1、 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù) Sensor and Detection Technology 朱啟兵朱啟兵2/48傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)第第4章章 光電式傳感器光電式傳感器光光 柵柵1.2光電碼盤光電碼盤.23/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器4.2.1 光電碼盤光電碼盤 編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類：編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類： 脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才可脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。而碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼能得到數(shù)字編碼。而碼盤式編碼器能直接

2、輸出某種碼制的數(shù)碼(后面將詳后面將詳細(xì)說明細(xì)說明)。這兩種形式的數(shù)字傳感器，由于它們具有高精度、高分辨率和。這兩種形式的數(shù)字傳感器，由于它們具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被廣泛應(yīng)用于各種位移量的測量。目前，使用最多的是光高可靠性，已被廣泛應(yīng)用于各種位移量的測量。目前，使用最多的是光電編碼器，本節(jié)將重點(diǎn)予以介紹。電編碼器，本節(jié)將重點(diǎn)予以介紹。 碼盤式編碼器也稱為絕對編碼器，它將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼盤式編碼器也稱為絕對編碼器，它將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機(jī)如微機(jī))聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電

3、式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼（絕對編碼器）碼盤式編碼器增量編碼器脈沖盤式編碼器編碼器)(光電式編碼器電磁式編碼器接觸式編碼器4/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器絕對式接觸式編碼器絕對式接觸式編碼器演示演示4 4個(gè)電刷個(gè)電刷 4 4位二進(jìn)制位二進(jìn)制碼盤碼盤 +5V +5V輸入輸入 公共碼道公共碼道 最小分辨角度為最小分辨角度為=360/2n5/48 光電式編碼器光電式編碼器 接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件

4、代替機(jī)械的接觸電刷，其易于集成的光電元件代替機(jī)械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達(dá)到很高水平。測量精度和分辨率能達(dá)到很高水平。 1光電式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理光電式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式的。光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式的。因此，它的使用壽命長，可靠性高。它是因此，它的使用壽命長，可靠性高。它是一種絕對編碼器，幾位編碼器的碼盤上就一種絕對編碼器，幾位編碼器的碼盤上就有幾個(gè)碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都有幾個(gè)碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可以輸出一個(gè)固定的與位置相對的數(shù)字碼?？梢暂敵鲆粋€(gè)固定的與位置相對的數(shù)字碼。這一點(diǎn)，與接觸式碼盤編碼器是一樣的。這一點(diǎn)，與接觸式

5、碼盤編碼器是一樣的。不同的是光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕不同的是光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕直線坐標(biāo)編碼示意圖第第4章光電式傳感器章光電式傳感器6/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器2.碼盤和碼制碼盤和碼制存在問題：多個(gè)存在問題：多個(gè)狀態(tài)同時(shí)改變，狀態(tài)同時(shí)改變，容易產(chǎn)生粗大誤容易產(chǎn)生粗大誤差差7/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器2.碼盤和碼制碼盤和碼制解決辦法：格雷碼解決辦法：格雷碼8/48 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 為了提高測量的精度和分辨率，常規(guī)的方法就是增加碼盤的碼道數(shù)，為了提高測量的精度和分辨率，常規(guī)的方法就是增加碼盤的碼道數(shù)，即增加刻線數(shù)。但是，由于制造工藝的

6、限制，當(dāng)刻度數(shù)多到一定數(shù)量后，即增加刻線數(shù)。但是，由于制造工藝的限制，當(dāng)刻度數(shù)多到一定數(shù)量后，就難以實(shí)現(xiàn)了。在這樣的情況下，可以采用一種用光學(xué)分解技術(shù)就難以實(shí)現(xiàn)了。在這樣的情況下，可以采用一種用光學(xué)分解技術(shù)(插值法插值法)來進(jìn)一步提高分辨率。來進(jìn)一步提高分辨率。第第4章光電式傳感器章光電式傳感器9/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器10/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器二、增量式編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸盤碼及盤碼及狹縫狹縫光敏元件光敏元件光欄板及辨向用的光欄板及辨向用的A、B狹縫狹縫LEDABC零位標(biāo)志零位標(biāo)志ABC11/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器360 n1 n分辨率辨向信號和零

7、標(biāo)志辨向信號和零標(biāo)志 光電編碼器的光欄板上有光電編碼器的光欄板上有A組與組與B組兩組狹縫，彼此錯組兩組狹縫，彼此錯開開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號的光敏元件所產(chǎn)生的信號A、 B彼此相差彼此相差90 相位，用于辯向。相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號超前信號超前B信號信號90 ；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信信號超前號超前A信號信號90 。(請畫出反轉(zhuǎn)時(shí)信號請畫出反轉(zhuǎn)時(shí)信號B的波形）的波形） 12/48測量轉(zhuǎn)速 增量編碼器除直接用于測量相對角位移外，常用來測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡單的方法就是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它所

8、測量的是平均轉(zhuǎn)速。 第第4章光電式傳感器章光電式傳感器M法法T法法13/48測量線位移 利用一套機(jī)械裝置把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測量系統(tǒng)的精度將主要取決于機(jī)械裝置的精度第第4章光電式傳感器章光電式傳感器14/48圖1027（a）表示通過絲桿將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導(dǎo)程為6mm的絲桿，可達(dá)到4m的分辨力。為了提高精度，可采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機(jī)構(gòu)。圖（b）是用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說，這種系統(tǒng)的精度較低。圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動和摩擦傳動來實(shí)現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于需要進(jìn)行長距離位

9、移測量及某些環(huán)境條件惡劣的場所。 無論用哪一種方法來實(shí)現(xiàn)線位移角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時(shí)，編碼器的零位基準(zhǔn)已失去作用。為計(jì)數(shù)系統(tǒng)所必須的基準(zhǔn)零位，可由附加的裝置來提供。如用機(jī)械、光電等方法來實(shí)現(xiàn)。第第4章光電式傳感器章光電式傳感器15/48 計(jì)數(shù)和辨向計(jì)數(shù)和辨向?yàn)榱吮鎰e碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可以采用下圖所示的電路利用為了辨別碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可以采用下圖所示的電路利用A、B兩相脈沖來兩相脈沖來實(shí)現(xiàn)。光電元件實(shí)現(xiàn)。光電元件A、B輸出情號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生輸出情號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生P1和和P2脈沖。將它們脈沖。將它們分別接到分別接到D觸發(fā)器的觸發(fā)器的D端和端和CP端，由于端，由于A、

10、B兩相脈沖兩相脈沖(P1和和P2) 脈沖相差脈沖相差90，D觸發(fā)器觸發(fā)器FF在在CP脈沖脈沖(P2)的上升沿觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時(shí)的上升沿觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時(shí)P1脈沖超前脈沖超前P2脈沖，脈沖，F(xiàn)F的的Q“1”表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，P2超前超前P1脈沖，脈沖，F(xiàn)F的的Q“0”表示反表示反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。可以用可以用Q作為控制可逆計(jì)數(shù)器作為控制可逆計(jì)數(shù)器是正向還是反問計(jì)數(shù)，即可將是正向還是反問計(jì)數(shù)，即可將光電脈沖變成編碼輸出。光電脈沖變成編碼輸出。C相脈相脈沖接至計(jì)數(shù)器的復(fù)值端，實(shí)現(xiàn)沖接至計(jì)數(shù)器的復(fù)值端，實(shí)現(xiàn)每碼盤轉(zhuǎn)動一圈復(fù)每碼盤轉(zhuǎn)動一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器的目的。碼盤無位一次計(jì)數(shù)器的目的。碼盤無論正轉(zhuǎn)還是反

11、轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器每次論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的反映的都是相對于上次角度的增量，故這種測量稱為增量法。增量，故這種測量稱為增量法。 第第4章光電式傳感器章光電式傳感器16/48四倍頻細(xì)分電路原理圖如圖1029（a）所示。輸出x1與x2信號作為計(jì)數(shù)器雙時(shí)鐘輸人信號。按電路圖可得如下邏輯表達(dá)式：細(xì)分電路 第第4章光電式傳感器章光電式傳感器17/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器18/48 Q1、Q2、Q3和 Q4分別與S1、S2和相對應(yīng)。當(dāng)正向轉(zhuǎn)動時(shí)，S1信號超前S2相位/2。電路各點(diǎn)的波形如圖1029（b）所示，與門輸出Y1、Y2、Y3和Y4的脈沖寬度僅為S1或S2信號脈沖

12、寬度的一半，相位差為/2。單穩(wěn)電路輸出Q1、Q2、Q3和 Q4的脈沖寬度應(yīng)盡可能窄，至少要小于S1信號最小脈沖寬度的12，但同時(shí)要滿足與Y1、Y2、Y3和Y4相“與”的要求。由圖1029可知，在S1信號的一個(gè)周期內(nèi)，得到了四個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了四倍頻的加計(jì)數(shù)。由于光柵與光電增量編碼器的輸出基本相同，上述測量電路同樣可用作光柵測量電路。第第4章光電式傳感器章光電式傳感器19/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光器件。按工作原理，有物理光柵和計(jì)量光柵之分，前者的刻線比后者細(xì)密。物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象，通常用于光譜分析和

13、光波長測定等方面；計(jì)量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，它被廣泛應(yīng)用于位移的精密測量與控制中。按應(yīng)用需要，計(jì)量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，而且根據(jù)用途不同，可制成用于測量線位移的長光柵和測量位移的圓光柵。4.2.2 4.2.2 光光 柵柵 20/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭 （與移動部件固定）（與移動部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動電纜可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵21/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器掃描頭掃描頭（與移動部件固定）（與移動部件固定）光柵尺

14、光柵尺可移動電纜可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）22/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器莫爾條紋莫爾條紋的光學(xué)放大作用的光學(xué)放大作用 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。 光柵的刻線寬度光柵的刻

15、線寬度W莫爾條紋的莫爾條紋的寬度寬度L L LW/ ，（為主為主光柵和光柵和指示光柵刻線的指示光柵刻線的夾角，弧度）夾角，弧度） 23/48條紋間距條紋間距L與柵距與柵距W和夾角和夾角有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：2tg 2WL2cosWW 2cos222tg tg sin222WWWWL 當(dāng)指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時(shí)，莫爾條紋將會沿著這當(dāng)指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時(shí)，莫爾條紋將會沿著這兩個(gè)光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個(gè)兩個(gè)光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個(gè)W，莫爾條，莫爾條紋也移動一個(gè)間距紋也移動一個(gè)間距B。 越小，越小，B越大，越大，當(dāng)小

16、于當(dāng)小于1以后，可使以后，可使BW，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要方便得放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測量莫爾條紋移動數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。量莫爾條紋移動數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。第第4章光電式傳感器章光電式傳感器24/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器莫爾條紋莫爾條紋演示演示25/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有

17、一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距的寬度是柵距的32倍：倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察觀察”莫爾條紋莫爾條紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。26/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器 1光電轉(zhuǎn)

18、換光電轉(zhuǎn)換 主光柵和指示光柵作相對位移主光柵和指示光柵作相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信弓轉(zhuǎn)換經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信弓轉(zhuǎn)換成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如右圖如右圖 (a)所示。當(dāng)兩塊光柵作相所示。當(dāng)兩塊光柵作相對移動時(shí)，光敏元件上的光強(qiáng)對移動時(shí)，光敏元件上的光強(qiáng)光柵式傳感器的測量電路光柵式傳感器的測量電路隨莫爾條紋移動而變化。在隨莫爾條紋移動而變化。在a處兩光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸處兩光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號也最

19、大；出的電信號也最大；c處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減小；處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減??；d處的光全被遮去的成處的光全被遮去的成全黑，光強(qiáng)為零；若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，因全黑，光強(qiáng)為零；若光柵繼續(xù)移動，透射到光敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，因而形成了如上圖而形成了如上圖 (b)所示的輸出波形。所示的輸出波形。 光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述： 式中式中 U0 輸出信號的直流分量；輸出信號的直流分量； Um 輸出信號的交流信號幅值；輸出信號的交流信號幅值； x 光柵的相對位移量。光柵的相對位移量。WxUUUm2sin027/48第第

20、4章光電式傳感器章光電式傳感器 2辨向原理辨向原理 為了辨別主光柵是向左還是向右移動，可在相隔為了辨別主光柵是向左還是向右移動，可在相隔1/4條紋間的位置上條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，這兩只光敏元件輸出信號安裝兩只光敏元件，這兩只光敏元件輸出信號U1、U2的相位差將為的相位差將為/2，可以根據(jù)它們超前可以根據(jù)它們超前/滯后的關(guān)系判別出指示光柵的移動方向，如下圖所示。滯后的關(guān)系判別出指示光柵的移動方向，如下圖所示。 兩種信號經(jīng)整形后得到方波兩種信號經(jīng)整形后得到方波U1/和和U2/。U2/ 作為門控信號同作為門控信號同U1/的微的微分信號一起輸入到與門分信號一起輸入到與門Y1、同、同U1/倒倒

21、相后的微分信號一起輸入到與門相后的微分信號一起輸入到與門Y2。光柵右移時(shí)，光柵右移時(shí)，U2/超前超前U1/，則先于，則先于U1/的微分信號打開了的微分信號打開了Y1，可從，可從Y1得得到向右移動脈沖輸出（到向右移動脈沖輸出（Y1稱為右移稱為右移動脈沖輸出端）；而動脈沖輸出端）；而U1/倒相后的微倒相后的微分信號到達(dá)分信號到達(dá)Y2時(shí)時(shí)Y2已關(guān)閉，則已關(guān)閉，則Y2（左移動脈沖輸出端）沒有輸出，（左移動脈沖輸出端）沒有輸出，反之亦然。這樣就實(shí)現(xiàn)了主光柵左反之亦然。這樣就實(shí)現(xiàn)了主光柵左右移動的方向辨別和移動脈沖的輸右移動的方向辨別和移動脈沖的輸出。出。28/48第第4章光電式傳感器章光電式傳感器 3細(xì)分原理細(xì)分原理 如果