1、传感器与检测技术Sensor and Detection Technology,朱启兵 ,传感器与检测技术,第4章 光电式传感器,光 栅,1.2,第4章光电式传感器,4.2.1 光电码盘编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码(后面将详细说明)。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统(如微机)联接
2、。编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码,第4章光电式传感器,绝对式接触式编码器演示,4个电刷,4位二进制码盘,+5V输入 公共码道,最小分辨角度为,=360/2n,光电式编码器接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。,1光电式编码器的结构和工作原理光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘编码器是一样
3、的。不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀,第4章光电式传感器,第4章光电式传感器,2.码盘和码制,存在问题：多个状态同时改变，容易产生粗大误差,第4章光电式传感器,2.码盘和码制,解决办法：格雷码,2用插值法提高分辨率 为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法)来进一步提高分辨率。,第4章光电式传感器,第4章光电式传感器,第4章光电式传感器,二、增量式编码器,转轴,盘码及狭缝,光敏元件,光栏板及辨向用的A、B狭缝,LED,A,B,C,零位标志,A,
4、B,C,第4章光电式传感器,辨向信号和零标志,光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）,测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。,第4章光电式传感器,M法,T法,测量线位移 利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度,第4章光电式传感器,图1027（a）
5、表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。 图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。 图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。 无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。
6、,第4章光电式传感器,计数和辨向 为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用A、B两相脉冲来实现。光电元件A、B输出情号经放大整形后，产生P1和P2脉冲。将它们分别接到D触发器的D端和CP端，由于A、B两相脉冲(P1和P2) 脉冲相差90，D触发器FF在CP脉冲(P2)的上升沿触发。正转时P1脉冲超前P2脉冲，FF的Q“1”表示正转；当反转时，P2超前P1脉冲，FF的Q“0”表示反转。,可以用Q作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。C相脉冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复 位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增
7、量，故这种测量称为增量法。,第4章光电式传感器,四倍频细分电路原理图如图1029（a）所示。 输出x1与x2信号作为计数器双时钟输人信号。 按电路图可得如下逻辑表达式：,细分电路,第4章光电式传感器,第4章光电式传感器,Q1、Q2、Q3和 Q4分别与S1、S2和相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位/2。电路各点的波形如图1029（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲宽度的一半，相位差为/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和 Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的12，但同时要满足与Y1、Y2、Y3和Y4相“与”的要求。由图1029可知
8、，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。,第4章光电式传感器,第4章光电式传感器,光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。 按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。,4.2.2 光
9、栅,第4章光电式传感器,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,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长磁栅,第4章光电式传感器,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,第4章光电式传感器,莫尔条纹的光学放大作用,在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。,光栅的刻线宽度W,莫尔条纹的宽度L,LW/ ，（为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,条纹间距L与栅距W和夹角
10、有如下关系：,当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。越小，B越大，当小于1以后，可使BW，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。,第4章光电式传感器,第4章光电式传感器,莫尔条纹演示,第4章光电式传感器,有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则：分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅
11、距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。,第4章光电式传感器,1光电转换主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信弓转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图 (a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强,光栅式传感器的测量电路,随莫尔条纹移动而变化。在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半
12、，光强减小；d处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图 (b)所示的输出波形。光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：式中 U0 输出信号的直流分量；Um 输出信号的交流信号幅值；x 光栅的相对位移量。,第4章光电式传感器,2辨向原理为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔1/4条纹间的位置上安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号U1、U2的相位差将为/2，可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。,两种信号经整形后得到方波U1/和U2/。U2/ 作为门控信号同U1/的微分信号一起输入到与门Y1、同U1/倒
13、相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，U2/超前U1/，则先于U1/的微分信号打开了Y1，可从Y1得到向右移动脉冲输出（Y1称为右移动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微分信号到达Y2时Y2已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。,第4章光电式传感器,3细分原理如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1m，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有直接倍频细分法、电桥细分法等。这里仅以四倍频细分为例介绍直接倍频细分法。在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图 (b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。,若再增加光敏 元件，同理可以进一步地提高测量分辨率。,第4章光电式传感器,电桥细分,
