱光柵柵距。數字信號檢測系統的組成當前第3頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵的分類按用途分物理光柵計量光柵利用光的衍射現象，主要用于光譜分析、光波長測量。利用莫爾條紋現象，主要用于長度、角度、速度、加速度、振動等物理量的測量。計量光柵長光柵圓光柵用于長度測量用于角度測量按光的走向透射式光柵反射式光柵按柵線的形式黑白光柵（幅值光柵）閃耀光柵（相位光柵）徑向光柵切向光柵環形光柵當前第4頁\共有34頁\編于星期四\19點長光柵---直線位移圓光柵---角位移

構成：

主光柵---標尺光柵，定光柵

指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度

(10、25、50、100、125線/mm)THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構當前第5頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵傳感器的結構和工作原理光源透鏡主光柵指示光柵光電元件光柵副光路光柵傳感器的結構當前第6頁\共有34頁\編于星期四\19點按運動形式分：直線型---主光柵為直尺形→直線移動旋轉型---主光柵為圓盤形→旋轉運動按光學形式分：透射式---光源與光電元件在兩側→透射光反射式---光源與光電元件同一側→反射光THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的結構當前第7頁\共有34頁\編于星期四\19點莫爾條紋的形成THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理+-位移正弦波當前第8頁\共有34頁\編于星期四\19點條紋寬度：

W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b，a=b=W/2

特例：當=0,w1=w2→B=→光閘莫爾條紋當=0,w1≠w2→縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術莫爾條紋（Moire）當前第9頁\共有34頁\編于星期四\19點方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時→與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距→方向對應放大性：夾角θ很小→B>>W→光學放大→提高靈敏度可調性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準確性：大量刻線→誤差平均效應→克服個別/局部誤差→提高精度

THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術莫爾條紋（Moire）的特性當前第10頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理故被測物體位移＝柵距×脈沖數被測物體位移莫爾條紋移動正弦波方波脈沖通過光柵轉換通過光電元件轉移整形轉換邏輯電壓轉換當前第11頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理當前第12頁\共有34頁\編于星期四\19點光柵傳感器特點

精度高：測長±(0.2+2×10-6L)μm，測角±0.1″量程大：透射式---光柵尺長（米），反射式---幾十米響應快：可用于動態測量增量式：增量碼測量→計數斷電→數據消失要求高：對環境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度成本高：電路復雜

THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的結構和工作原理光柵傳感器的工作原理當前第13頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路信號各種接口放大細分整形四倍頻、判向加減計數正弦(余弦)信號方波信號數字信號信號轉換當前第14頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路信號的形成與轉換W當前第15頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路信號的形成與轉換標尺光柵指示光柵假如移動了一個柵距得到四個信號：當前第16頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路信號的形成與轉換得到一對相位相差的正交差分信號正弦差分信號余弦差分信號當前第17頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路信號放大可得到相位差分別為，，的正弦信號＋－＋－當前第18頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路位移信號一對正交位移信號：和位移的方向：正向時超前反向時超前位移的大小：可見位移大小的信息包含在信號的相位中。當前第19頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術

光柵傳感器的測量電路電阻鏈細分電路設，。則注：當前第20頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路五細分電路當前第21頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路信號整形正弦信號通過電壓比較器，整形為同周期的方波信號。＋－電壓比較器＋－電壓比較器當前第22頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路五細分電路信號處理過程得到十路方波信號，其相位依次相差

當前第23頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路五細分電路信號處理過程信號相位每變化就產生一個新的方波，所以得到5倍頻（細分）。當前第24頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路五細分電路信號處理過程得到五細分（倍頻）后的，正交方波。當前第25頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路五細分電路實現：74LS86異或門74LS86異或門21351113964138121051110412896231注：異或門74LS86：真值表：當前第26頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路四細分、判向邏輯小結：光柵相對位移莫爾條紋正交正弦信號五細分正交方波信號細分后的一個方波信號是原正弦信號按相位等分的五分一，因此，分辨率提高了五倍。細分后的方波信號仍是一對正交方波信號。當前第27頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路四細分、判向邏輯關于正交方波信號的討論：正交方波信號位移方向信息：正向移動時，A超前B；反向移動時，B超前A。位移大小信息：相位。正交方波信號的狀態變化規律：10110001正向移動時反向移動時結論：正交方波信號的狀態變化規律為：正向時00、10、11、01而反向時相反一個方波狀態改變四次當前第28頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路四細分、判向邏輯正交方波信號四細分：一個方波內狀態改變四次，記錄下狀態改變的次數，則一個方波又按相位被細分為四等分。判向：根據當前時刻和前一時刻的狀態，可以判斷出位移的方向。因此，在整個位移過程中，我們只要記錄下信號狀態的變化次數，并在正向時做加計數，反向時做減計數。可得脈沖當量柵距；位移長度；總計數值；當前第29頁\共有34頁\編于星期四\19點THECOLLEGEOFMECHANICALENGINEERINGAUTOMATION,FUZHOUUNIVERSITY機電一體化技術光柵傳感器的測量電路結果顯示、打印位移長度：總細分數顯示打印其它處理例：一光柵數顯系統，選用的光柵傳感器，電子處理系統的電阻鏈細分數為25，后接4細分判向電路。問該系統的光柵柵距是多少？脈沖當量和最小分辨率分別是多少？當光柵移動了