19十二月2022《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第9章位移量檢測(cè)任課教師：徐熙平18十二月2022《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第9章位移量檢目錄9.1激光干涉位移檢測(cè)

激光干涉原理、激光干涉儀9.2光柵線位移檢測(cè)

光柵尺、光源和光強(qiáng)調(diào)制、前置放大器9.3光柵角位移檢測(cè)

編碼器、讀數(shù)和細(xì)分、狹縫及光電信號(hào)、編碼器誤差9.4軸向位移測(cè)量9.5激光測(cè)距

脈沖法、相位法、典型測(cè)距儀目錄9.1激光干涉位移檢測(cè)第9章位移量檢測(cè)直線位移角位移磁電式（如磁柵傳感器）電磁式（如感應(yīng)同步傳感器）光電式（如光柵傳感器）位移量轉(zhuǎn)換原理第9章位移量檢測(cè)直線位移位移量轉(zhuǎn)換原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)1、激光干涉原理兩光波相干的條件：兩列波振動(dòng)方向相同，即兩光波的振幅矢量平行。兩光波頻率相同。兩光波動(dòng)位移相同或初位相差恒定。1）干涉光的光強(qiáng)最大值條件是，即

。即干涉光強(qiáng)為：

第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)1、激光干涉原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2）干涉光的光強(qiáng)最小值條件是，即

。即干涉光強(qiáng)為：干涉條紋的數(shù)目與光程差成正比，即：。兩相干光的光強(qiáng)相等時(shí)，

干涉光強(qiáng)與光程差關(guān)系第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2）干涉光的光強(qiáng)最小第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)條紋對(duì)比度越好，有用的電信號(hào)越強(qiáng)，直流零漂越不明顯，抗干擾能力越強(qiáng)。影像對(duì)比度的因素有以下幾點(diǎn)：（1）相干光的強(qiáng)度當(dāng)兩束光光強(qiáng)相等時(shí)，對(duì)比度最好，差值大，對(duì)比度越差，應(yīng)盡量調(diào)整兩束光強(qiáng)相等。（2）光斑尺寸越接近點(diǎn)光源，疊加起來?xiàng)l紋越清晰，對(duì)比度越好。（3）光源為非單色光光源的單色性越好，干涉條紋的對(duì)比度越好，可以采用激光作為干涉儀光源。（4）偏振光的變化偏振方向和大小不同就破壞了相干條紋，降低了對(duì)比度，甚至使條紋模糊不清。第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)條紋第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2、激光干涉儀原理

單頻激光干涉儀單頻單路干涉儀原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2、激光干涉儀原理單第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)單頻雙路干涉儀原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)單頻雙路干涉儀原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀2和3分別為右旋和左旋增益曲線，頻率為和

激光管的空腔諧振頻率

為頻率差a）沒被分裂的增益曲線b）加磁場(chǎng)后被分裂的增益曲線增益頻率特性第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀原理圖優(yōu)點(diǎn)為：它是交流系統(tǒng)而不是直流系統(tǒng)，因而從可以根本上解決影響干涉儀可靠性的直流漂移問題。另外，雙頻干涉儀抗振性強(qiáng)，不需要預(yù)熱時(shí)間，不怕空氣湍流的干擾，而空氣湍流的干擾使激光光束偏移或使其波前扭曲，正是造成激光干涉儀性能不穩(wěn)的普遍原因。

目前，采用雙頻激光干涉儀可以使測(cè)量速度達(dá)每秒300mm，最大量程可達(dá)60m以上。

第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀原理圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移傳感器是模-數(shù)傳感器的一種，采用的是與數(shù)字計(jì)算機(jī)相連接的數(shù)字控制和數(shù)字測(cè)量技術(shù)。用光柵產(chǎn)生的莫爾條紋來實(shí)現(xiàn)位移量變成光學(xué)條紋信號(hào)。

可用來測(cè)量長度、角度、振動(dòng)和應(yīng)變分布，還可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的反饋信號(hào)來校正系統(tǒng)誤差。廣泛應(yīng)用于測(cè)長、測(cè)角和數(shù)控機(jī)床中。

長光柵：用于長度計(jì)量和控制

計(jì)量光柵

圓光柵：用于角度計(jì)量和控制第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)1、光柵位移傳感器（光柵尺）的光電讀數(shù)頭莫爾條紋信號(hào)檢取結(jié)構(gòu)1—光源2—聚光鏡3—標(biāo)尺光柵4—指示光柵5—透鏡6—遮光板7—狹縫8—光電器件第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)1、光柵位移傳感器（光第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移及遮光圖b~圖e分別表示光柵4沿箭頭方向移過、、、時(shí)，兩光柵的相對(duì)位置，如果兩光柵黑白線條相等，并假定入射通量為，那么對(duì)于a-d這4個(gè)位置的透過通量分別為、、0、。第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移及遮光圖b~圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵輸出信號(hào)波形理想的條紋信號(hào)實(shí)際的條紋信號(hào)光電信號(hào)第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵輸出信號(hào)波形理想的第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光電信號(hào)漂移變化影響調(diào)制系數(shù)的因素還有接收窗口寬度，調(diào)制系數(shù)隨著狹縫相對(duì)寬度的增大反而減小。反之，狹縫寬度減小時(shí)，調(diào)制系數(shù)增大。但是，當(dāng)狹縫相對(duì)寬度進(jìn)一步減小時(shí)，入射到光電器件的光通量將減小，使輸出信號(hào)幅值顯著下降。第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光電信號(hào)漂移變化第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)2、光源和光強(qiáng)調(diào)制

常用光源的種類有鎢絲白熾燈、激光器和半導(dǎo)體發(fā)光器件，對(duì)光源的要求是：①適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)成像的要求；②外形尺寸適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求；③光源效率高、壽命長、穩(wěn)定性好；④更換光源時(shí)離散性??；⑤光源供電電路簡單，對(duì)其他電路干擾小。光源強(qiáng)度控制電路的原理框圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)2、光源和光強(qiáng)調(diào)制光源第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)3、四相交流信號(hào)和前置放大器四相交流信號(hào)和光電器件空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)3、四相交流信號(hào)和前置第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)前置放大器原理圖用4個(gè)差分放大器產(chǎn)生四相交流信號(hào)用兩個(gè)差分放大器，然后用兩個(gè)倒相器產(chǎn)生四相交流信號(hào)。第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)前置放大器原理圖用4個(gè)第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)4、光柵位移檢測(cè)裝置（光柵尺）

在光電讀數(shù)頭內(nèi)部安裝指示光柵，當(dāng)光電讀數(shù)頭與標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生位移信號(hào)至輸出放大器。位移信號(hào)經(jīng)放大、細(xì)分、整形后，得到相位差的兩路脈沖信號(hào)，然后由方向判別器判別兩路脈沖信號(hào)的先后順序（即位移方向），再控制可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)。光柵位移檢測(cè)裝置的原理框圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)4、光柵位移檢測(cè)裝置（第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)1、概述將角度量變換為數(shù)字代碼的裝置叫做軸角編碼器。

直讀式編碼器

增量式編碼器直讀式光電軸角編碼器的結(jié)構(gòu)原理圖第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)1、概述直讀式光電軸角第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4個(gè)電刷4位二進(jìn)制碼盤+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360°/2n

第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4個(gè)電刷4位二進(jìn)制碼第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)電路處理框圖一般在中、低位數(shù)采用直讀式編碼器，高位數(shù)（19位以上）采用增量式編碼器。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)電路處理框圖第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)2、增量式軸角編碼器增量式編碼器的特點(diǎn)是輸出信號(hào)是相對(duì)起始位置的變化量。增量式編碼器的碼盤不是存儲(chǔ)的角位置信息，而是角度增量信息。圓光柵付4圈碼道光柵及信號(hào)波形第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)2、增量式軸角編碼器圓第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)增量式編碼器信號(hào)處理電路原理框圖第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)增量式編碼器信號(hào)處理電第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)模擬量對(duì)徑相加平均結(jié)構(gòu)第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)模擬量對(duì)徑相加平均結(jié)構(gòu)第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)3、絕對(duì)式光電軸角編碼器的基本原理

碼盤與軸固定在一起，隨著軸的旋轉(zhuǎn)，靜止不動(dòng)的狹縫讀出與之相對(duì)的碼盤位置上的代碼，由于它直接由碼盤上讀出角位置故稱之為直讀式，此外它的讀數(shù)能給出絕對(duì)值，不受起始位置和中間某些錯(cuò)誤讀數(shù)的影響，亦稱為絕對(duì)式。10碼道光電絕對(duì)式碼盤透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)3、絕對(duì)式光電軸角編碼第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5位數(shù)碼盤及展開圖案第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5位數(shù)碼盤及展開圖案第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)位數(shù)、位序與分辨率的關(guān)系5位碼盤的角分辨率為：低位（）代碼所代表的角度為高位（）代碼所代表的角度第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)位數(shù)、位序與分辨率的關(guān)第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)十進(jìn)制、二進(jìn)制和循環(huán)碼對(duì)照表

循環(huán)碼也稱周期碼或格雷碼，這種碼由任何數(shù)變到相鄰的數(shù)（加“1”或減“1”）時(shí)代碼中只有一位數(shù)字發(fā)生變化，即使產(chǎn)生誤差也不會(huì)太大。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)十進(jìn)制、二進(jìn)制和循環(huán)碼第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)簡單譯碼電路循環(huán)碼碼盤第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)簡單譯碼電路循環(huán)碼碼盤第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4、讀數(shù)和細(xì)分對(duì)徑讀數(shù)偏心誤差為消除偏心、晃動(dòng)所造成的誤差采用了對(duì)邊讀數(shù)的方法，對(duì)邊讀數(shù)的基本原理是偏心?；蝿?dòng)在某一位置所造成的誤差，和在其對(duì)徑方向讀數(shù)所產(chǎn)生的誤差數(shù)值大小相等符號(hào)相反。將這兩個(gè)誤差的讀數(shù)相加再除以2，就可得到不帶偏心、晃動(dòng)誤差的真實(shí)轉(zhuǎn)角讀數(shù)。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4、讀數(shù)和細(xì)分偏心誤差第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)細(xì)分碼道

在高位數(shù)碼盤中，外圈碼道（精碼）的線條很細(xì)，光通過細(xì)線條時(shí)由于衍射等現(xiàn)象大大降低信號(hào)的對(duì)比度。為加寬線條寬度，一是加大碼盤的直徑，但碼盤過大將引起一系列問題；二是用兩個(gè)相同線寬的碼道來代替一個(gè)細(xì)碼道，這兩個(gè)碼道就是細(xì)分碼道。細(xì)分碼道第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)細(xì)分碼道細(xì)分碼道第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5、狹縫及光電信號(hào)編碼器中取信號(hào)的方法有兩種：一是用狹縫；二是用光學(xué)成像。碼盤、狹縫和光電器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從光源發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)投射到碼盤上，被對(duì)準(zhǔn)狹縫的碼盤圖案調(diào)制隨角度變化的光通量，光電接收器件又使這個(gè)變化的光通量轉(zhuǎn)變成交變的電信號(hào)。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5、狹縫及光電信號(hào)碼盤第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換曲線第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換曲線第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換誤差實(shí)際曲線曲線1：在理想狀態(tài)下的光電轉(zhuǎn)換曲線曲線2和3：由于某種原因使光電信號(hào)幅度發(fā)生變化（增大或減少），光電轉(zhuǎn)換曲線也相應(yīng)變化。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換誤差實(shí)際曲線曲第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)6、編碼器誤差

量化誤差

光學(xué)軸角編碼器的原理是把一個(gè)連續(xù)的圓周角度量，在這一分辨率區(qū)間內(nèi)的任何點(diǎn)均讀取同一角度值，這就和沒一點(diǎn)的實(shí)際值產(chǎn)生了誤差，即為量化誤差。最大值為，中誤差為

轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置誤差模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)量時(shí)，由于各方面影響，轉(zhuǎn)換點(diǎn)變?yōu)橐粋€(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)間。于是實(shí)際的轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置與理論轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置產(chǎn)生偏差，即為轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置誤差。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)6、編碼器誤差第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)（1）碼盤和狹縫刻劃誤差對(duì)徑誤差、不封閉誤差和不均勻性誤差，前兩個(gè)影響信號(hào)相位，后一個(gè)影響幅度、相位、波形。（2）零件加工及裝配誤差會(huì)對(duì)幅度和相位等產(chǎn)生影響。（3）光電器件的暗流和靈敏度影響信號(hào)的幅度和直流電平。（4）光源和光學(xué)系統(tǒng)誤差光源強(qiáng)度的變化直接影響信號(hào)的幅度變化。（5）電子電路誤差直接影響轉(zhuǎn)換點(diǎn)誤差，信號(hào)幅度和相位的變化，也會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差。

對(duì)一個(gè)實(shí)際編碼器很難用定量的方法來分析上述因素所帶來的誤差大小。實(shí)際上是用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)編碼器進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其測(cè)角誤差的大小范圍，即不確定度誤差。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)（1）碼盤和狹縫刻劃誤第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角位移測(cè)量系統(tǒng)的工作原理圖第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角位移測(cè)量系統(tǒng)的工作第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角成像光學(xué)系統(tǒng)成像原理圖第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角成像光學(xué)系統(tǒng)成像原第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量PSD的等效電路模型

S的探測(cè)原理是利用PSD器件的橫向光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。若取，則第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量PSD的等效電路模型第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角原理三種特殊測(cè)量情況若光學(xué)系統(tǒng)的角放大率為，則由下圖和角放大率公式可知，即第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角原理三種特殊測(cè)量情第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距激光測(cè)距廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、地震、制導(dǎo)、跟蹤、火炮控制等。激光測(cè)距有脈沖法、相位法和脈沖—相位法。脈沖法精確度低，而相位法精確度高。除激光測(cè)距外，還有微波測(cè)距，它可以全天候測(cè)距，但精確度低。1、脈沖法測(cè)距工作原理脈沖法測(cè)距的原理示意圖c光速；t激光脈沖往返時(shí)間（主波與回波的時(shí)間間隔）第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距激光測(cè)距廣泛第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距測(cè)距機(jī)的組成框圖及波形第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距測(cè)距機(jī)的組成框圖及波形第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距脈沖前沿的變化產(chǎn)生的誤差大氣折射率變化引起的光速的偏差（可以忽略不計(jì)）測(cè)量時(shí)間的誤差而引起的測(cè)距誤差：時(shí)標(biāo)脈沖的周期引起的誤差脈沖前沿變化引起的誤差放大器和整形電路的時(shí)間響應(yīng)不夠使脈沖前沿變斜第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距脈沖前沿的變化產(chǎn)生的誤差大氣第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距

前置放大器前置放大器設(shè)計(jì)的好壞直接影響測(cè)距的精確度和測(cè)距的量程測(cè)距誤差。由于前置放大器的上限頻率不高引起信號(hào)脈沖前沿變斜，產(chǎn)生測(cè)距誤差。由于前置放大器的固有噪聲直接影響探測(cè)最小信號(hào)脈沖幅值，使測(cè)量距離受到限制。典型的前置放大器原理電路圖第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距前置放大器典型的前置放大第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距2、相位法測(cè)距

相位法測(cè)距的基本原理距離與相位移關(guān)系當(dāng)測(cè)相周期為時(shí)：當(dāng)測(cè)相周期為時(shí)：第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距2、相位法測(cè)距距離與相位移關(guān)第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距測(cè)尺頻率的選擇（1）分散的直接測(cè)尺頻率方式（中、短程測(cè)距）測(cè)尺頻率和測(cè)尺長度直接相對(duì)應(yīng)，如下表所示：

，所以，放大器和調(diào)制器難以滿足增益和相位的穩(wěn)定性，只適于中、短程。第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距測(cè)尺頻率的選擇第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距（2）集中間接測(cè)尺頻率方式（長程測(cè)距和部分中程測(cè)距）用兩個(gè)測(cè)尺頻率測(cè)量同一段距離：用差頻作為光波的調(diào)制頻率，其相位移為：即：

采用差頻測(cè)相后，能大大壓縮測(cè)相系統(tǒng)頻帶寬度，使放大器和調(diào)制器的穩(wěn)定性提高。第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距（2）集中間接測(cè)尺頻率方式（第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距差頻測(cè)相差頻測(cè)相框圖第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距差頻測(cè)相差頻測(cè)相框圖第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距自動(dòng)數(shù)字測(cè)相（電子相位計(jì)）

平衡式移相-鑒相法（分手動(dòng)和自動(dòng)）自動(dòng)數(shù)字測(cè)相（準(zhǔn)確度高、相應(yīng)速度快，

易于自動(dòng)化、微機(jī)化）差頻式測(cè)相方法數(shù)字測(cè)相原理框圖第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距自動(dòng)數(shù)字測(cè)相（電子相位計(jì)第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距數(shù)字測(cè)相電路的工作波形第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距數(shù)字測(cè)相電路的工作波形第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距3典型儀器簡介半導(dǎo)體紅外測(cè)距儀原理圖第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距3典型儀器簡介半導(dǎo)體紅外測(cè)距第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距調(diào)制發(fā)射電路第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距調(diào)制發(fā)射電路第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距接收放大電路第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距接收放大電路再見！再見！19十二月2022《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第9章位移量檢測(cè)任課教師：徐熙平18十二月2022《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第9章位移量檢目錄9.1激光干涉位移檢測(cè)

激光干涉原理、激光干涉儀9.2光柵線位移檢測(cè)

光柵尺、光源和光強(qiáng)調(diào)制、前置放大器9.3光柵角位移檢測(cè)

編碼器、讀數(shù)和細(xì)分、狹縫及光電信號(hào)、編碼器誤差9.4軸向位移測(cè)量9.5激光測(cè)距

脈沖法、相位法、典型測(cè)距儀目錄9.1激光干涉位移檢測(cè)第9章位移量檢測(cè)直線位移角位移磁電式（如磁柵傳感器）電磁式（如感應(yīng)同步傳感器）光電式（如光柵傳感器）位移量轉(zhuǎn)換原理第9章位移量檢測(cè)直線位移位移量轉(zhuǎn)換原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)1、激光干涉原理兩光波相干的條件：兩列波振動(dòng)方向相同，即兩光波的振幅矢量平行。兩光波頻率相同。兩光波動(dòng)位移相同或初位相差恒定。1）干涉光的光強(qiáng)最大值條件是，即

。即干涉光強(qiáng)為：

第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)1、激光干涉原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2）干涉光的光強(qiáng)最小值條件是，即

。即干涉光強(qiáng)為：干涉條紋的數(shù)目與光程差成正比，即：。兩相干光的光強(qiáng)相等時(shí)，

干涉光強(qiáng)與光程差關(guān)系第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2）干涉光的光強(qiáng)最小第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)條紋對(duì)比度越好，有用的電信號(hào)越強(qiáng)，直流零漂越不明顯，抗干擾能力越強(qiáng)。影像對(duì)比度的因素有以下幾點(diǎn)：（1）相干光的強(qiáng)度當(dāng)兩束光光強(qiáng)相等時(shí)，對(duì)比度最好，差值大，對(duì)比度越差，應(yīng)盡量調(diào)整兩束光強(qiáng)相等。（2）光斑尺寸越接近點(diǎn)光源，疊加起來?xiàng)l紋越清晰，對(duì)比度越好。（3）光源為非單色光光源的單色性越好，干涉條紋的對(duì)比度越好，可以采用激光作為干涉儀光源。（4）偏振光的變化偏振方向和大小不同就破壞了相干條紋，降低了對(duì)比度，甚至使條紋模糊不清。第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)條紋第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2、激光干涉儀原理

單頻激光干涉儀單頻單路干涉儀原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)2、激光干涉儀原理單第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)單頻雙路干涉儀原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)單頻雙路干涉儀原理第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀2和3分別為右旋和左旋增益曲線，頻率為和

激光管的空腔諧振頻率

為頻率差a）沒被分裂的增益曲線b）加磁場(chǎng)后被分裂的增益曲線增益頻率特性第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀原理圖優(yōu)點(diǎn)為：它是交流系統(tǒng)而不是直流系統(tǒng)，因而從可以根本上解決影響干涉儀可靠性的直流漂移問題。另外，雙頻干涉儀抗振性強(qiáng)，不需要預(yù)熱時(shí)間，不怕空氣湍流的干擾，而空氣湍流的干擾使激光光束偏移或使其波前扭曲，正是造成激光干涉儀性能不穩(wěn)的普遍原因。

目前，采用雙頻激光干涉儀可以使測(cè)量速度達(dá)每秒300mm，最大量程可達(dá)60m以上。

第9章位移量檢測(cè)一、激光干涉位移檢測(cè)雙頻激光干涉儀原理圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移傳感器是模-數(shù)傳感器的一種，采用的是與數(shù)字計(jì)算機(jī)相連接的數(shù)字控制和數(shù)字測(cè)量技術(shù)。用光柵產(chǎn)生的莫爾條紋來實(shí)現(xiàn)位移量變成光學(xué)條紋信號(hào)。

可用來測(cè)量長度、角度、振動(dòng)和應(yīng)變分布，還可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的反饋信號(hào)來校正系統(tǒng)誤差。廣泛應(yīng)用于測(cè)長、測(cè)角和數(shù)控機(jī)床中。

長光柵：用于長度計(jì)量和控制

計(jì)量光柵

圓光柵：用于角度計(jì)量和控制第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)1、光柵位移傳感器（光柵尺）的光電讀數(shù)頭莫爾條紋信號(hào)檢取結(jié)構(gòu)1—光源2—聚光鏡3—標(biāo)尺光柵4—指示光柵5—透鏡6—遮光板7—狹縫8—光電器件第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)1、光柵位移傳感器（光第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移及遮光圖b~圖e分別表示光柵4沿箭頭方向移過、、、時(shí)，兩光柵的相對(duì)位置，如果兩光柵黑白線條相等，并假定入射通量為，那么對(duì)于a-d這4個(gè)位置的透過通量分別為、、0、。第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵位移及遮光圖b~圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵輸出信號(hào)波形理想的條紋信號(hào)實(shí)際的條紋信號(hào)光電信號(hào)第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光柵輸出信號(hào)波形理想的第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光電信號(hào)漂移變化影響調(diào)制系數(shù)的因素還有接收窗口寬度，調(diào)制系數(shù)隨著狹縫相對(duì)寬度的增大反而減小。反之，狹縫寬度減小時(shí)，調(diào)制系數(shù)增大。但是，當(dāng)狹縫相對(duì)寬度進(jìn)一步減小時(shí)，入射到光電器件的光通量將減小，使輸出信號(hào)幅值顯著下降。第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)光電信號(hào)漂移變化第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)2、光源和光強(qiáng)調(diào)制

常用光源的種類有鎢絲白熾燈、激光器和半導(dǎo)體發(fā)光器件，對(duì)光源的要求是：①適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)成像的要求；②外形尺寸適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求；③光源效率高、壽命長、穩(wěn)定性好；④更換光源時(shí)離散性??；⑤光源供電電路簡單，對(duì)其他電路干擾小。光源強(qiáng)度控制電路的原理框圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)2、光源和光強(qiáng)調(diào)制光源第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)3、四相交流信號(hào)和前置放大器四相交流信號(hào)和光電器件空間位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)3、四相交流信號(hào)和前置第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)前置放大器原理圖用4個(gè)差分放大器產(chǎn)生四相交流信號(hào)用兩個(gè)差分放大器，然后用兩個(gè)倒相器產(chǎn)生四相交流信號(hào)。第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)前置放大器原理圖用4個(gè)第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)4、光柵位移檢測(cè)裝置（光柵尺）

在光電讀數(shù)頭內(nèi)部安裝指示光柵，當(dāng)光電讀數(shù)頭與標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生位移信號(hào)至輸出放大器。位移信號(hào)經(jīng)放大、細(xì)分、整形后，得到相位差的兩路脈沖信號(hào)，然后由方向判別器判別兩路脈沖信號(hào)的先后順序（即位移方向），再控制可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)。光柵位移檢測(cè)裝置的原理框圖第9章位移量檢測(cè)二、光柵線位移檢測(cè)4、光柵位移檢測(cè)裝置（第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)1、概述將角度量變換為數(shù)字代碼的裝置叫做軸角編碼器。

直讀式編碼器

增量式編碼器直讀式光電軸角編碼器的結(jié)構(gòu)原理圖第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)1、概述直讀式光電軸角第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4個(gè)電刷4位二進(jìn)制碼盤+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360°/2n

第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4個(gè)電刷4位二進(jìn)制碼第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)電路處理框圖一般在中、低位數(shù)采用直讀式編碼器，高位數(shù)（19位以上）采用增量式編碼器。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)電路處理框圖第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)2、增量式軸角編碼器增量式編碼器的特點(diǎn)是輸出信號(hào)是相對(duì)起始位置的變化量。增量式編碼器的碼盤不是存儲(chǔ)的角位置信息，而是角度增量信息。圓光柵付4圈碼道光柵及信號(hào)波形第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)2、增量式軸角編碼器圓第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)增量式編碼器信號(hào)處理電路原理框圖第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)增量式編碼器信號(hào)處理電第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)模擬量對(duì)徑相加平均結(jié)構(gòu)第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)模擬量對(duì)徑相加平均結(jié)構(gòu)第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)3、絕對(duì)式光電軸角編碼器的基本原理

碼盤與軸固定在一起，隨著軸的旋轉(zhuǎn)，靜止不動(dòng)的狹縫讀出與之相對(duì)的碼盤位置上的代碼，由于它直接由碼盤上讀出角位置故稱之為直讀式，此外它的讀數(shù)能給出絕對(duì)值，不受起始位置和中間某些錯(cuò)誤讀數(shù)的影響，亦稱為絕對(duì)式。10碼道光電絕對(duì)式碼盤透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)3、絕對(duì)式光電軸角編碼第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5位數(shù)碼盤及展開圖案第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5位數(shù)碼盤及展開圖案第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)位數(shù)、位序與分辨率的關(guān)系5位碼盤的角分辨率為：低位（）代碼所代表的角度為高位（）代碼所代表的角度第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)位數(shù)、位序與分辨率的關(guān)第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)十進(jìn)制、二進(jìn)制和循環(huán)碼對(duì)照表

循環(huán)碼也稱周期碼或格雷碼，這種碼由任何數(shù)變到相鄰的數(shù)（加“1”或減“1”）時(shí)代碼中只有一位數(shù)字發(fā)生變化，即使產(chǎn)生誤差也不會(huì)太大。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)十進(jìn)制、二進(jìn)制和循環(huán)碼第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)簡單譯碼電路循環(huán)碼碼盤第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)簡單譯碼電路循環(huán)碼碼盤第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4、讀數(shù)和細(xì)分對(duì)徑讀數(shù)偏心誤差為消除偏心、晃動(dòng)所造成的誤差采用了對(duì)邊讀數(shù)的方法，對(duì)邊讀數(shù)的基本原理是偏心?；蝿?dòng)在某一位置所造成的誤差，和在其對(duì)徑方向讀數(shù)所產(chǎn)生的誤差數(shù)值大小相等符號(hào)相反。將這兩個(gè)誤差的讀數(shù)相加再除以2，就可得到不帶偏心、晃動(dòng)誤差的真實(shí)轉(zhuǎn)角讀數(shù)。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)4、讀數(shù)和細(xì)分偏心誤差第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)細(xì)分碼道

在高位數(shù)碼盤中，外圈碼道（精碼）的線條很細(xì)，光通過細(xì)線條時(shí)由于衍射等現(xiàn)象大大降低信號(hào)的對(duì)比度。為加寬線條寬度，一是加大碼盤的直徑，但碼盤過大將引起一系列問題；二是用兩個(gè)相同線寬的碼道來代替一個(gè)細(xì)碼道，這兩個(gè)碼道就是細(xì)分碼道。細(xì)分碼道第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)細(xì)分碼道細(xì)分碼道第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5、狹縫及光電信號(hào)編碼器中取信號(hào)的方法有兩種：一是用狹縫；二是用光學(xué)成像。碼盤、狹縫和光電器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從光源發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)投射到碼盤上，被對(duì)準(zhǔn)狹縫的碼盤圖案調(diào)制隨角度變化的光通量，光電接收器件又使這個(gè)變化的光通量轉(zhuǎn)變成交變的電信號(hào)。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)5、狹縫及光電信號(hào)碼盤第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換曲線第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換曲線第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換誤差實(shí)際曲線曲線1：在理想狀態(tài)下的光電轉(zhuǎn)換曲線曲線2和3：由于某種原因使光電信號(hào)幅度發(fā)生變化（增大或減少），光電轉(zhuǎn)換曲線也相應(yīng)變化。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)光電轉(zhuǎn)換誤差實(shí)際曲線曲第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)6、編碼器誤差

量化誤差

光學(xué)軸角編碼器的原理是把一個(gè)連續(xù)的圓周角度量，在這一分辨率區(qū)間內(nèi)的任何點(diǎn)均讀取同一角度值，這就和沒一點(diǎn)的實(shí)際值產(chǎn)生了誤差，即為量化誤差。最大值為，中誤差為

轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置誤差模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)量時(shí)，由于各方面影響，轉(zhuǎn)換點(diǎn)變?yōu)橐粋€(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)間。于是實(shí)際的轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置與理論轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置產(chǎn)生偏差，即為轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置誤差。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)6、編碼器誤差第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)（1）碼盤和狹縫刻劃誤差對(duì)徑誤差、不封閉誤差和不均勻性誤差，前兩個(gè)影響信號(hào)相位，后一個(gè)影響幅度、相位、波形。（2）零件加工及裝配誤差會(huì)對(duì)幅度和相位等產(chǎn)生影響。（3）光電器件的暗流和靈敏度影響信號(hào)的幅度和直流電平。（4）光源和光學(xué)系統(tǒng)誤差光源強(qiáng)度的變化直接影響信號(hào)的幅度變化。（5）電子電路誤差直接影響轉(zhuǎn)換點(diǎn)誤差，信號(hào)幅度和相位的變化，也會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差。

對(duì)一個(gè)實(shí)際編碼器很難用定量的方法來分析上述因素所帶來的誤差大小。實(shí)際上是用標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)編碼器進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其測(cè)角誤差的大小范圍，即不確定度誤差。第9章位移量檢測(cè)三、光柵角位移檢測(cè)（1）碼盤和狹縫刻劃誤第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角位移測(cè)量系統(tǒng)的工作原理圖第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角位移測(cè)量系統(tǒng)的工作第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角成像光學(xué)系統(tǒng)成像原理圖第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角成像光學(xué)系統(tǒng)成像原第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量PSD的等效電路模型

S的探測(cè)原理是利用PSD器件的橫向光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。若取，則第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量PSD的等效電路模型第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角原理三種特殊測(cè)量情況若光學(xué)系統(tǒng)的角放大率為，則由下圖和角放大率公式可知，即第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量光三角原理三種特殊測(cè)量情第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量第9章位移量檢測(cè)四、軸向位移測(cè)量第9章位移量檢測(cè)五、激光測(cè)距激光測(cè)距廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、地震、制導(dǎo)、跟蹤、火炮控