7-2光栅的光电读数.doc

§7-2 光栅的光电读数
概述
㈠计量光栅技术
一百多年以前,光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长测定(,d为栅距,为衍射角,,为波长)。但是,将光栅实际应用到长度计量及机床数控等领域,则是本世纪五十年代以后的事。在最近一二十年内,由于应用在工业计量领域中的光栅技术得到了飞速的发展,故目前将这一领域中发展起来的光栅技术称为计量光栅技术,以表示与应用在其它领域中的光栅技术相区别。
a
b
δ1
δ2
Nd
被测物长度x
图7-2-1
㈡光栅测量原理
被测物长度为x

d――栅距
N――ab间光栅栅线对数
代表不足一个栅距的小数
将细分
,分辨率,栅距
则测量方程式
式中是以细分系统的分辨率为最小测量单位
同理:圆光栅测量方程式

以细分分辨率为单位的总计数值
分辨率
三种数字式光栅测量系统原理方案
直接计数系统(只计d的整数倍)
采样电路
计数编码电路
计数和显示
整数、小数分别处理系统
计数和显示
细分电路
整数,计数,编码
分
离
电
路
取
样
电
路

取样电路
细分电路
计数和显示
莫尔条纹定位测量原理
㈠莫尔条纹原理
莫尔条纹方程
…………(1)
式中:为光栅栅距,为光栅交角,k为整数,,
莫尔条纹为两组直线交点[i,j=i+k]
莫尔条纹斜率
………(2)
截距
………(3)
图7-2-2
2. 莫尔条纹宽
(2)式代入得
……(4)
讨论
横向莫尔条纹
当时(2)式变为:
即莫尔条纹与x轴夹角是两光栅交角之半
(4)式变为
(θ很小时成立)
光闸莫尔条纹
当时,由(4)式知
这时,两光栅相对移动时,光栅副对入射光就像闸门一样时开时关,视场时明时暗;两光栅副移动一个栅距,视场明暗变化一次。
纵向莫尔条纹
当时形成纵向莫尔条纹
图7-2-3
㈡莫尔条纹特点
莫尔条纹运动方向和光栅运动方向近似垂直,随光栅运动方向变化而变化。
具有位移放大作用
莫尔条纹放大倍数
很小例:则
具有平均光栅误差的作用
莫尔条纹是由光栅一系列刻线的交点组成,综合栅距误差用偶然误差合成
综合平均
式中为单个栅距误差
N为栅线数
光栅信号的光电计数
㈠计数脉冲的形成
要求:在没有细分的情况下,每通过一个莫尔条纹,计数器计下一个脉冲,并能区分正反向脉冲。
某一相信号电压:
图7-2-4四极硅光电池
sinθ
-sinθ
cosθ
-cosθ
1
2
3
4
原理框图如下所示:
取样
差分分
整形
差分
反相
整形
取样
微分电路A1
微分电路A2
与门P1
与门P2
sinθ,-sinθ
2sinθ
2sinθ
-2sinθ
(正向)
加法脉冲
(负向)
减法脉冲
cosθ,-cosθ
2cosθ
方波
2cosθ
(2,4相)
(1,3相)

A




B

(解释:
如果单向计数测量,则只需对一个探测器信号进行处理;采用四个探测器是同时兼顾了正、)
① A取样:取1,3探测器(sinθ-sinθ)相位差为π的两个信号(含直流
B取样:取2,4探测器(cosθ,-cosθ)相位差为π的两个信号(含直流)


②差分放大:


③整形:
用过零点比较电路将正弦波变为方波,也称鉴零器。(消除直流电平漂移)
④微分:
过零触发,形成正、负点脉冲。
图7-2-5
㈡测量方向的判别
图7-2-6

采用两路相反信号差分析得到信号虽然可以有效消除直流电平漂移,但是,当光栅作正与反相对运动时,得到的都是相同的交变信号,在电气特性上并无差别。因此并不能解决判向问题,可以采用两路相位之差的正交信号。
如图中Ⅵ与Ⅶ相位之差,Ⅵ比Ⅶ滞后,例如:当t=0时,Ⅶ取极大值且随光栅相对运动逐渐减小(点a),而对Ⅵ信号,这个相同的状态(点b)要经过以后才出现。
如果两光栅间的相对运动方向在瞬间突然反向,则由图可见,Ⅵ信号就会马上变为比Ⅶ超前。相当于在断点处把负方向的图形折叠过来:用换。
(三)波形图:
图7-2-7

差分
鉴零
微分
限幅
V01
V1
V3
V02
V03
VL
①
②
③
④
㈣莫尔条纹信号处理电路


图7-2-8