光栅式位移传感器课程设计

湖南科技大学课程设计题目：光栅式位移传感器结构及其电路设计

学生姓名：孙基

学号：1003030319

班级：10-03

专业：测控技术与仪器

指导教师：杨书仪余以道

课程设计时间：2013年6月

亠.绪论

传感器（英文名称：transducer/sensor ）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

这次课程设计选用的题目为光栅式位移传感器，光栅式位移传

感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常用于机床与现

在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅式位移传感器在现代工业中的作用是十分巨大的，不仅进一步完善了代加工工业的精度，同时也提高了其工作效率。随着国内加工业、制造业等工业越来越成熟，对加工的精度要求也日益提高。因此，越来越多的企业选择在各种机床上安装光栅式位移传感器，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等。其工作环境相对来说并不很苛刻，操作也很简单。

二．光栅式位移传感器的基本原理

光栅式位移传感器的基本原理是两片光栅，主光栅和副光栅之间

存在一偏角a,当两主副光栅发生横向相对运动时，光栅面上出现纵向移动的亮条纹。在光栅面的两侧分别加上光源和光敏元件（包括硅光电池,光电二极管,光电三极管等。）光源发出通过透镜产生一簇平行光照射在副光栅上, 主光栅移动时, 光源产生的平行光部分透过两光栅之间的缝隙而产生亮纹, 这时光敏器件接受光源的照射使光敏器件的电阻的阻值发生变化。从而在外部的测控电路中的电流或电压值发生变化, 再根据电量的输出判断亮纹出现的个数。根据亮纹个数和主光栅位移的关系科技计算主光栅的位移量。

莫尔条纹简介：是18 世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲, 莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果, 当人眼无法分辨这两条线或两个物体时,只能看到干涉的条纹,这种光学现象就是莫尔条纹。

光栅式位移传感器分为透射式和反射式光栅位移传感器两种。

此次课程设计就透射式光栅位移传感器进行设计研究。

2

对于栅距较大的黑白光栅，莫尔条纹的形成可以近似的看做

是两块光栅的栅线的相互挡光作用的结果。 光线在均匀透明的介质中 是按直线传播的。在a-a 线上的两个山栅线相互重叠，光线透过间隙 形成亮带。而在b-b 线相互遮挡就形成了暗帯。

由以上光学图像可知长光栅的条纹斜率为

个条纹间距为

wg

2 W 2 2

W 12 W 22 2ww 2cos

ta n

(1 - ) cot

W i cos 1•莫尔条纹的几何光学原

理

2

sin (cos ——)

w1

莫尔条纹具有如下特点:

(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0,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0较小时，由式(12.1.1 )可知, W—定时，0愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/ 0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随光栅刻线夹角变化

由于光栅刻线夹角 可以调节，因此可以根据需要改变B 的大小来 调节莫尔条纹的间距，这给实际应用帀来了方便。

当两光栅的相对移动方向不变时，改变 啲方向，则莫尔条纹的移动 方向改变。

二•总体设计方案的确定

总体的设计方案如上，利用光栅产生莫尔条纹的这一现象在主 光栅发生移动时，在特定光源的作用下产生莫尔条纹， 在光栅的另一 侧置一光敏元件，感受光强变化，从而改变光敏元件的电阻值，光电 转换电路中产生周期变化的信号。

转换电路的设计方案

:

—

一I IF (

■J

I 0丿|

1•简单一点来说检测输出信号为模拟信号，将信号放大，滤波。用示波器显示模拟信号。信号大致为一类似正余弦的图像，通过数波峰个数来大致确定产生的亮条纹的个数。再乘以栅距就的主光栅的位移。

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，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

式中」一一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。