光栅数字传感器的工作原理

2011-06-23 20:15:38来源: 互联网
数字传感器,通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成,如图12.1.2所示。计量光栅由标尺光栅1(主光栅)和指示光栅2组成,因此计量光栅又称光栅副,它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同,但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起,并随其运动,指示光栅固定不动,因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。

12.1.2  光栅数字传感器


1.莫尔条纹
  将主光栅与标尺光栅重叠放置,两者之间保持很小的间隙,并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ,如图12.1.3所示。当有光源照射时,由于挡光效应(对刻线密度≤50条/mm的光栅)或光的衍射作用(对刻线密度≥100条/mm的光栅),与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。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的地方,形成暗带;这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ(单位为rad)之间的关系为
        (12.1.1)
  (12.1.2)

K­称为放大倍数。
莫尔条纹有如下几个重要特性:
(1)莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应
  当指示光栅不动,主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ,而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时,莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动;光栅反向移动,莫尔条纹也反向移动。主光栅每移动一个栅距W,莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动,就能测量光栅移动的大小和方向,这要比直接对光栅进行测量容易得多。
(2)莫尔条纹具有位移放大作用
  当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时,莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时,由式(12.1.1)可知,W一定时,θ愈小,则B愈大,相当于把栅距W放大了1/ θ倍。例如,对50条/mm的光栅,W=0.02mm,若取,则莫尔条纹间距,K=573,相当于将栅距放大了573倍。因此,莫尔条纹的放大倍数相当大,可以实现高灵敏度的位移测量
(3)莫尔条纹具有误差平均效应
  莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的,对刻线误差具有平均效应,能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响,可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此,计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。
(4)莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化
  由于光栅刻线夹角θ可以调节,因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距,这给实际应用带来了方便。
当两光栅的相对移动方向不变时,改变θ的方向,则莫尔条纹的移动方向改变。
2.光电转换
  主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹,为了测量莫尔条纹的位移,必须通过光电器件(如硅光电池等)将光信号转换成电信号。
在光栅的适当位置放置光电器件,当两光栅作相对移动时,光电器件上的光强随莫尔条纹移动,光强变化为正弦曲线,如图12.1.4所示。在a位置,两个光栅刻线重叠,透过的光强最大,光电器件输出的电信号也最大;在c位置由于光被遮去一半,光强减小;位置d的光被完全遮去而成全黑,光强最小;若光栅继续移动,透射到光电器件上的光强又逐渐增大。光电器件上的光强变化近似于正弦曲线,光栅移动一个栅距W,光强变化一个周期。光电器件的输出电压可用公式表示为
(12.1.3)
式中——输出信号中的直流分量;
——输出信号中的交流分量幅值;
x——两光栅的相对位移。

12.1.4光栅位移与光强输出信号的关系


通过整形电路,将正弦信号转变成方波脉冲信号,则每经过一个周期输出一个方波脉冲,这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应,因此光栅的位移为
(12.1.4)

关键字:数字

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0623/article_10394.html
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