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项目九 数字式位移传感器的应用
一、教学目标
1.了解光栅传感器的类型。
2.了解长光栅传感器的结构。
3.掌握长光栅传感器的工作原理和特性。
二、课时分配
本项目共2个任务，本项目安排4课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生理解能正确识别能正确识别长光栅传感器，能完成长光栅传感器检测直线位移电路接线，正确测量位移并且读数正确了解数字式位移传感器的应用的相关知识，通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对传感器的认识更完整，更清晰。
四、教学难点
1.能正确识别长光栅传感器。
2.能完成长光栅传感器检测直线位移电路接线。
3.正确测量位移并且读数正确。
五、教学内容
任务一 长光栅传感器在位移检测中的应用
知识链接
一、光栅的类型和结构
光栅是指按一定要求或规律排列的刻槽或线条的透光或不透光（反射）的光学元件，可以分成物理光栅和计量光栅两大类，物理光栅是基于光的衍射，常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅是基于光的反射和透射现象，在位移检测中使用广泛。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。
计量光栅可以分成透射式光栅和反射式光栅两大类。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。
计量光栅按其栅线形式,光栅可分为黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）。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。
计量光栅按照形状可分成长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度或线位移；圆光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。
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。光栅结构如图所示。
光栅结构
二、长光栅传感器的工作原理
1.莫尔条纹
计量光栅一般由指示光栅和标尺光栅（主光栅）构成。以透射式长光栅为例，当指示光栅和主光栅之间平行安装，且两光栅的刻线之间有很小的夹角θ时，在光源照射下，在光栅上会出现明暗相间的条纹，如图所示，称为莫尔条纹。
莫尔条纹
1主光栅；2指示光栅
上图中a-a线处两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，而两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，如上图b-b处。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。
当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。如图所示的光栅，当指示光栅向右移动的时候，莫尔条纹向上运动。反之，莫尔条纹向下运动。莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。莫尔条纹宽度是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。
2.长光栅测量位移的工作原理
（1）光电转换原理
当光栅移动时，莫尔条纹的亮带和暗带依次经过光敏元件，光敏元件检测到莫尔条纹的两个暗带之间（一个栅距）光强变化是从最暗到渐暗、到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程，如图所示。
光电转换
如果将光敏元件接入电路，将光信号转换成电信号，得到的是近似正弦波的波形， 如图所示。
光栅位移和光强、输出电压的关系
式中：
uo—输出电压的瞬时值；
Uo —输出电压直流分量的平均值；
Um—输出电压交流分量的幅值。
从上式可以看出，通过测量输出电压可以知道光栅位移的大小。
（2）长光栅测量位移工作原理
当指示光栅与主光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同步移动。栅距被放大许多倍，用光电元件测出莫尔条纹的移动，得到正弦信号，将输出正弦信号整形成变化一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的，如图所示。
长光栅测量位移的工作原理
三、辨向和细分
1.辨向技术
如图所示，通常在相距1/4W的位置上安放两个光敏元件，得到两个相位差π/2的电信号u1和u2，经过放大、整形后得到两个方波信号u1′和u2′。光栅正向移动时u1超前u290°，反向移动时u2超前u190°。当光栅移动一个栅距时，电路输出电压一个周期，对输出正弦信号整形成一个变化周期输出一个脉冲，则输出脉冲数与移过的栅距数是一一对应的。正向移动时对应的脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
辨向电路框图
2.细分技术
通常用的有直接细分和电路细分两种。以四倍频为例，直接细分可以是通过在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光敏元件，可得到两个相位差90°的电信号，用反相器分别反相后就得到四个依次相差90°的交流信号。或者在两个莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光敏元件，也可获得四个相位差90°的交流信号。直接细分对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，但是要安放的光敏元件较多且安装困难，故细分数不能太高，通常是四细分。电路细分则是在不增加光敏元件的基础上，采用电路的方法实现细分，但电路较复杂。
任务二 光电编码器在角位移测量中的应用
知识链接
一、绝对式编码器
下面以绝对式光电编码器为例，介绍其工作原理。
绝对式光电编码器的码盘采用的是黑白分区的形式，分别表示不透光区和透光区。黑色的区域为不透光区，用“0”表示；白色的区域为透光区，用“1”表示。这样一圈0°～360°每个角度的位置传输位移的一个信号。在每个码道上都有一组光电元件，如图所示。
绝对式光电码盘
由于径向各码道分成透光区和不透光区，能接受光线的光敏元件输出“1”电平，不能接受到光线的则输出“0”电平。因此可以输出n位的二进制编码。
从上图（b）可知，码道的圈数就是二进制的码数，并且从内到外是从最高位到最低位的顺序。如图所示，n个码道对应把码盘分成2n个区间，每个二进制代码代表对应的角度，所能分辨的角度
二进制码盘展开图
码盘的码道越多，所能分辨的角度α就越小，测量精度就越高。所以想要提高绝对式编码器的分辨力，就要增加码道数。为了避免出现非单值性误差即当从位置0111向位置1000过渡时，若光电元件安装不准，有可能会出现8～15之间的任意的十进制数这种情况，可采用格雷码盘，如图所示。格雷码又称二进制循环码，码盘上相邻的两个数码之间只有一位是变化的，这样可以消除非单值性误差。
格雷码盘展开图
二、增量式编码器
（1）增量式编码器的结构和工作原理
增量式光电编码器采用光电式的较多，其结构如图所示，增量式光电码盘与转轴连在一起，跟随转轴一起旋转。
增量式光电编码器的结构
增量式编码器的码盘一般采用玻璃、镍和塑料3种材质制成。玻璃码盘适宜于高精度编码器，镍和塑料码盘适宜于中等精度编码器，其结构和形状如下图所示。以增量式光电码盘的上边缘有很多条向心按圆周等分的透光狭缝，狭缝的数量很多，有几百条到几千条不等，现在精度高的编码器可以有一万条狭缝。这些狭缝把码盘等分成n个透光的槽。
增量式光电码盘
增量式编码器的光源为具有聚光效果的LED灯，光源发出的光线透过光电码盘上狭缝，照射到码盘后方的光敏元件上，光敏元件将接收到的光信号转换成电脉冲信号，再经过信号处理电路后，送至控制系统或者直接显示。
增量式光电编码器的测量精度取决于码盘圆周上的狭缝条数，设狭缝条数为n，则光电编码器能分辨的角度为
（2）增量式编码器的输出信号方式
①单路输出
单路输出的编码器码盘只有一圈光栅，如图（a）所示。编码器有一组光电元件，如图（b）所示输出一个通道脉冲信号，控制系统根据单位时间检测到的脉冲数及编码器的分辨率计算出的被测轴的角速度及线速度。单路输出的缺点是输出波形只反映被测轴转动的角度，不能反映被测轴的转动方向。
单路输出的光电编码器的光栅结构和输出信号波形
②二路输出
二路输出的编码器码盘有2圈光栅，并且以90°相位差排列，如图（a）所示，编码器有2组光电元件，输出2路脉冲信号，由于A、B两相相差90°，可通过比较A相超前还是B相超前，以判别编码器的正转与反转，这点与光栅传感器测量位移的辨向电路相似。所以二路输出的光电编码器不仅可以检测速度，还可以检测旋转方向。
二路输出的光电编码器的光栅结构和输出信号波形
③三路输出
三路输出是在二路输出编码器的基础上增加了一个零位信号，用于基准点定位，如图所示。一般测长度使用该信号，比如在数控机床上主要用于回坐标轴参考点，测速一般不使用该信号。三路输出不仅可以检测速度、旋转方向，还可以定位。
三路输出的光电编码器的光栅结构和输出信号波形
用增量式编码器进行角度测量时，如果电源出现故障,所有的位置信息丢失。这是它与绝对式编码器的区别。
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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