传感器技术及其应用((.ppt

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1、单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 1 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.1 光栅基础 10.2 光栅传感器的工作原理 10.3 莫尔条纹细分技术 10.4 常用光学系统 第 10章 光栅传感器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 2 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.1.1 光栅分类及结构 1. 光栅分类 光栅按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅 。 物理光栅刻线细密 ,利用光

2、的衍射现象 ,主要用于光 谱分析和光波长等量的测量；在几何量计量中使用 的光栅称为计量光栅 ,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 。 按其透射形式 ,光栅可分为透射式光栅和反射式光 栅 。 刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划 基面采用金属材料的为反射式光栅 。 10.1 光栅基础 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 3 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 按其栅线形式 ,光栅可分为黑白光栅 （ 幅值光栅 ） 和闪耀光栅 （ 相位光栅

3、 ） 。 黑白光栅是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；相位光栅的横断面呈锯齿状 ,常用 刻划工艺加工而成 。 按其应用类型 ,光栅可分为长光栅和圆 光栅 。 长光栅又称为光栅尺 ,用于测量长度或线位移；圆光栅 又称盘栅 ,用于测量角度或角位移 。 长光栅有透射式和反射式 , 而且均有黑白光栅和闪耀光栅；圆光栅一般只有透射式黑白 光栅 。 目前还发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅 。 本章主要介绍透射式的计量光栅 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 4 Anhui Science and Technology University 理学院 单

4、击此处编辑母版标题样式 2. 光栅结构 所谓光栅 ,是在刻划基面上等间距 （ 或 不等间距 ） 地密集刻划 ,使刻线处不透光 , 未刻线处透光 ,形成透光与不透光相间排 列构成的光电器件 。 光栅上的刻线称为 栅线 ,栅线的宽度为 a,缝隙宽度为 b,一般取 a=b,而 w=a+b称为栅距 （ 也称为光栅常数 或光栅节距 ,是光栅的重要参数 ,用每毫米 长度内的栅线数表示栅线密度 ,如 100线 mm、 250线 mm） 。 圆光栅还有一个参 数叫栅距角 或称节距角 ,它是指圆光栅上 相邻两条栅线的夹角 。 光栅结构如图 10.1 所示 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第

5、五级 5 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.1 光栅的结构 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 6 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 圆光栅有三种栅线形式： 一种是 径向光栅 ,其栅线的延长线通过圆心；另 一种是切向光栅 ,其栅线的延长线与光栅 盘的一个小同心圆相切；还有一种是其栅 线为一簇等间距同心圆组成的环形光栅。 圆光栅通常在圆盘上刻有 1080 64800条 线。圆光栅栅线如图 10.2所示。 单

6、击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 7 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.2 圆光栅栅线 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 8 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.1.2 莫尔条纹原理 计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的 。 莫尔条纹 的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的 （ 两只光栅参数相同 ） 。 主光栅用于满足测量范围及精度 , 指示光栅 （ 通常是从主尺

7、上裁截一段 ） 用于拾取信号 。 将 主光栅与指示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很 小的交角 ,这样就可以看到 ,在 a-a线上两只光栅栅线彼此错 开 ,光线从缝隙中透过形成亮带 ,其透光部分是由一系列棱 形图案构成的；在 b-b线上两只光栅栅线相互交叠 ,相互遮 挡缝隙 ,光线不能透过形成暗带 。 这种亮带和暗带相间的条 纹称为莫尔条纹 。 由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂 直 ,故该莫尔条纹称为横向莫尔条纹 。 莫尔条纹原理如图 10.3所示 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 9 Anhui Science and Technology Universi

8、ty 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.3 莫尔条纹原理 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 10 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10 .1.3 莫尔条纹特点 1. 位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距 B与栅距 w及两光 栅夹角 的关系为 令 k为放大系数 ,则 ww B 2 s in2 (10.1) 1 w Bk (10.2) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 11 Anhui Science and Technology University 理学院

9、单击此处编辑母版标题样式 一般 很小 ,所以放大系数 k很大 。 故尽管光栅栅距 w很小 ,而通过莫尔条纹的放大作用 仍使其清晰可辨 。 在安装调节时 ,通过调整 角 , 可以改变莫尔条纹宽度 ,从而使光电接收元件 能正确接收光信号 。 对于 100线 mm的光栅 , 栅距为 0.01mm,当夹角为 0.06 时 ,莫尔条纹间 距 B可达 10 mm,放大了 1000倍 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 12 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 2. 运动对应的关系 由图 10.1知 ,若

10、光栅栅距为 w,i为刻线数 ,x为移动距离 , 则 x=i w (10.3) 将式（ 10.3）代入式（ 10.1）中 ,有 (10.4) 当 i和 一定时 ,B与移动距离 x成正比。 i xB 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 13 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 由式 （ 10.4） 知 ,当 很小时 ,光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时 ,莫尔条纹 就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动 。 当 光栅移动一个栅距 w时 ,莫尔条纹就移动一个 条纹间隔 B；当光栅改变运动方向时 ,莫尔

11、条 纹也随之改变运动方向 ,两者具有相互对应的 关系 。 因此 ,可以通过测量莫尔条纹的运动来 判别光栅的运动 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 14 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 3. 误差减小作用 光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获 取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果 ,对刻划 误差有平均作用 ,从而能在很大程度上消除栅距的局部误差 及短周期误差的影响。这是光栅传感器精度高的一个重要 原因。 刻划误差是随机误差。设单个栅距误差为 ,形成莫尔 条纹区域内有 N

12、条刻线 ,则综合误差 为 N (10.5) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 15 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.2 光栅传感器的工作原理 10.2.1 光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统由光源 1、聚 光镜 2、光栅主尺 3、指示光栅 4和光敏元件 5 组成 ,如图 10.4(a)所示。当两块光栅作相对移 动时 ,光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变 化 ,如图 10.4(b)所示。在 a处 ,两光栅刻线不重 叠 ,透过的光强最大 ,光电元件输出的电信号也 最大； 单击此处编辑

13、母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 16 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 在 c处 ,由于光被遮去一半 ,光强减小；在 b处 , 光全被遮去而成全黑 ,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。因而形成图 10.4（ b）所示的输出波形。 在理想情况下 ,当 a=b=w时 ,光强亮度变化曲 线呈三角形分布 ,如图 10.4(b)中虚线所示。 但实际上因为刻划误差的存在造成亮度不 均 ,使三角波形呈近似正弦波曲线。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 17 A

14、nhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.4 光电转换 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 18 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.2.2 莫尔条纹测量位移原理 当光电元件 5接收到明暗相间的正弦信 号时 ,根据光电转换原理将光信号转换为电信号 。 当主光栅移动一个栅距 w时 ,电信号则变化了一个 周期 。 这样 ,光电信号的输出电压 U可以用光栅位 移 x的正弦函数来表示 ,光敏元件输出的波形为 式中： U

15、0输出信号的直流分量； Um交流信 号的幅值； x 光栅的相对位移量 。 w xUUU m 2s in 0 (10.6) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 19 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 由式 （ 10.6） 可知 ,利用光栅可以测量位移量 x的值 。 当波形重复到原来的相位和幅值时 ,相当于光 栅移动了一个栅距 w,如果光栅相对位移了 N个 栅距 ,此时位移 x=Nw。 因此 ,只要能记录移动 过的莫尔条纹数 N,就可以知道光栅的位移量 x 值 。 这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的

16、原 理 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 20 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.2.3 辨向原理 位移测量传感器如果不能辨向 ,则只能 作为增量式传感器使用。为辨别主光栅的移 动方向 ,需要有两个具有相差的莫尔条纹信 号同时输入来辨别移动方向 ,且两个莫尔条 纹信号相差 90 相位。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 21 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 实现的方法是在相隔

17、B 4条纹间隔 的位置上安装两只光敏元件 ,当莫尔条 纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完 全一样 ,相位相差 2。滞后还是超前 完全取决于光栅的运动方向。这种区 别运动方向的方法称为位置细分辨向 原理。辨向原理如图 10.5所示。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 22 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.5 辨向原理 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 23 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版

18、标题样式 AB与 CD两个狭缝在结构上相差 2,所以它们在光电元件上取得的信号 必是相差 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 。 这样就完成了辨向 过程 。 图 10.6为辨向原理电路框图 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 24 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式

19、 图 10.6 辨向原理电路框图 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 25 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.3.1 细分方法 （ 1） 增加光栅刻线密度。 （ 2） 对电信号进行电子插值 ,把一个周期 变化的莫尔条纹信号再细分 ,即增大一个周 期的脉冲数 ,称为倍频法。电子细分又可分 为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁 相细分等。 （ 3） 机械和光学细分。 10.3 莫尔条纹细分技术 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 26 Anhui Science and

20、 Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.3.2 光电元件直接细分 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件 （ 如图 10.4(c)所示 ） ,得到相位分别相差 2的四个正弦周期信号 （ 如图 10.7所示 ） 。 用适当的电路处理这一列信号 ,由图 10.8(a)可知 , AB和 CD两光电元件输出的 U1和 U2经方波发生 器后变成方波 ,并相差 2。 在 1、 3点的方波经倒相器倒相 一次 ,便得到 2、 4点两个方波倒相电压 。 将它们分别微分后 获得 5、 6、 7、 8四点的正脉冲 ,同时送到与非门得到 9点的 12个输出脉冲为原来任意

21、一路的四倍 ,实现了四倍频细分 , 如图 10.8（ b） 所示 。 用计数器对这一列脉冲信号计数 ,就可以得到 1/4个莫尔条 纹宽度的位移量 （ 即光栅固有分辨率的四倍 ） 。 此种细分 方法被称为四倍频细分法 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 27 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.7 四路电信号波形 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 28 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题

22、样式 图 10.8 四倍频细分 (a) 四倍逻辑；（ b） 波形图 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 29 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.3.3 CCD直接细分 1. 细分原理 CCD直接细分的原理是 ,利用线阵 CCD上数千个等间距 的像素所构成的“感光尺”对整栅距的位移信号 ,即周 期性的交点移动信号进行细分 ,使测量信号能够反映一 个栅距内的精确位移。细分的具体方法如下。在均匀 的背景光照明下 ,光栅刻线在 CCD像素位置上形成明暗 相间的像 ,如图 10.9(a)所示。 C

23、CD在扫描驱动脉冲的控 制下对一维视场进行扫描 ,输出一个周期性的脉冲序列。 周期内的脉冲数等于像素数 ,脉冲幅值反映了像点的亮 度 ,从脉冲序列中可以明显地辨认出交点的位置（暗点） （如图 10.9（ b）所示）。对脉冲进行限幅比较 ,并配以 简单的逻辑电路即可筛选出从扫描原点到第一个交点 之间的脉冲 ,如图 10.9(c)所示。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 30 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.9 CCD直接细分 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级

24、 31 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 将计数脉冲与扫描脉冲合二为一可大大简 化后续电路 。 当光栅位移大于一个栅距时 , 交点的位置发生突变 ,此时从扫描原点到临 界脉冲之间的脉冲数也会发生突变 。 通过 计算机记下突变的次数以及变化的正负方 向 ,再经过累加计算即可获得大于一个栅距 的位移 。 这种累计方法记录了每个栅距间 的绝对距离 ,所以可以排除因光栅刻线粗细 、 间距不均匀而造成的测量误差 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 32 Anhui Science and Techn

25、ology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 当刻线与 CCD像场的交点移动时 ,亮点临界脉 冲的位置也相应地改变 。 用计数器记下从扫 描原点到临界脉冲间的脉冲数 ,即可确定光栅 在一个栅距间的位移 。 在没有软件细分的情 况下 ,离散信号定位精度不会高于 CCD的物理 分辨率 ,所以 ,以扫描脉冲作为计数脉冲已经足 够 ,提高计数频率也不会有改善 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 33 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 与电路细分的栅式测量一样 ,直接细分法的测

26、量也分为绝对测量和相对测量两部分。一个栅距 内的绝对测量由 CCD直接完成 ,栅线的计数和辨 向则需由计算机软件完成。两部分数据整合后 得出光栅的绝对位移。在测量过程中 , CCD保 持与光栅刻线的夹角 不变 ,驱动电路驱动 CCD 进行循环采样 ,经过临界比较筛选后的脉冲不断 地刷新计数器。以上的测量周期由硬件自动完 成 ,以保证系统的动态响应速度。测量软件通过 查询方式对计数器读数 ,获取位移信息并对数据 进行拼接 ,得到最终测量结果。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 34 Anhui Science and Technology University 理学院 单

27、击此处编辑母版标题样式 2. 细分精度 这种细分方法的分辨率取决于两交点像之 间所包含的像素数 ,精度取决于像素的尺寸精度以及 各像素光电特性的一致性 。 由于 CCD是采用蚀刻方 法制作的集成电路 ,各像素尺寸和光电特性都较均一 , 所以采用 CCD直接细分法时精度可以做到与其分辨 率同一个数量级 。 如果采用软件拟合方法 ,精度还可 以进一步提高 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 35 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 由于线阵 CCD与标尺光栅刻线也有一个 角 ,投影 在 CCD视

28、场中的交点数就等于以前的莫尔条纹 数 。 改变 角的大小就可以改变视场中交点的个 数 ,从而改变直接细分的分辨率 。 CCD直接细分 光栅的分辨率 由下式决定： P qw P L s i n (10.7) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 36 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 式中： L为 CCD的像场长度； P为有效像素数； q为像场中的交点数 。 计量光栅的栅距为 w=0.01mm,线阵 CCD像 素数可以做到 P=5000个 。 设在视场中有两个交 点的像 ,此时 q=2,由公式 （

29、 10.7） 可知分辨率 可 达到 4nm。 当采用 CCD光栅栅距直接细分法时 , CCD输出的图像信号经处理后为一系列代表光 栅栅线相对位置的周期性脉冲序列 （ 如图 10.9(d)） 。 设每一个周期内的脉冲数为 n,则位 移 x与输出信号 n的关系为 x=NNMS=nS 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 37 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 式中： N扫过 CCD视场的刻线数； N光栅相邻两刻线间对应的线阵 CCD 像素数； M后续电路或计算机软件对信号进行 的插值细分数； S 位

30、移脉冲当量 ,即单位脉冲信号代表 的光栅相对位移量。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 38 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.3.4 光栅传感器的误差 单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决 定的。计量光栅大多数是在构成莫尔条纹的情况 下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用 ,使局部刻 划误差的影响大大减小。 设光电接收元件所覆盖的光栅刻线总数为 N, 单个栅距误差为 ,则可利用式 (10.3)粗略地描述平 均误差与单个栅距误差之间的关系。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四

31、级 第五级 39 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 因为常用栅距 w为 0.05 0.01mm,若取光电池尺寸为 10 mm,则 平均误差 为 100020010 w N ) 32 1 14 1( N 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 40 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 因此 ,其平均误差 很小 。 实际上莫尔条纹 变化一周 ,只移动一个栅距 ,也就是在 200 1000条刻线中只改变了一条刻线 ,因此单个

32、栅距误差的影响实际上比式 （ 10.3） 的还 小 。 长光栅栅距误差一般水平为微米 （ m） 数 量级 ,圆光栅为秒 （ ） 数量级 . 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 41 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.4.1 透射直读式光路 将图 10.4中光电元件 5采用四极硅光电池作为 光电转换元件 ,就构成四细分直读式分光系统 。 把 形成的横向莫尔条纹宽度 B调整到等于四极硅光 电池的宽度 S（ 见图 10.4(c)） ,这样莫尔条纹变化 一个条纹宽度 B,四极硅光电池依次就输出四

33、路相 位依次相差 2的电信号 （ 如图 10.7所示波形 ） , 四路电信号相当于对莫尔条纹信号进行四细分 。 这种光路的结构简单 ,位置紧凑 ,调整使用方便 ,目 前广泛应用于粗栅距的黑白透射光栅传感器中 . 10.4 常用光学系统 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 42 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.4.2 反射直读式光路 反射直读式光路如图 10.10所示。 光源 1经聚光镜 2成平行光束并以一定角 度通过场镜 3射向指示光栅 4,莫尔条纹是 金属制成的标尺光栅 5反射回来的

34、光线与 指示光栅 4相互作用形成的 ,由光电元件 6 接收莫尔条纹并将其转换成电信号。这 种光路常用于黑白反射光栅传感器中。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 43 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.10 反射直读式光路 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 44 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 10.4.3 反射积分式光路 反射积分式光路如图 10.11所示 。 只用一只闪耀光栅

35、作主光 栅 ,没有指示光栅 。 光源 1发出的光经准直透镜 2变成平行光 束垂直入射到分光镜 3上 ,经过半透分光面时被分成 CD、 CE 两束光并垂直射到具有等腰三角形栅线的闪耀光栅 4上 A、 B两点的线槽面时 ,最大强度的衍射光将沿原路反射回分光 镜 3,在分光面处相遇产生干涉现象 ,其干涉条纹经透镜 5由光 电元件 6接收并转换成电信号 。 这种光学系统具有光学四细 分的作用 ,分辨力较高 。 例如 ， 栅线密度为 600线 mm时 ， 干涉条纹变化一个周期就相当于光栅移动量为 w=1 4 1 600=0.42m。 这种光路只用于细栅距的反射式闪耀光栅 传感器中 。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 45 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑母版标题样式 图 10.11 反射积分式光路